Влияние микроэлементов на накопление биофлавоноидов в растениях чая

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние микроэлементов на накопление биофлавоноидов в растениях чая

Мария Юрьевна Зубова, Диана Муратовна Каирбекова,

Людмила Владимировна Назаренко,

Людмила Степановна Малюкова,

Наталья Викторовна Загоскина

Аннотация

Изучено накопление фенольных соединений, в том числе таких представителей биофлавоноидов, как флаваны, в листьях растений чая. Их выращивали при стандартных условиях (отношение NPK составляло 240:70:90 кг/га) или при дополнительном внесении в почву таких микроэлементов, как бор (H₃BO₃ -- 6 кг/га) и цинк (ZnSO₄ -- 4,3 кг/га). Установлено более высокое содержание фенольных соединений в листьях растений, выращенных в условиях дополнительного внесения микроэлементов. Этот эффект был более выражен при воздействии бора.

Ключевые слова: растения чая, фенольные соединения, микроэлементы

Abstract

Maria Yurievna Zubova, Diana Muratovna Kairbekova, Lyudmila Vladimirovna Nazarenko^, Lyudmila Stepanovna Malyukova, Natalya Viktorovna Zagoskina

Effect of trace elements on bioflavonoid accumulation in tea plants

The accumulation of phenolic compounds, including such representatives of bioflavonoids as flavans, in the leaves of tea plants was studied. They were grown under standard conditions (NPK ratio was 240:70:90 kg/ha) or with additional soil application of such trace elements as boron (H₃BO₃ -- 6 kg/ha) and zinc (ZnSO₄ -- 4.3 kg/ha). A higher content of phenolic compounds in the leaves of plants grown under conditions of additional application of microelements was established. This effect was more pronounced when exposed to boron.

Keywords: tea plants, phenolic compounds, trace elements

Введение

Растения чая (Camellia sinensis L.) относятся к одним из важнейших культур, способствующих здоровьесбережению человечества [20]. В значительной степени это обусловлено получаемым из него продуктом -- чаем, который входит в ежедневной рацион практически каждого жителя нашей планеты [1, 19]. Биологически активные соединения чайного растения используются также в медицине и косметической промышленности [16, 17]. Такой широкий спектр применения можно объяснить его уникальным химическим составом. В него входят различные азотсодержащие соединения (кофеин, теофиллин, теобромин), дубильные вещества, эфирные масла, а также фенольные соединения -- вещества с высокой антиоксидантной активностью [7, 11].

Фенольные соединения -- самые широко встречающиеся в растениях вещества вторичного метаболизма [4]. Их физиологические функции весьма различны, это связано с ростом и развитием растений, регуляцией клеточного цикла и гормональной системы растительных клеток, фотосинтезом и дыханием, защитой от патогенов и других стрессоров [15, 18, 22].

Среди фенольных соединений наиболее широко представлены различные флавоноиды или, как часто отмечается в литературе, биофлавоноиды [4, 9]. К ним относятся антоцианы, флавононы, флавоны, флавонолы, флаваны и другие их классы. Многие из этих соединений придают окраску растительных тканям и даже рассматриваются как компоненты их пигментной системы [12]. В большей степени это характерно для антоцианов, накопление которых в цветках и плодах обеспечивает их различный цвет (от светло-желтого до темно синего) ^[13].

Как уже отмечалось выше, для многих фенольных соединений характерна антиоксидантная активность. Она сохраняется и при их поступлении в организм человека, оказывая на него благотворное влияние [13]. Такие представители растительных биофлавоноидов, как флаваны, проявляют высокую антиоксидантную активность, тем самым предотвращая развитие атеросклероза и снижая риск развития сердечно-сосудистых заболеваний у человека [2]. Они также оказывают положительное воздействие на когнитивные функции мозга и подавляют рост раковых клеток, что открывает новые перспективы при лечении данных заболеваний [20]. Помимо этого, доказано, что постоянное употребление экстрактов зеленого чая с высоким содержанием флаванов приводит к снижению жировых отложений, а также к предотвращению риска развития сахарного диабета 2-го типа [14]. Все это может свидетельствовать о важной роли биофлавоноидов чая в здоровьесбережении человека.

