Из каких веществ состоят растения: Химический состав растений — урок. Биология, 6 класс.

Урок 12. Состав семян

 

Методическое пособие разработки уроков биологии 6класс

Тип урока — комбинированный

Методы: частично-поисковый, про­блемного изложения, репродуктивный, объясни­тельно-иллюстративный.

Цель:

— осознание учащимися значимости всех обсуждаемых вопросов, умение строить свои отношения с природой и обществом на основе уважения к жизни, ко всему живому как уникальной и бесценной части биосферы;

Задачи:

Образовательные: показать множественность факторов, действующих на организмы в природе, относительность понятия «вредные и полезные факторы», многообразие жизни на планете Земля и варианты адаптаций живых существ ко всему спектру условий среды обитания.

Развивающие: развивать коммуникативные навыки, умения самостоятельно добывать знания и стимулировать свою познавательную активность; умения анализировать информацию, выделять главное в изучаемом материале.

Воспитательные: 

Формирование экологической культуры на основе признания ценности жизни во всех её проявлениях и необ­ходимости ответственного, бережного отношения к окру­жающей среде.

Формирование понимания ценности здорового и без­опасного образа жизни

УУД

Личностные:

воспитание российской гражданской идентичности: патриотизма, любви и уважения к Отечеству, чувства гордости за свою Родину;

Формирование ответственного отношения к учению;

    3) Формирование целостного мировоззрения, соответ­ствующего современному уровню развития науки и обще­ственной практики.

    Познавательные: умение работать с различными источниками информации, пре­образовывать её из одной формы в другую, сравнивать и анализировать информацию, делать выводы, готовить сообщения и презентации.

    Регулятивные: умение организовать самостоятельно выполнение заданий, оценивать правильность выполнения работы, рефлексию своей деятельности.

    Коммуникативные: Формирование коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками, старшими и младшими в процессе образовательной, общественно полезной, учебно-исследовательской, творческой и дру­гих видов деятельности.

    Планируемые результаты

    Предметные: знать — понятия «среда обитания», «экология», «экологические факторы» их влияние на живые организмы, «связи живого и неживого»;. Уметь — определять понятие «биотические факторы»; характеризовать биотические факторы, приводить примеры.

    Личностные: высказывать суждения, осуществлять поиск и отбор информации; анализировать связи, сопоставлять, находить ответ на проблемный вопрос

    Метапредметные:.

    Умение самостоятельно планировать пути достиже­ния целей, в том числе альтернативные, осознанно выби­рать наиболее эффективные способы решения учебных и познавательных задач.

    Формирование навыка смыслового чтения.

      Форма организации учебной деятельности – индивидуальная, групповая

      Методы обучения: наглядно-иллюстративный, объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый, самостоятельная работа с дополнительной литературой и учебником, с ЦОР.

      Приемы: анализ, синтез, умозаключение, перевод информации с одного вида в другой, обобщение.

      Цели урока: изучить химический состав семян различных ра­стений; дать представление о необходимости минеральных и ор­ганических веществ для формирования и роста растения.

      Оборудование и материалы: семена подсолнечника, зерновки пшеницы (сухие, но живые), комочки теста, раствор йода, два листа белой бумаги, пробирка с держателем, спиртовка.

      Ключевые понятия: состав семян, растительный белок (клей­ковина), растительные жиры, крахмал.

      Ход урока

      Актуализация знаний

        Ответьте на вопросы.

          Какие условия необходимы большинству семян для про­растания?

          Опишите опыт, доказывающий необходимость воды для прорастания семян.

          Опишите опыт, доказывающий необходимость воздуха для прорастания семян.

          Опишите опыт, доказывающий необходимость определен­ной температуры для прорастания семян.

          Все ли семена прорастают при одних и тех же температурах?

          На какую глубину необходимо высаживать семена различ­ных растений? От чего это зависит?

          Какие два типа прорастания семян вы знаете?

          В чем особенность того и другого типа прорастания семян?

            Изучение нового материала

              Рассказ учителя с элементами беседы

                На этом уроке вы узнаете, какие вещества входят в состав семян.

                Вспомните, какие вещества входят в состав растительных клеток. (Органические и минеральные.)

                Какие вещества относятся к органическим?

                А какие вещества относятся к минеральным?

                Вспомните, какой процент воды может содержаться в ра­стительных клетках.

