Известия РАН. Серия биологическая, 2019, № 3, стр. 229-235
Вторичные метаболиты микромицетов в растениях семейства Fabaceae родов Lathyrus, Vicia
Г. П. Кононенко 1, *, А. А. Буркин 1
1 Всероссийский научно-исследовательский институт ветеринарной санитарии, гигиены и экологии
123022 Москва, Звенигородское ш., 5, Россия
* E-mail: kononenkogp@mail.ru
Поступила в редакцию 17.01.2017
После доработки 15.11.2018
Принята к публикации 15.11.2018
Аннотация
Изучены компонентный состав и содержание микотоксинов в многолетних бобовых травах рода Lathyrus (L. pratensis L., L. vernus (L.) Bernh., L. sylvestris L., L. niger (L.) Bernh., L. japonicus Willd., L. palustris L.) и рода Vicia (V. cracca L., V. sepium L., V. sylvatica L.), отобранных из естественных биоценозов. Наибольшие интенсивность накопления и разнообразие грибных метаболитов обнаружены у чины луговой, наименьшие – у горошков. Обсуждаются общие черты и межвидовые особенности профиля микотоксинов в растениях родов Lathyrus и Vicia, а также характер его изменчивости у чины луговой и горошка мышиного в период вегетации.
Давно возникший интерес биологической науки к природной флоре – уникальным биологическим объектам, обладающим совершенными механизмами адаптации к многообразию факторов окружающей среды, в том числе и грибных сообществ как извне, так и изнутри, – сохраняется и в наши дни (Егорова, 1965; Saleh, Glombitza, 1997; Chang et al., 2004; Kobes et al., 2011; Kononenko et al., 2015). В ходе недавно начатого углубленного изучения растений сем. Fabaceae из трех таксономических групп – триб Trifolieae (клеверные), Galegeae (козлятниковые) и Genisteae (дроковые) – установлены видовые особенности и сезонные изменения в накоплении токсичных метаболитов микромицетов (Буркин, Кононенко, 2018; Кононенко, Буркин, 2018). Многолетние растения родов Lathyrus и Vicia широко представлены в луговых экосистемах и являются непременной составляющей природных сенокосов и пастбищ в широком ареале от Заполярья до южных широт.
Цель работы – изучить компонентный состав и содержание микотоксинов у растений родов Lathyrus и Vicia сем. Fabaceae трибы Fabeae (бобовые) из естественных ценозов в период вегетации.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследования были дикорастущие травы рода Lathyrus (чина луговая L. pratensis L., чина весенняя L. vernus (L.) Bernh., чина лесная L. sylvestris L., чина черная L.niger (L.) Bernh., чина японская L. japonicus Willd. subsp. pubescens Korobkov, чина болотная L. palustris L.) и рода Vicia (горошек мышиный V. cracca L., горошек заборный V. sepium L., горошек лесной V. sylvatica L.).
Сборы наземных частей растений (на 3–5 см выше поверхности почвы) проводили в мае–сентябре 2015 и 2016 гг. в Московской (Балашихинский, Дмитровский, Ногинский, Одинцовский, Подольский районы), Тверской (Вышневолоцкий р-н) и Мурманской (Кандалакшский р-н) областях и Республике Карелия (Лоухский р-н) на лугах разных типов, выгонах и пастбищах, открытых склонах, по берегам рек, ручьев, озер (водоемов), на лесных полянах и опушках, просеках, вырубках, в заболоченных ивняках и кустарниках, по обочинам дорог и окраинам полей, у жилья, на пустырях, межах и в придорожных луговинах, а также в лесопарковой зоне Западного административного округа г. Москвы (пойма р. Сетунь). Для видовой идентификации растений использовали определители (Губанов и др., 2003; Скворцов, 2004).