Способность растений чая синтезировать биофлавоноиды зависит от многих факторов, включая особенности сорта, этапы онтогенеза, условия выращивания [3, 7, 10]. Говоря об условиях выращивания, стоит упомянуть о важности минерального питания, которое заключается в рациональном внесении в почву макрои микроэлементов, что способствует увеличению продуктивности растений чая и, как следствие, накоплению флавоноидов [5]. Несмотря на длительную историю изучения этого вопроса, многие аспекты регуляции накопления фенольных соединений, в том числе флаванов, в молодых побегах чая до сих пор остаются дискуссионными.

Целью нашего исследования было изучение накопления фенольных соединений и флаванов в листьях растений чая при обычном уровне минерального питания и при дополнительном внесении в почву таких микроэлементов, как бор и цинк.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования были зеленые листья однолетних побегов растений чая (Camellia sinensis L.) сорта «Колхида», выращиваемых на чайной плантации в районе Большого Сочи (пос. Уч-Дере, ЗАО «Дагомысчай», Краснодарский край). В почву вносили стандартные комплексные удобрения, где NPK было в соотношении 240:70:90 кг/га (контроль), а также дополненные микроэлементами -- цинк (Zn) и бор (B), соответственно в виде ZnSO₄ (4,3 кг/га) и H₃BO₃ (6 кг/га).

Для изучения были использованы листья однолетних побегов, собранные в июле 2021 года. Растительный материал фиксировали жидким азотом и хранили при -70 °С до проведения биохимических исследований.

Экстракция фенольных соединений из растительного материала

Фенольные соединения извлекали из растительного материала экстракцией 96 %-ным этанолом [8]. Для этого зафиксированный в жидком азоте растительный материал гомогенизировали в экстрагенте, помещали в конические пробирки и выдерживали в термостате при - 45 °С в течение 30 мин. в темноте. Затем гомогенат центрифугировали при 16 000 об/мин в течение 3 минут, отделяя надосадочную фракцию, которую использовали для количественного определения различных соединений фенольной природы, методом спектрофотометрии.

Определение суммарного содержания фенольных соединений

Суммарное содержание фенольных соединений определяли с использованием реактива Фолина - Дениса [8]. Для этого к 75 мкл этанольного экстракта добавляли 75 мкл реактива Фолина - Дениса. Через 3 минуты добавляли 150 мкл концентрированного раствора соды и 1200 мкл воды. В контрольном варианте спиртовой растительный экстракт заменяли на 96 %-ный этанол. Смесь инкубировали при 24 °С в течение 30 минут, а затем центрифугировали 3 минуты при 16 000 об/мин. Полученный супернатант отделяли и проводили определение оптической плотности раствора при 725 нм. Калибровочную кривую строили по галловой кислоте.

Определение содержания флаванов

фенольный флаван растение чай

Содержание флаванов определяли с использованием ванилинового реактива [8]. Для этого к 250 мкл этанольного экстракта добавляли 1250 мкл 1 %-ного раствора ванилина в 70 %-ной H₂SO₄. В качестве контроля использовали раствор, где экстракт заменяли на 96 %-ный этанол. Спектрофотометрирование проводили при 500 нм. Для расчета содержания флаванов использовали калибровочную кривую, построенную по ( - )-эпикатехину.

Статистическая обработка результатов

Все определения проводили в трех биологических и 2-3 аналитических повторностях. Статистическую обработку полученных данных осуществляли с использованием программы Statistica for Windows 9.0. На рисунках представлены средние арифметические значения определений и их стандартные ошибки. Надстрочные символы обозначают достоверность различий средних значений по t-критерию Стьюдента прир < 0,050.

Результаты исследования

Поскольку фенольные соединения являются теми биологически активными компонентами, которые обусловливают использование растений чая, то было проведено определение их суммарного накопления в листьях как важного показателя биосинтетической способности растительных тканей [4, 8].

При дополнительном внесении в почву микроэлементов отмечалось незначительное повышение содержания суммы фенольных соединений в молодых листьях (рис. 1).