                  Давайте посмотрим, какие вещества входят в состав семян. Для начала выясним, содержится ли в них вода, ведь на вид семя совершенно сухое.

                  Опыты

                    ОПЫТ, ДОКАЗЫВАЮЩИЙ НАЛИЧИЕ ВОДЫ В ЖИВЫХ СЕМЕНАХ, НАХОДЯЩИХСЯ В СОСТОЯНИИ ПОКОЯ

                    Оборудование: сухие, но живые зерновки пшеницы, пробирка с держателем, спиртовка.

                    Ход опыта

                    Положим на дно пробирки небольшое количество семян.

                    Нагреем пробирку над огнем, держа горизонтально, так, чтобы верхняя ее часть оставалась холодной.

                      Итог. На внутренних стенках холодной части пробирки появились капли воды. Это жидкость, выделившаяся из семян и сконденсированная на холодных стенках пробирки.

                      Вывод. В сухих живых зерновках пшеницы содержится неболь­шое количество воды.

                      Но воды в семенах содержится намного меньше (не более 10—15%), чем в других частях растения, соответственно, большую массу семени составляют сухие вещества.

                      Какие это вещества? (Ответы учащихся.)

                        Это органические и минеральные вещества.

                        А как можно выяснить, сколько органических веществ со­держится в семенах? (Ответы учащихся.)

                          Предлагаю провести опыт, который мы уже однажды проделы­вали, когда говорили о химическом составе растительных клеток. (Можно повторить опыт, выявляющий количество минеральных веществ в семенах, описанный в уроке 10. ) В итоге мы выясним, что минеральных веществ в зерновке пшеницы немного — около 1,5—5%, а основную часть семени составляют органические вещества.

                          Какие органические вещества вы знаете? (Ответы учащихся.)

                            Давайте исследуем состав органических веществ семени

                            на примере пшеничной муки.

                            Из чего делают пшеничную муку? (Ответы учащихся.)

                              Муку делают из перемолотых зерновок пшеницы.

                              ОПЫТ, ДОКАЗЫВАЮЩИЙ НАЛИЧИЕ БЕЛКА И КРАХМАЛА В ПШЕНИЧНОЙ МУКЕ

                              Оборудование: пшеничная мука, стакан с водой, водный рас­твор йода.

                              Ход опыта

                              В столовую ложку пшеничной муки добавим немного воды и сделаем тесто.

                              Пробуем тесто на вкус и убеждаемся, что оно пресное (не­сладкое). Это говорит о том, что в нем не содержится сахара.

                              Положим кусочек теста в марлю и тщательно промоем его в воде.

                              Вода в стакане стала мутной, а в марле остался небольшой желтоватый клейкий комочек. Это клейковина — растительный белок.

                              На комочек клейковины капнем каплю водного раствора йода. Цвет клейковины практически не изменился. Это свиде­тельствует о том, что крахмал там почти отсутствует.

                              В стакан с мутной водой капнем каплю водного раствора йода. Вода в стакане окрасилась в фиолетовый цвет. Это доказы­вает, что в стакане растворен крахмал.

                                Вывод. В пшеничной муке содержатся растительный белок — клейковина и крахмал.

                                Мы выяснили, что зерновки пшеницы богаты крахмалом, а также содержат белок. Жира семена пшеницы содержат очень мало, около 2%. В среднем в зерновках пшеницы содержится до 70% крахмала.

                                Семена каких растений также богаты крахмалом? (Ответы учащихся.)

                                  Наибольшее количество крахмала содержат рис, кукуруза, рожь.

                                  Вспомните, семена каких растений богаты белками.

                                    Действительно, семена бобовых, например гороха, сои, че­чевицы, фасоли.

                                    А семена каких растений богаты жирами?

                                      Наиболее богаты жирами семена подсолнечника, льна, кле­щевины, горчицы.

                                      Как называются растения, из семян которых получают масло?

                                        Эти растения называются масличными культурами (содержа­ние жира в некоторых может достигать 50—55%). Давайте прове­рим, содержится ли жир в семенах подсолнечника.

                                        ОПЫТ, ДОКАЗЫВАЮЩИЙ НАЛИЧИЕ ЖИРОВ В СЕМЕНАХ ПОДСОЛНЕЧНИКА

                                        Оборудование: семена подсолнечника, два листа белой бумаги.