Растительный материал выдерживали в проветриваемом помещении при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния и измельчали в лабораторной мельнице. Для экстракции применяли смесь ацетонитрила и воды в объемном соотношении 84 : 16 при расходе 10 мл на 1 г навески. Экстракты после 10-кратного разбавления буферным раствором использовали для непрямого конкурентного иммуноферментного анализа. Микотоксины – Т-2-токсин (Т-2), диацетоксисцирпенол (ДАС), дезоксиниваленол (ДОН), зеараленон (ЗЕН), фумонизины (ФУМ), эргоалкалоиды (ЭА), альтернариол (АОЛ), роридин А (РОА), афлатоксин В1 (АВ1), стеригматоцистин (СТЕ), циклопиазоновую кислоту (ЦПК), эмодин (ЭМО), охратоксин А (ОА), цитринин (ЦИТ), микофеноловую кислоту (МФК), PR-токсин (PR) – анализировали с помощью аттестованных иммуноферментных тест-систем (Буркин, Кононенко, 2013). Нижний предел количественных измерений соответствовал 85%-ному уровню связывания антител.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Растения рода Lathyrus в данном исследовании были представлены пятью видами, у которых общим признаком было регулярное, практически постоянное обнаружение АОЛ, ЦПК, ЭМО, а также ЭА, хотя у одного из них (чины черной) с пониженной встречаемостью последнего и крайне низким содержанием, близким к пределу определения метода (табл. 1). Чина луговая отличалась наиболее высокой частотой обнаружения остальных анализированных микотоксинов (67–100%), и даже такие редкие у других метаболиты, как ФУМ и РОА, определялись более чем в половине образцов. У чины весенней и чины черной наблюдались признаки подобия по этим компонентам метаболического профиля, но с явным отставанием по частоте встречаемости (11–56%) и содержанию. Особенно заметным (на порядок) было снижение количеств ДАС, АВ1, ЭА, ЭМО и ОА. То, что в единственном анализированном образце чины лесной были найдены те же микотоксины (за исключением ДОН и МФК) и в тех же количествах, что у чины весенней и чины черной, может указывать на метаболическое сходство этих трех видов. Образцы чины японской и чины болотной были практически свободны от фузариотоксинов (кроме фоновых количеств Т-2 у первой), а также РОА и МФК. При этом у чины японской в отличие от чины болотной контаминация АВ1 и PR и составляла 20%. Различий с другими видами по контаминации СТЕ, ОА и ЦИТ не было обнаружено.
Таблица 1.
Встречаемость и содержание микотоксинов в наземных частях отдельных видов растений рода Lathyrus
| Микотоксин | L. pratensis L. чина луговая (n = 132) |
L. vernus L. чина весенняя (n = 33) |
L. niger (L.) Bernh. чина черная (n = 9) |
L. japonicus L. чина японская (n = 17) |
L. palustris L. чина болотная (n = 5) |
|---|---|---|---|---|---|
| Т-2 | 77 2–13–125 |
33 2–9–50 |
11 2 |
29 3 |
– |
| ДАС | 80 100–1080–6310 |
21 161–230–315 |
56 130–220–310 |
– | – |
| ДОН | 67 76–375–2070 |
27 105–125–200 |
33 225–230–235 |
– | – |
| ЗЕН | 80 24–67–355 |
18 26–33–42 |
33 28–31–32 |
– | – |
| ФУМ | 55 52–240–775 |
3 125 |
– | – | – |
| ЭА | 97 2–48–795 |
100 2–9–48 |
56 2–3–4 |
100 2–10–31 |
100 3–12–31 |
| АОЛ | 100 28–890–10 000 |
100 26–155–680 |
100 22–95–400 |
100 23–65–195 |
100 49–160–310 |
| РОА | 65 2–61–675 |
12 3–11–32 |
– | – | – |
| АВ1 | 87 2–13–89 |
15 2–6–12 |
22 3 |
24 3 |
– |
| СТЕ | 91 13–89–1000 |
42 10–35–100 |
11 17 |
29 11–16–19 |
20 37 |
| ЦПК | 98 95–825–5130 |
100 85–345–1150 |
100 185–326–500 |
100 110–210–500 |
100 180–200–230 |
| ЭМО | 97 21–240–2140 |
82 11–60–160 |
100 12–55–225 |
100 23–61–180 |
100 30–55–79 |
| ОА | 100 8–70–200 |
55 4–7–12 |
56 4–8–19 |
88 4–6–8 |
60 6–7–10 |
| ЦИТ | 83 13–160–710 |
48 19–110–325 |
11 67 |
12 33 |
20 93 |
| МФК | 80 14–86–830 |
24 16–30–52 |
22 19–23–26 |
– | – |
| PR | 78 190–835–3390 |
15 225–410–590 |
22 195–240–290 |
18 125–150–190 |
– |
Примечание. Верхние строчки – встречаемость, %; нижние – содержание микотоксина, мкг/кг, минимальное–среднее–максимальное; “–” – отсутствие микотоксина; n – число исследованных образцов; для табл. 1–4.