Рис. 1 Содержание суммы фенольных соединений в листьях однолетних растений чая, выращенных в стандартных условиях (контроль) или при дополнительном внесении в почву бора (В) и цинка (Zn)

В присутствии бора этот показатель повышался среднем на 25 % по сравнению с контролем, а в присутствии цинка -- в среднем на 10 %. Можно заключить, что повышение количества бора в почве сопровождалось изменениями в метаболизме растений чая, что проявлялось в активации накопления фенольных соединений в листьях молодых побегов. О влиянии бора на образование этих вторичных метаболитов в тканях растений сообщалось и другими авторами [5].

В фенольном комплексе растений чая основными представителями биофлавоноидов являются флаваны [2]. Их накопление в листьях молодых побегов растений чая, выращиваемых на почвах, обогащенных бором и цинком, было выше относительно контрольного варианта (рис. 2).

Рис. 2 Содержание флаванов в листьях однолетних растений чая, выращенных в стандартных условиях (контроль) или при дополнительном внесении в почву бора (В) и цинка (Zn)

Внесение в почву бора приводило к увеличению содержания в них флаванов в среднем на 43 % по сравнению с контролем. При добавлении цинка оно повышалось в среднем на 31 %. Это еще раз подтверждает более выраженные изменения в фенольном метаболизме в листьях молодых побегов растений чая, выращиваемых на почвах с повышенным содержанием бора.

Заключение

Бор и цинк относятся к важным эссенциальным микроэлементам, которые жизненно необходимы растениям и участвуют в регуляции процессов метаболизма [6, 21]. Их внесение в почву и, как следствие, поступление в клетки и ткани оказывает влияние на многие физиологические процессы, в том числе образование различных соединений, к числу которых относятся биофлаваноиды.

Бор является важным микроэлементом для роста растений. Он повышает засухои морозоустойчивость растений, интенсивность фотосинтеза, влияет на активность ферментов [6]. Отмечено его положительное действие на поступление в растения кальция и калия, а также других важных макроэлементов. При недостатке бора в почве отмечались нарушения роста корней и стеблей, отсутствие цветков на побегах [10].

Согласно полученным нами данным, дополнительное внесение бора в почву при выращивании растения чая способствовало повышению в листьях молодых побегов количества фенольных соединений, особенно таких представителей биофлавоноидов, как флаваны.

Важная биологическая роль в жизни растений принадлежит и другому эссенциальному микроэлементу -- цинку [21]. Он оказывает влияние на процессы фотосинтеза, содействует повышению содержания углеводов в зеленых частях растений, а также входит в состав многих ферментов. Доказано, что соединения цинка принимают участие в адаптации растений к различным стрессорам (мороз, засуха, вредное влияние солей). При недостатке этого микроэлемента в них укорачиваются междоузлия, листья приобретают бронзовый оттенок, становятся пятнистыми [16].

Согласно полученным данным, количество фенольных соединений, в том числе биофлавоноидов флавановой природы, в листьях однолетних побегов чая, выращенных на почве с повышенным содержанием цинка, увеличилось. Однако эти изменения были выражены в меньшей степени, чем при действии бора.

Таким образом, можно сделать вывод о положительном регуляторном действии на метаболические процессы в растениях Camellia sinensis L. таких эссенциальных элементов, как бор и цинк. Это проявлялось в более высоком накоплении в молодых листьях флаванов -- биологически активных соединений с Р-витаминной активностью, обусловливающих качество продукта (чая). Можно предположить возможность изменения/улучшения продуктивности растений чая при действии микроэлементов в отношении наиболее ценной части их урожая (флешей) за счет активации биосинтеза фенольных соединений, в том числе биофлавоноидов, как важных биологически ценных компонентов получаемого из него продукта -- чая.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (№ 121050500047-5) и ГЗ ФИЦ СНЦ РАН № FGRW-2021-0010.

