Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2020, T. 492, № 1, стр. 226-229

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день мировая агроиндустрия широко обсуждает важность перехода от интенсивного земледелия к органическому. Данный процесс подразумевает отказ от синтетических регуляторов роста, антибиотиков, ГМО и т.д. Таким образом, необходим пересмотр используемых в сельском хозяйстве технологий. Одним из направлений является поиск и внедрение природных комплексных фитопрепаратов, безопасных для окружающей среды и человека, обладающих широким спектром биологической активности.

Перспективным классом таких соединений являются стевиол-производные, выделенные из Stevia rebaudiana [1]. Благодаря особенностям биосинтеза стевиола в стевии, все его производные имеют сходство химической структуры с фитогормонами гиббереллинами [2].

Установлено, что в стевии, кроме стевиола, присутствует комплекс стевиол-гликозидов: стевиозид, ребаудиозиды A, B, C, D, Е и F, дулкозид A, стевиолбиозид и др. Все они отличаются только количеством и составом углеводов, последовательно присоединяемых к стевиолу в процессе синтеза [3].

В настоящее время высокая биологическая активность гликозилированных производных стевиола не вызывает сомнения. С 2008 г. они признаны безопасными для человека организацией FDA (Food and Drug Administration – “Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов”) и стремительно захватывают рынок природных сахарозаменителей, благодаря сладкому вкусу [4]. Еще больший интерес среди ученых они вызывают в связи с большим количеством описанных в литературе терапевтических эффектов на организм животных и человека [1, 3].

Однако очень мало исследований, демонстрирующих активность стевиолов на растениях [1, 5, 6]. В работе проведен сравнительный анализ влияния агликон-астевиола (каурановое производное), его бейранового изомера – изостевиола и стевиозида – основного гликозида стевии [1], являющегося тригликозилированным стевиолом, на физиологические и биохимические показатели проростков пшеницы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Эксперименты проводили на 7-ми суточных проростках озимой пшеницы Triticum aestivum сорта Казанская 560, выращенных в лабораторных условиях (23°С, светопериод – 12 ч, освещенность – 100 Вт/м²). Семена замачивали на сутки в водопроводной воде и высаживали в кюветы с растворами исследуемых соединений (рис. 1): стевиол, изостевиол и стевиозид (выделены из листьев S. rebaudiana в ИОФХ им. А.Е. Арбузова в лаборатории фосфорных аналогов природных соединений). Использовали концентрации веществ от 10^–9 до 10^–6 М.

Рис. 1.

Химическая структура анализируемых стевиолов.

Измеряли рост у 50 растений каждой группы. Оценивали активность амилаз и содержание белка по [7]. Морозоустойчивость корней 7-суточных проростков определяли по выходу электролитов [7]. Представлены средние значения со стандартными отклонениями. Достоверность отличий определяли по критерию Манна–Уитни.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На первом этапе оценивали длину корней и листьев 7-ми суточных проростков пшеницы, выращенных на растворах исследуемых веществ (рис. 2). Стевиозид (А), содержащий 3 остатка глюкозы, стимулировал рост проростков практически при всех концентрациях, однако статистически достоверный эффект наблюдали только в концентрации 10^–8 М.

Рис. 2.

Влияние природных стевиолов на рост проростков пшеницы: А – стевиозид, Б – стевиол, В – изостевиол (* – уровень значимости при р < 0.05).

Агликон – стевиол (Б) не влияет на рост листьев, но вызывает дозозависимое увеличение длины корней проростков. Максимальный эффект наблюдали в варианте с концентрацией 10^–9 М. Изостевиол (В) – изомер стевиола, оказывал противоположное действие: стимулировал рост надземной части (10^–9 М) и не влиял на длину корней.

Таким образом, определили оптимальные концентрации веществ: стевиозид – 10^–8 М, стевиол и изостевиол – 10^–9 М. Следует отметить, что стевиозид одновременно стимулировал рост, как корней, так и листьев проростков. Такое изменение является наиболее благоприятным для развития растения в целом.

Агликоны оказывали однонаправленный эффект: стевиол достоверно активировал только рост корня, а изостевиол – листьев. Таким образом, выявили отличия в действии веществ кауранового ряда (стевиол и стевиозид) и бейранового (изостевиол) на рост проростков пшеницы.

Данные морфометрических исследований коррелируют с содержанием белка в листьях проростков (табл. 1). Установлено, что агликон изостевиол повышал содержание белка на 26%, а гликозид стевиозид – на 56% относительно контроля.

Принимая во внимание тот факт, что стевиолы являются структурными аналогами гиббереллинов, можно предположить, что обнаруженные отличия в росте могут быть следствием дифференцированной активности амилаз в семенах на начальных этапах прорастания.

По нашим данным анализируемые соединения несколько повышали суммарную активность амилаз, однако, активность α-амилазы стимулировал только стевиозид. По-видимому, не все природные стевиол-производные обладают гиббереллин-подобным действием в отношении данного фермента. Интересно отметить, что только гликозилированная форма стевиола (стевиозид) обуславливала такой эффект.

Эффективность процесса прорастания семян сказывается на функциональном состоянии молодых проростков. Действительно, данный этап и начальные фазы онтогенеза могут играть важную роль в выживаемости растений и определять продуктивность сельскохозяйственных культур [8]. Известно, что из углеводов образуются предшественники биосинтеза липидов, нуклеиновых кислот и белков – необходимых компонентов роста и развития зародыша семени [9]. В целом можно отметить, что стевиозид-индуцированное повышение активности амилолитических ферментов и содержания белка отражается в усилении ростовых процессов.

Таким образом, стевиозид (10^–8 М) в большей степени повышает активность амилолитических ферментов, стимулирует накопление белка и рост 7-ми суточных проростков.

Природные фитопрепараты нового поколения должны обладать комплексным действием на растения. В связи с этим оценивали морозоустойчивость корней проростков пшеницы. Обнаружено, что у незакаленных растений только стевиол и стевиозид несколько повышали морозоустойчивость корней. На закаленные растения все стевиолы оказывали защитное действие, но в разной степени. Максимальный эффект по сравнению с контролем оказывал стевиозид.

Таким образом, на основании полученных данных установили, что природные стевиолы могут быть использованы в разработке фитопрепаратов, не только стимулирующих рост, но также обладающих протекторными свойствами. Тем не менее, при отборе таких веществ необходимо учитывать особенности химической структуры агликона. По нашим данным соединения кауранового ряда демонстрируют большие биологические эффекты, чем производные бейрана. Интересно отметить, что углеводная часть молекулы, также играет определенную роль в формировании ответов растений пшеницы. Нами впервые было показано, что стевиозид – вещество кауранового ряда, с тремя остатками глюкозы, в концентрации 10^–8 М является наиболее перспективным соединением. На фоне умеренного ростстимулирующего эффекта на проростки, данное вещество в большей степени повышает морозоустойчивость корней пшеницы.