Среди трав рода Lathyrus отдельные виды широко известны как кормовые растения с высоким содержанием белка. Чину луговую принято считать особенно перспективной для скармливания травоядным животным, так как она представлена обширной сырьевой базой. Действительно, она произрастает практически повсеместно на территории России, за исключением районов Крайнего Севера, высокогорных областей и Дальнего Востока. Однако по микотоксикологическому статусу вряд ли целесообразно рассматривать расширение масштабов ее использования на корм. С этой точки зрения более перспективна чина болотная, которая в местах повышенного увлажнения может давать устойчивые урожаи травостоя и охотно поедается крупным рогатым скотом, а в виде сена – и лошадьми.
Представители рода Vicia (табл. 2) уступали чине луговой по насыщенности микотоксинами, но при этом ЭА, АОЛ и ЦПК присутствовали в образцах регулярно с частотой 83–100%. Горошек мышиный и горошек заборный в целом были сходны по характеру контаминации микотоксинами, однако их встречаемость у горошка заборного была выше. Наибольшие различия наблюдались для ФУМ (от 3 до 17%), ОА (от 32 до 70%) и МФК (от 28 до 51%). Расхождения по уровням накопления касались немногих случаев, таких, например, как большее содержание СТЕ и неожиданно высокие максимальные концентрации ЭА и АОЛ (до 600 и 1520 мкг/кг соответственно) у горошка мышиного. Отличия горошка лесного от первых двух видов – отсутствие ДОН и ОА, пониженное содержание Т-2 и большее накопление ДАС, а сходство с горошком заборным касалось только встречаемости ФУМ.
Таблица 2.
Встречаемость и содержание микотоксинов в наземных частях отдельных видов растений рода Vicia
| Микотоксин | V. cracca L. горошек мышиный (n = 142) |
V. sepium L. горошек заборный (n = 115) |
V. sylvatica L. горошек лесной (n = 13) |
|---|---|---|---|
| Т-2 | 31 3–11–79 |
39 2–17–450 |
15 3 |
| ДАС | 11 79–385–960 |
20 160–340–850 |
23 245–680–1040 |
| ДОН | 10 87–175–315 |
27 78–145–375 |
– |
| ЗЕН | 14 25–44–100 |
23 21–43–78 |
23 31–34–38 |
| ФУМ | 3 83–105–130 |
17 76–200–420 |
23 145–190–210 |
| ЭА | 83 2–18–600 |
91 2–11–50 |
100 2–9–21 |
| АОЛ | 90 12–76–1520 |
99 14–100–860 |
92 19–64–155 |
| РОА | 16 4–21–105 |
21 4–21–76 |
31 14–60–105 |
| АВ1 | 13 2–5–12 |
24 2–5–19 |
31 2–5–6 |
| СТЕ | 41 10–120–1320 |
46 9–49–380 |
31 18–44–71 |
| ЦПК | 97 63–355–2040 |
100 77–400–1580 |
100 120–225–400 |
| ЭМО | 75 12–39–250 |
82 10–54–775 |
62 52–64–76 |
| ОА | 32 4–8–24 |
70 3–8–28 |
– |
| ЦИТ | 28 25–59–165 |
36 16–92–315 |
31 27–35–43 |
| МФК | 28 11–47–280 |
51 13–32–82 |
31 12–21–27 |
| PR | 16 30–345–655 |
23 31–350–685 |
16 165–385–675 |
Следует отметить тот факт, что чина луговая и горошки мышиный и заборный, произрастающие на лугах совместно, часто образуя плотные загущенные куртины, сохраняют свойственный каждому виду профиль микотоксинов как по компонентному составу, так и по уровням накопления. Это наблюдение также свидетельствует о том, что каждый вид растительного организма по-своему реализует собственные ресурсы в установлении отношений с другими участниками биоценозов. Ранее мы отмечали столь же независимое формирование метаболического статуса у лишайников, произрастающих в непосредственной близости, часто с наложением слоевищ, – Arctoparmelia centrifuga и Melanelia hepatizon (Буркин, Кононенко, 2014), а также Nephroma arctica и Peltigera aphthosa (Буркин, Кононенко, 2015).