                                        Ход опыта

                                        Возьмем семечко подсолнечника, очистим его от семенной кожуры.

                                        Положим его между двумя листами белой бумаги и немного прижмем.

                                          Итог. На белой бумаге четко видно жирное пятно.

                                          Вывод. Семена подсолнечника содержат достаточно большое количество жиров.

                                          Наличие запасных питательных веществ является важнейшим условием прорастания семян, так как они обеспечивают первона­чальное питание зародыша, пока у него не образуется достаточ­но мощная корневая система для самостоятельного поглощения нужных элементов из почвы. Чем меньше питательных веществ содержится в семядолях или эндосперме, тем более слабым и хи­лым будет проросток. Это очень легко доказать на опыте.

                                          ОПЫТ, ДОКАЗЫВАЮЩИЙ НЕОБХОДИМОСТЬ НАЛИЧИЯ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ, СОДЕРЖАЩИХСЯ В СЕМЯДОЛЯХ ИЛИ ЭНДОСПЕРМЕ, ДЛЯ ПОЛНОЦЕННОГО РАЗВИТИЯ ПРОРОСТКА

                                          Оборудование: 12 пророщенных семян фасоли, ящичек для рассады с землей, таблички для рассады, острый нож.

                                          Общие рекомендации. На уроке можно продемонстрировать результат опыта, а его условия объяснить устно или попросить кого-либо из учеников (по желанию) провести опыт дома или в кабинете биологии самостоятельно, а на уроке показать резуль­тат работы и сделать вывод.

                                          Ход опыта

                                          Возьмем пророщенные семена фасоли. У трех из них ост­рым ножом аккуратно удалим полностью две семядоли. У трех семян удалим по одной семядоле, у трех семян — полторы семядо­ли (оставим только половину одной из семядолей), а три семени оставим целыми.

                                          Посадим семена в ящик для рассады и пометим табличка­ми, чтобы не перепутать. Поставим ящик в теплое место и будем ежедневно поливать.

                                          Через 7—10 дней оценим результат.

                                            Итог. Проростки семян с целыми семядолями оказались бо­лее мощными, чем семян с поврежденными семядолями. Про­ростки семян с полностью отрезанными семядолями оказались очень слабыми или же совсем погибли.

                                            Вывод. Питательные вещества, содержащиеся в семядолях фа­соли, необходимы проростку для полноценного развития.

                                            Благодаря питательным веществам, содержащимся в эндоспер­ме или семядолях, происходит активное деление клеток зародыша.

                                            Какая ткань при этом задействована? (Ответы учащихся.) Чем больше эндосперм или же семядоли, тем больше пита­тельных веществ в них содержится. Поэтому для посадки всегда стараются выбирать крупные семена, так как они дадут сильные проростки, а впоследствии обильный урожай.

                                               

                                              Закрепление знаний и умений

                                                Ответьте на вопросы.

                                                  Из каких веществ состоят семена большинства растений?

                                                  Какой процент воды содержится в семенах растений?

                                                  В чем отличие состава семян от состава других органов ра­стения?

                                                  Каких веществ больше всего в составе семян растений?

                                                  Опишите опыт, выявляющий количество минеральных ве­ществ в составе семян.

                                                  Все ли семена имеют одинаковый состав?

                                                  В семенах каких растений содержится большое количество крахмала?

                                                  В семенах каких растений содержится большое количество белка?

                                                  В семенах каких растений содержится большое количество жиров?

                                                  Какие культуры называют масличными?

                                                  Почему для посадки необходимо выбирать более крупные семена?

                                                  Что будет с семенами фасоли, у которых перед посадкой удалили одну семядолю?

                                                    Творческое задание. Придумать по теме «Семя» рассказ с био­логическими ошибками.

                                                    Задание для учеников, интересующихся биологией. Провести опыт, доказывающий необходимость наличия питательных ве­ществ, содержащихся в эндосперме, для полноценного развития проростка. Опыт проводится аналогично опыту с семенами фасоли.