Список источников

1. Афонина С. Н. Биохимия компонентов чая и особенности его биологического действия на организм (обзор) / С. Н. Афонина, Е. Н. Лебедева, Н. П. Сетко // Оренбургский медицинский вестник. 2017. №. 4 (20). С. 17-33. URL: https://www.elibrary. ru/item.asp?id=32290518

2. Барабой В. А. Катехины чайного растения: структура, активность, применение // Біотехнологія. 2008. Т 1. № 3. С. 25-36. URL: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=18909972

3. Гвасалия М. В. Генетическое разнообразие растений чая (Camellia sinensis (L.) Kuntze), произрастающих во влажных субтропиках России // Субтропическое и декоративное садоводство. 2018. № 66. С. 28-34. DOI: 10.31360/2225-3068-2018-66-28-34

4. Запрометов М. Н. Фенольные соединения: распространение, метаболизм и функции в растениях. М.: Наука, 1993. 271 с.

5. Козлова Н. В., Великий А. В. Особенности химического состава чайного растения на фоне применения мезо и микроудобрений (S, Mg, Ca, B, Zn) в условиях субтропиков России // Субтропическое и декоративное садоводство. 2012. № 46. С. 251-260. URL: https://www.eHbrary.m/item.asp?id=35380757

6. Куликова Е. В. Влияние различных способов агротехники на содержание водорастворимого бора в черноземах выщелоченных Рамонского района Воронежской области / Е. В. Куликова, Н. С. Горбунова, Ю. А. Горшенева // Модели и технологии природообустройства (региональный аспект). 2019. № 1 (8). С. 61-67. URL: https:// www.eHbrary.ru/item.asp?id=39245576

7. Малюкова Л. С. Генетические механизмы биосинтеза катехинов, кофеина и L-теанина у чайного растения Camellia sinensis (L.) Kuntze (обзор) / Л. С. Малюкова, Л. С. Самарина, Н. В. Загоскина // Сельскохозяйственная биология. 2022. Т 57. № 5. С. 882-896. DOI: 10.15389/agrobiology.2022.5.882rus

8. Нечаева Т Л. Адаптация in vivo и in vitro растений Camellia sinensis (L.) Kuntze к действию кальция / Т Л. Нечаева, М. Ю. Зубова, Л. С. Малюкова и др. // Субтропическое и декоративное садоводство. 2021. Т 78. С. 66-76. DOI: 10.31360/2225-3068-2021-78-66-76

9. Павленкова М. В. Сохранение биофлавоноидов в процессе обезвоживания фруктового сырья / М. В. Павленкова, В. Н. Стрижевская, С. А. Немкова и др. // Технологии и продукты здорового питания. 2018. С. 175-180. URL: https://www.elibrary. ru/item.asp?id=38237769

10. Платонова Н. Б., Белоус О. Г. Содержание флавоноидов в зависимости от условий выращивания и сорта чайного растения // Фенольные соединения: функциональная роль в растениях. 2018. С. 319-326. URL: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=35380757

11. Платонова Н. Б., Белоус О. Г. Биохимический состав чая и его изменения под влиянием различных факторов // Техника и технология пищевых производств. 2020. № 50 (3). С. 404-414. DOI: 10.21603/2074-9414-2020-3-404-414

12. Чуб В. В., Миронова О. Ю. Поглощение света растениями и биологически активные молекулы // Светотехника. 2019. С. 13-18. URL: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=41482678

13. Юдина Р. С. Антоцианы как компоненты функционального питания / Р. С. Юдина, Е. И. Гордеева, О. Ю. Шоева и др. // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2021. № 25 (2). С. 178-189. DOI: 10.18699/VJ21.022

14. Burton-Freeman B. A selective role of dietary anthocyanins and flavan-3-ols in reducing the risk of type 2 diabetes mellitus: a review of recent evidence / B. Burton-Freeman, M. Brzezinski, E. Park et al. // Nutrients. 2019. № 11 (4). Р. 841. DOI: 10.3390/nu11040841

15. Cheynier V. Plant phenolics: recent advances on their biosynthesis, genetics, and ecophysiology / V. Cheynier, G. Comte, K. M. Davies et al. // Plant physiology and biochemistry. 2013. V. 72. P. 1-20. DOI: 10.1016 / j.plaphy.2013.05.009