С учетом важного фармакогностического значения бобовых трав и их давнего традиционного использования в народной медицине были подробно исследованы содержание физиологически активных веществ, их распределение по растению и накопление при смене фаз развития (Бондарь, 2003). Так, у чины луговой – богатого источника биофлавоноидов (Veitch, 2007) – максимальное их накопление приходилось на начало плодоношения, содержание ононина было наибольшим в фазе вегетации, рутина и формононетина – при цветении, а содержание глюкозида лютеолина и кверцетина не изменялось (Бондарь, 2003).
Мы имели возможность сравнить накопление микотоксинов в процессе вегетации в двух видах растений (табл. 3, 4). У чины луговой в самом начале роста 75–90% образцов вообще не содержали фузариотоксинов. Затем встречаемость Т-2, ДАС, ДОН, ЗЕН, ФУМ возрастала в несколько раз, при этом сохранялось 100%-ное присутствие ЭА, ЦПК, ЭМО и АОЛ, а также ОА. У всех микотоксинов максимум встречаемости и наибольшие уровни контаминации наблюдались в июле–сентябре.
Таблица 3.
Встречаемость и содержание микотоксинов в наземных частях чины луговой Lathyrus pratensis L., собранных в разные сроки вегетации
| Микотоксин | Май (n = 20) |
Июнь (n = 44) |
Июль (n = 42) |
Август–сентябрь (n = 26) |
|---|---|---|---|---|
| Т-2 | 10 3 |
75 2–7–32 |
98 2–13–49 |
96 2–20–125 |
| ДАС | 25 100–305–615 |
77 160–670–3020 |
98 170–1520–6310 |
100 290–1040–3160 |
| ДОН | 15 76–110–155 |
54 115–290–1050 |
93 130–530–2060 |
88 81–240–645 |
| ЗЕН | 20 33–51–78 |
75 28–60–200 |
100 25–84–355 |
100 24–50–135 |
| ФУМ | 20 150–245–390 |
41 95–200–470 |
86 79–310–775 |
54 52–125–260 |
| ЭА | 90 2–7–16 |
95 2–12–100 |
100 5–74–575 |
100 6–94–795 |
| АОЛ | 100 28–105–420 |
100 62–315–1660 |
100 130–1280–10000 |
100 330–1840–6310 |
| РОА | 20 15–33–60 |
59 4–65–675 |
66 2–88–660 |
77 3–15–37 |
| АВ1 | 45 2–6–16 |
89 2–10–63 |
98 2–19–89 |
100 4–11–28 |
| СТЕ | 70 13–28–65 |
86 15–54–200 |
100 17–105–645 |
100 37–145–1000 |
| ЦПК | 100 120–225–385 |
93 95–505–2140 |
100 115–1310–4170 |
100 150–1000–5130 |
| ЭМО | 80 21–48–160 |
100 27–105–500 |
100 60–330–2140 |
100 78–420–2000 |
| ОА | 100 8–17–40 |
100 12–47–130 |
100 9–115–200 |
100 32–82–185 |
| ЦИТ | 50 13–36–80 |
77 32–115–495 |
95 26–245–710 |
100 33–135–675 |
| МФК | 40 15–19–24 |
75 14–53–265 |
98 19–145–830 |
92 16–55–160 |
| PR | 15 195–245–315 |
75 190–525–1590 |
78 280–1240–3390 |
100 315–665–1590 |
Таблица 4.