                                                    Состав и условия прорастания семян

                                                     

                                                     

                                                     

                                                     

                                                     

                                                    В каждом семени есть все питательные вещества

                                                     

                                                     

                                                     

                                                     

                                                    Ресурсы:

                                                    И.Н. Пономарёва, О.А. Корнило­ва, В.С. Кучменко Биология : 6 класс : учебник для учащихся общеобразо­вательных учреждений

                                                    Серебрякова Т. И., Еленевский А. Г., Гуленкова М. А. и др. Биология. Растения, Бактерии, Грибы, Лишайники. Пробный учебник 6—7 классов средней школы

                                                    Н.В. Преображенская Рабочая тетрадь по биологии к учебнику В В. Пасечника «Биология 6 класс. Бактерии, грибы, растения»

                                                    В.В. Пасечника. Пособие для учителей общеобразовательных учреждений Уроки биологии. 5—6 классы

                                                    Калинина А.А. Поурочные разработки по биологии 6класс

                                                    Вахрушев А.А., Родыгина О.А., Ловягин С.Н. Проверочные и контрольные работы к

                                                    учебник «Биология», 6-й класс

                                                    Биоуроки http://biouroki.ru/material/lab/2.html

                                                    Сайт YouTube: https://www.youtube.com /

                                                    Хостинг презентаций

                                                    — http://ppt4web.ru/nachalnaja-shkola/prezentacija-k-uroku-okruzhajushhego-mira-vo-klasse-chto-takoe-ehkonomika.html


                                                    Опубликовано в группе «Учебный фильм — окружающий мир, естествознание, краеведение»

                                                    Управление Россельхознадзора по Республике Татарстан

                                                    14 сентября 2018 г., пятница

                                                    Почва – не просто среда размещения корней растений и резервуар элементов питания. В ней постоянно протекают физико-химические и биологические процессы превращения (мобилизации) питательных элементов.

                                                    Почва состоит из твердой, жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух) частей. В твердой части почвы содержатся основные запасы питательных элементов. Она состоит из минеральной (90–99 % массы) и органической частей (1–10 %). Минеральная часть почвы в свою очередь на 90 % состоит из трех элементов: кислорода, кремния и алюминия. Углерод, водород, кислород, фосфор и сера содержатся в почве как в минеральной, так и органической части. Азот почти целиком содержится в органической части, калий – только в минеральной части почвы.

                                                    По происхождению минералы делятся на первичные и вторичные. Первичные минералы – кварц, полевые шпаты, слюды – входят в материнские почвообразующиеся породы и присутствуют в виде частиц песка, пыли и меньше в виде илистых и коллоидных частиц. При разрушении минералов под влиянием химических процессов и жизнедеятельности различных организмов образуются гидраты полуторных оксидов, гидраты кремнезема, различные соли и вторичные минералы. Вторичные минералы находятся в почве преимущественно в виде илистых и коллоидных частиц и редко в виде пылеватых частиц.

                                                    Органические вещества твердой части почвы подразделяются на две большие группы: негумифицированные и гумифицированные вещества. Негумифицированные (подвижные) органические вещества – это отмершие, но еще не разложившиеся или полуразложившиеся остатки растений (корни) и микробов (животных). Негумифицированные органические вещества сравнительно легко разлагаются в почве. Содержащиеся в них элементы питания (азот, фосфор, сера и др.) переходят в доступную для растений минеральную форму. Органические вещества не полностью минерализуются. Одновременно в почве идет синтез новых очень сложных органических веществ, которые служат источником для образования гумусовых, или перегнойных, веществ.

                                                    Гумифицированные (перегнойные) органические вещества – это высокомолекулярные азотсодержащие соединения специфической природы. Они составляют основную часть (90 %) органического вещества почвы. Гумус представляет собой аккумулятор солнечной энергии на планете.

                                                    Гумус состоит из гуминовых кислот, фульвокислот, гиматомелановых кислот и гуминов.

                                                    Жидкая часть почвы, или почвенный раствор – это наиболее подвижная, изменчивая и активная часть почвы, из которой растения поглощают ионы. В почвенном растворе содержатся минеральные, органические и органоминеральные вещества, совершаются важные химические процессы. На состав и концентрацию почвенного раствора воздействуют: удобренность почвы, влажность, интенсивность деятельности микроорганизмов, минерализация органического вещества, вымывания в нижележащие слои, усвоение ионов растениями и т. д.

                                                    Газообразная часть почвы, или почвенный воздух, отличается от атмосферного воздуха большим содержанием углекислого газа – от 0,1 до 3 % против 0,03 % в атмосфере и пониженным содержанием кислорода. В почве при разложении органического вещества, дыхании корней постоянно потребляется кислород и выделяется углекислый газ. На состав почвенного воздуха сильное влияние оказывают характер растительности, атмосферное давление, колебания температуры.