16. Koch W. Applications of tea (Camellia sinensis) and its active constituents in cosmetics / W. Koch, J. Zagorska, Z. Marzec et al. // Molecules. 2019. № 24 (23). Р. 4277. DOI: 10.3390/molecules24234277

17. Mahmood M. S. Antiviral effects of green tea (Camellia sinensis) against pathogenic viruses in human and animals (a mini review) / M. S. Mahmood, J. L. Martinez, A. Aslam et al. // African Journal of Traditional, Complementary and Alternative Medicines. 2016. № 13 (2). Р. 176-184. DOI: 10.4314/ajtcam. v13i2.21

18. Naikoo M. I. Role and regulation of plants phenolics in abiotic stress tolerance: An overview / M. I. Naikoo, M. I. Dar, F. Raghib et al. // Plant signaling molecules. 2019. Р. 157-168. DOI: 10.1016 / B978-0-12-816451-8.00009-5

19. Naveed M. Pharmacological values and therapeutic properties of black tea (Camellia sinensis): A comprehensive overview / M. Naveed, J. BiBi, A. A. Kamboh et al. // Biomedicine & Pharmacotherapy. 2018. № 100. Р. 521-531. DOI: 10.1016/j.biopha.2018.02.048

20. Sharangi A. B. Medicinal and therapeutic potentialities of tea (Camellia sinensis L.) - A review // Food research international. 2009. V. 42. № 5-6. Р. 529-535. DOI: 10.1016/j.foodres.2009.01.007

21. Tanmoy K. Micronutrients (B, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, and Zn) content in made tea (Camellia sinensis L.) and tea infusion with health prospect: A critical review, Critical Reviews in Food Science andutrition / K. Tanmoy, R. K. Funso, R. N. Jyoti et al. 2017. Vol. 57 (14). Р. 2996-3034. DOI: 10.1080/10408398.2015.1083534

22. Zaynab M. Role of secondary metabolites in plant defense against pathogens / M. Zaynab, M. Fatima, S. Abbas et al. // Microbial pathogenesis. 2018. № 124. Р. 198-202. DOI: 10.1016/j. micpath.2018.08.034

References

1. Afonina S. N. Biochemistry of tea components and features of its biological effect on the body (review ) / S. N. Afonina, E. N. Lebedeva, N. P. Setko // Orenburg Medical Bulletin. 2017. № 4 (20). P. 17-33. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id= 32290518

2. Baraboy V. A. Catechins of tea plant: structure, activity, application // Biotechnology. 2008. Vol. 1. № 3. P. 25-36. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=18909972

3. Gvasalia M. V. Genetic diversity of tea plants (Camellia sinensis (L.) Kuntze), growing in the humid subtropics of Russia // Subtropical and decorative gardening. 2018. № 66. P. 28-34. DOI: 10.31360/2225-3068-2018-66-28-34

4. Prometov M. N. Phenolic compounds: distribution, metabolism and functions in plants. M.: Science, 1993. 271 s.

5. Kozlova N. V., Veliky A. V. Features of the chemical composition of a tea plant against the background of the use of meso and microfertilization (S, Mg, Ca, B, Zn) in the conditions of the subtropics of Russia // Subtropical and decorative gardening. 2012. № 46. P. 251-260. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35380757

6. Kulikova E. V. The influence of various methods of agricultural engineering on the content of water-soluble boron in the chernozems of the leached Ramonsky district of the Voronezh region / E. V. Kulikova, N. S. Gorbunova, Yu. A. Gorsheneva // Models and technologies of environmental management (regional aspect). 2019. № 1 (8). P. 61-67. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=39245576

7. Malyukova L. S. Genetic mechanisms for the biosynthesis of catechins, caffeine and L-theanine in the tea plant Camellia sinensis (L.) Kuntze (review ) / L. S. Malyukova,

8. S. Samarina, N. V. Zagoskina // Agricultural biology. 2022. Vol. 57. № 5. P. 882-896. DOI: 10.15389/agrobiology.2022.5.882rus

9. Nechaeva T L. In vivo and in vitro adaptation of Camellia sinensis (L.) Kuntze plants to calcium action / T. L. Nechaeva, M. Yu. Zubova, L. S. Malyukova et al. // Subtropical and ornamental horticulture. 2021. Vol. 78. P. 66-76. DOI: 10.31360/2225-3068-2021-78-66-76