Встречаемость и содержание микотоксинов в наземных частях горошка мышиного Vicia cracca L., собранных в разные сроки вегетации
| Мико-токсин | Май (n = 31) |
Июнь (n = 46) |
Июль (n = 32) |
Август–сентябрь (n = 33) |
|---|---|---|---|---|
| Т-2 | 6 3 |
20 3–12–62 |
53 3–8–31 |
48 3–14–79 |
| ДАС | 3 195 |
4 160 |
31 165–500–960 |
9 195–215–250 |
| ДОН | 3 87 |
6 105–125–135 |
25 110–205–315 |
6 180 |
| ЗЕН | 3 26 |
20 25–31–38 |
19 33–69–100 |
12 28–38–56 |
| ФУМ | – | – | 12 83–105–130 |
– |
| ЭА | 97 2–10–89 |
83 2–12–52 |
72 2–12–44 |
82 2–41–600 |
| АОЛ | 71 13–56–390 |
91 12–45–150 |
97 19–84–370 |
100 18–125–1520 |
| РОА | 3 6 |
17 4–10–18 |
25 12–41–105 |
15 8–10–13 |
| АВ1 | 3 8 |
17 2–3–4 |
19 4–8–12 |
9 2 |
| СТЕ | 29 10–73–500 |
43 12–19–32 |
44 15–28–62 |
45 13–370–1320 |
| ЦПК | 94 95–215–480 |
96 100–405–1700 |
100 63–450–1580 |
97 110–320–2040 |
| ЭМО | 48 16–38–74 |
85 12–30–50 |
75 16–52–250 |
88 18–42–81 |
| ОА | 10 6–7–8 |
15 6–7–8 |
38 6–9–15 |
70 4–8–24 |
| ЦИТ | 13 32–49–62 |
37 25–56–105 |
44 30–67–165 |
12 33–55–79 |
| МФК | 10 19–20–21 |
35 11–21–40 |
44 22–94–280 |
18 13–22–40 |
| PR | – | 9 230–400–500 |
41 160–390–655 |
15 30–195–415 |
При ранних сборах 90–100% образцов горошка мышиного не содержали фузариотоксинов, а также АВ1, ОА, ЦИТ, МФК, PR и РОА, но ЭА и ЦПК обнаруживали с частотой 94–97%. В более поздние сроки встречаемость всех микотоксинов возрастала, но их содержание при этом изменялось незначительно и оставалось весьма умеренным. Как и у чины луговой (табл. 3), наблюдалась стабилизация содержания большинства определяемых микотоксинов в июле–сентябре и отмечались наибольшая встречаемость и уровень накопления.
Таким образом, при весеннем отрастании для этих видов растений характерна пониженная степень контаминации фузариотоксинами по сравнению с последующими сборами. По единообразию такой тенденции можно предположить, что именно в этот период происходит формирование равновесных отношений растений с грибами Fusarium, в том числе и с токсигенными видами. Разный характер изменчивости содержания остальных микотоксинов в ходе естественного развития растений (усиление накопления или, напротив, его снижение), безусловно, отражает глубинную биохимическую перестройку, происходящую в организме и имеющую как общие, так и специфические черты. С этой точки зрения изучение динамики содержания микотоксинов у растений остается многообещающим и увлекательным направлением научных исследований. При этом особое внимание должно уделяться многолетним растениям, жизненные циклы которых имеют возрастные особенности. Так, при наблюдениях за ростом и развитием чины луговой в Московской обл. (Солнечногорский р-н) было обнаружено, что в первый год вегетация у нее заканчивалась в фазе стеблевания и только во второй и последующие годы это растение проходило все фазы развития (Бондарь, 2003). У горошков при дифференциации 4 возрастных периодов и 11 возрастных состояний (Бойков, 2006) оказалось, что до имматурной фазы их развитие происходит по одной схеме, однако на этом сходство заканчивается. Горошек мышиный и горошек заборный, относящиеся к раннецветущим видам, зацветали уже на 3–4-й год жизни, тогда как горошек лесной имел гораздо более длительный виргинильный период и зацветал только на 7-й год. Можно надеяться, что анализ микотоксинов у растений, детерминированных по фазам онтогенетического развития, позволит получить новые сведения о механизмах установления метаболического равновесия в сложных и переменчивых по составу природных ценопопуляциях.