                                                     

                                                    Поделиться:

                                                    ЧИТАТЬ ВСЕ НОВОСТИ

                                                    Мастера-химики нашей планеты · Границы для юных умов

                                                    Реферат

                                                    Представьте, что ваши ноги зарылись в землю, и вы не можете ни двигаться, ни говорить. Что бы вы сделали, чтобы есть, расти и защищать себя? Эта ситуация встречается чаще, чем вы думаете: это часть повседневной жизни растений. Растения разработали множество стратегий не только для выживания, но и для взаимодействия с другими растениями, животными и микроорганизмами вокруг них. Некоторые из этих стратегий включают использование химических соединений, которые работают как сообщения от растения к его окружению. Ученые разработали творческие методы для оценки того, что и сколько химического вещества находится внутри растения. Если мы сможем идентифицировать большое разнообразие растительных соединений, в будущем мы сможем лучше понять, как растения растут и взаимодействуют с окружающей средой. Кроме того, мы можем использовать эти соединения для изготовления лекарств и выращивания более здоровых и вкусных овощей.

                                                    Растения производят химические вещества для роста и взаимодействия с окружающей средой

                                                    Растения сидячие, что означает, что они не могут двигаться и навсегда ограничены местом, где они прорастают. По мере роста растения должны приспосабливаться к среде, которая постоянно меняется (иногда слишком сухая, иногда слишком влажная). Подумайте о смене времен года или о различных погодных условиях в течение дня и ночи. Как будто этого недостаточно, у растений также должны быть стратегии взаимодействия со своими соседями, привлечения животных, которые помогают им перемещать семена или пыльцу из одного места в другое, и защиты от животных, которые хотят их съесть. Одна из стратегий, которую используют растения для выполнения всего этого, заключается в производстве большого количества химических веществ, известных как 9.0009 метаболиты . Метаболиты растений — это небольшие химические соединения, которые помогают растениям расти и взаимодействовать с другими организмами.

                                                    Подсчитано, что все растения вместе взятые производят от 100 000 до 1 миллиона метаболитов [1]. Для их изучения ученые разделили метаболиты на две группы: первичные и специализированные метаболиты. Первичные метаболиты присутствуют во всех растениях и помогают растениям расти, развиваться и размножаться. Одной из наиболее известных групп первичных метаболитов являются углеводы, которые обеспечивают растения энергией для роста. Специализированные метаболиты уникальны для разных растений и помогают растениям взаимодействовать с другими организмами. Мы сосредоточимся на специализированных метаболитах в оставшейся части этой статьи.

                                                    Вы когда-нибудь задумывались, как растение может защитить себя? Растения и травоядные (поедающие растения) насекомые жили вместе миллионы лет, и за это долгое время растения выработали токсичные защитные соединения. Например, когда насекомое начинает есть листья капусты, в растении увеличивается количество токсичных специализированных метаболитов, называемых глюкозинолатами , которые затем превращаются в еще более токсичные соединения [2]. Эти соединения делают листья капусты очень неприятными на вкус, что отпугивает насекомых от их поедания (рис. 1А). Глюкозинолаты нам хорошо знакомы, так как они придают брокколи и редису их характерный вкус. В то же время насекомые научились переносить эти токсичные соединения, что позволяет им продолжать есть эти «ядовитые» растения. Эта непрерывная битва между растениями и насекомыми привела к появлению новых специализированных метаболитов.

                                                    • Рисунок 1. Понимание того, как и почему растения производят специализированные метаболиты, может помочь нам в разработке новых лекарств и сельскохозяйственных ресурсов.
                                                    • (A) Растения используют специальные метаболиты, чтобы держать врагов (травоядных) подальше, а друзей (опылителей) поблизости. (B) Люди научились использовать специализированные растительные метаболиты для собственной пользы в лекарствах, косметике и продуктах питания. (C) Иногда специализированные метаболиты оказывают неожиданное воздействие, например непеталактон в кошачьей мяте на кошек.