10. Pavlenkova M. V. Preservation of bioflavonoids in the process of dehydration of fruit raw materials / M. V. Pavlenkova, V. N. Strizhevskaya, S. A. Nemkova et al. // Technologies and healthy food products. 2018. P. 175-180. URL: https://www.elibrary.ru/ item.asp?id=38237769

11. Platonova N. B., Belous O. G. Content of flavonoids depending on the growing conditions and variety of tea plant // Phenolic compounds: functional role in plants. 2018. P. 319-326. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35380757

12. Platonova N. B., Belous O. G. Biochemical composition of tea and its changes under the influence of various factors // Technology and technology of food production. 2020. № 50 (3). P. 404-414. DOI: 10.21603/2074-9414-2020-3-404-414

13. Chub V. V., Mironova O. Yu. Absorption of light by plants and biologically active molecules // Lighting engineering. 2019. P. 13-18. URL: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=41482678

14. Yudina R. S. Antotsians as components of functional nutrition / R. S. Yudina, E. I. Gordeeva, O. Yu. Shoeva et al. // Vavilovsky Journal of Genetics and Selection. 2021. № 25 (2). P. 178-189. DOI: 10.18699/VJ21.022

15. Burton-Freeman B. A selective role of dietary anthocyanins and flavan-3-ols in reducing the risk of type 2 diabetes mellitus: a review of recent evidence / B. Burton-Freeman,

16. M. Brzezinski, E. Park et al. // Nutrients. 2019. № 11 (4). Р 841. DOI: 10.3390/nu11040841

17. Cheynier V. Plant phenolics: recent advances on their biosynthesis, genetics, and ecophysiology / V. Cheynier, G. Comte, K. M. Davies et al. // Plant physiology and biochemistry. 2013. V. 72. P. 1-20. DOI: 10.1016 / j.plaphy.2013.05.009

18. Koch W. Applications of tea (Camellia sinensis) and its active constituents in cosmetics / W. Koch, J. Zagorska, Z. Marzec et al. // Molecules. 2019. № 24 (23). Р. 4277. DOI: 10.3390/molecules24234277

19. Mahmood M. S. Antiviral effects of green tea (Camellia sinensis) against pathogenic viruses in human and animals (a mini review) / M. S. Mahmood, J. L. Martinez, A. Aslam et al. // African Journal of Traditional, Complementary and Alternative Medicines. 2016. № 13 (2). Р. 176-184. DOI: 10.4314/ajtcam. v13i2.21

20. Naikoo M. I. Role and regulation of plants phenolics in abiotic stress tolerance: An overview / M. I. Naikoo, M. I. Dar, F. Raghib et al. // Plant signaling molecules. 2019. Р. 157-168. DOI: 10.1016/B978-0-12-816451-8.00009-5

21. Naveed M. Pharmacological values and therapeutic properties of black tea (Camellia sinensis): A comprehensive overview / M. Naveed, J. BiBi, A. A. Kamboh et al. // Biomedicine & Pharmacotherapy. 2018. № 100. Р. 521-531. DOI: 10.1016/j.biopha.2018.02.048

22. Sharangi A. B. Medicinal and therapeutic potentialities of tea (Camellia sinensis L.) - A review // Food research international. 2009. Vol. 42. № 5-6. Р. 529-535. DOI: 10.1016/j.foodres.2009.01.007

23. Tanmoy K. Micronutrients (B, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, and Zn) content in made tea (Camellia sinensis L.) and tea infusion with health prospect: A critical review, Critical Reviews in Food Science andutrition / K. Tanmoy, R. K. Funso, R. N. Jyoti et al. 2017. Vol. 57 (14). Р. 2996-3034. DOI: 10.1080/10408398.2015.1083534

24. Zaynab M. Role of secondary metabolites in plant defense against pathogens / M. Zaynab, M. Fatima, S. Abbas et al. // Microbial pathogenesis. 2018. № 124. Р. 198-202. DOI: 10.1016/j. micpath.2018.08.034

Размещено на Allbest.ru