Такие исследования имеют и важное прикладное значение, поскольку хорошо поедаемые растения из дикой флоры – перспективный ресурс для возделывания на кормовые цели. Расширение полевых культур за счет внедрения дикорастущих видов, особенно тех, что отличаются ранним отрастанием и устойчивостью к накоплению микотоксинов, может восполнить дефицит кормов, остро ощущаемый ранней весной и поздней осенью.
Список литературы
Бойков А.А. Ботанико-фармакогностическое и товароведческое изучение трех видов горошка рода Vicia L. (V. cracca L., V. sepium L., V. sylvatica L.) в онтогенезе, произрастающих на территории Московской области: Автореф. дис. канд. фармацевт. наук. М.: Моск. мед. академия им. И.Н. Сеченова, 2006. 25 с.
Бондарь А.А. Ботанико-фармакогностическое изучение чины луговой (Lathyrus pratensis L.): Автореф. дис. канд. фармацевт. наук. М.: Моск. мед. академия им. И.Н. Сеченова, 2003. 20 с.
Буркин А.А., Кононенко Г.П. Особенности накопления микотоксинов в лишайниках // Прикл. биохимия и микробиология. 2013. Т. 49. № 5. С. 522–530.
Буркин А.А., Кононенко Г.П. Метаболиты токсигенных грибов в лишайниках родов Parmelia, Melanohalea, Arctoparmelia, Melanelia и Hypogymnia // Микология и фитопатология. 2014. Т. 48. Вып. 1. С. 43–48.
Буркин А.А., Кононенко Г.П. Метаболиты токсигенных грибов в лишайниках родов Nephroma, Peltigera, Umbilicaria и Xanthoria // Изв. РАН. Сер. биол. 2015. № 6. С. 573–580.
Буркин А.А., Кононенко Г.П. Вторичные метаболиты микромицетов в растениях семейства Fabaceae родов Galega, Glycyrrhiza, Lupinus, Medicago, Melilotus // Изв. РАН. Сер. биол. 2018. № 3. С. 267–274.
Губанов И.А., Киселева К.В., Новиков В.С., Тихомиров В.Н. Иллюстрированный определитель растений Средней России. Т. 2. М.: КМК, Ин-т технол. исследований, 2003. 665 с.
Егорова В.Н. Биологические особенности чины луговой и мышиного горошка в естественных травостоях пойменных лугов: Автореф. дис. канд. биол. наук. М.: Моск. гос. пед. ин-т им. В.И. Ленина,1965. 21 с.
Кононенко Г.П., Буркин А.А. Вторичные метаболиты микромицетов в растениях семейства Fabaceae рода Trifolium // Изв. РАН. Сер. биол. 2018. № 2. С. 150–157.
Скворцов В.Э. Иллюстрированное руководство для ботанических практик и экскурсий в Средней России. М.: КМК, 2004. 506 с.
Chang W.H., Tsukiboshi T., Ono Y., Kakishima M. Phylogenetic analyses of Uromyces victae-fabae and its varieties on Vicia, Lathyrus, and Pisum in Japan // Mycoscience. 2004. V. 45(1). P. 1–8.
Kobes M., Voženilková B., Šlachta M., Frelich J. The occurrence of Erysiphe trifolii on Lathyrus pratensis in a foothill area of South Bohemia // J. Agrobiol. 2011. V. 28(1). P. 25–31.
Kononenko G.P., Burkin A.A., Gavrilova O.P., Gagkaeva T.Yu. Fungal species and multiple mycotoxin contamination of cultivated grasses and legumes crops // Agricult. Food Sci. 2015. V. 24. P. 323–330.
Saleh M.M., Glombitza K.W. Antifungal stress compounds from Vicia cracca // Phytochemistry. 1997. V. 45(4). P. 701–703.
Veitch N.C. Isoflavonoids of the Leguminosae // Nat. Prod. Rep. 2007. V. 24(2). P. 417–464.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Известия РАН. Серия биологическая
Пн.-пт.: 10.00-19.00