                                                    В других случаях растениям необходимо привлекать животных для опыления их цветков, чтобы они могли производить семена для обеспечения своего размножения (рис. 1А). Опылители необходимы не только для воспроизводства растений, но и для человека, поскольку успешное производство 75% продовольственных культур в мире зависит от опылителей [3]. Одна из стратегий, которую растения используют для привлечения опылителей, заключается в производстве сладкой жидкости, называемой нектаром. Пчелы и другие насекомые посещают растения, чтобы пить нектар, и при этом пыльца прикрепляется к их телам. Когда то же самое насекомое посещает другие цветы, пыльца с предыдущих растений попадает в новый цветок, обеспечивая будущее производство семян. Таким образом, растения используют прилетевших насекомых себе во благо. Интересный факт: ученые установили, что нектар содержит не только сахар, но и небольшое количество кофеина [4]. В больших количествах кофеин горький и работает как защитное соединение для растений. Однако в небольших количествах он действует как усилитель памяти, побуждая насекомых не забывать возвращаться за дополнительным нектаром и дополнительно обеспечивая процесс опыления растения.

                                                    Люди (и другие животные) используют химические вещества, производимые растениями

                                                    Люди и другие животные научились использовать химические вещества, производимые растениями, для собственной выгоды. С древних времен люди использовали растительные метаболиты в качестве лекарств, натуральных красителей и ингредиентов в продуктах питания и косметике, а также во многих других целях (рис. 1В).

                                                    Одним из старейших растительных экстрактов является опиум, смесь химических соединений, извлеченных из растения Papaver somniferum , широко известного как мак, которое использовалось в качестве противоядия от укусов змей и пауков, а также укусов скорпионов. Сегодня морфин, одно из многих химических веществ, содержащихся в опиуме, назначают для облегчения боли. Сапонины — еще один хорошо известный пример растительных соединений, используемых человеком. Сапонины присутствуют во множестве различных растений и деревьев, где они действуют как неприятные соединения, которые удерживают насекомых от поедания листьев растений (рис. 1А) [5]. Кроме того, коренные жители со всего мира обычно используют богатые сапонинами растительные экстракты в качестве натурального мыла.

                                                    Метаболиты растений также могут влиять на поведение других животных. Кошачья мята ( Nepeta cataria ) производит соединение, известное как 9.0009 непеталактон . Когда кошки нюхают это растение, они становятся очень игривыми и расслабленными (рис. 1С). Непеталактон обычно ассоциируется с защитой растений; однако ученые еще не полностью понимают его роль. Будущие исследования того, как растения производят непеталактон, могут помочь ученым разработать новые лекарства с седативными и расслабляющими свойствами или новые биоинсектициды для сельского хозяйства.

                                                    Мы все еще далеки от идентификации всех растительных метаболитов и еще дальше от понимания того, как растения их производят. Однако в последние десятилетия технологические разработки позволили ученым обнаружить больше растительных метаболитов. В следующем разделе мы рассмотрим, как ученые выделяют и идентифицируют эти вещества.

                                                    Как ученые определяют и изучают химические вещества растений?

                                                    Поскольку специализированные метаболиты так важны для растений и весьма полезны для нас, ученые разработали несколько способов их измерения. Люди уже очень давно извлекают из растений специализированные метаболиты. Приготовление кофе является одним из примеров экстракции . Концепция проста: растительный материал, например молотые кофейные зерна, смешивают с жидкостью, называемой растворителем (горячая вода, в случае кофе), чтобы обеспечить экстракцию метаболитов. Через некоторое время растворитель принимает вкус и цвет метаболитов, содержащихся в кофейных зернах. Затем смесь фильтруют и отбрасывают твердые растительные материалы, а жидкий растворитель содержит экстракт метаболитов растений.

                                                    Ученые применили тот же принцип для извлечения и изучения многих растительных метаболитов. Чтобы идентифицировать конкретные метаболиты, ученые должны учитывать их химические и физические свойства, например, могут ли метаболиты растворяться в воде или необходим другой растворитель. Получение отфильтрованного экстракта является последним этапом процесса экстракции (рис. 2А). Следующими этапами являются разделение и идентификация химических соединений, присутствующих в экстракте.

                                                    • Рисунок 2. Метаболиты растений анализируются с помощью хроматографии и масс-спектрометрии.
                                                    • (A) Первой частью анализа является подготовка образца. В этом примере листья измельчают и смешивают с растворителем в пробирке. (B) С помощью хроматографии анализируют жидкую часть с предыдущего этапа и отделяют метаболиты в листьях. (C) С помощью масс-спектрометрии растительные метаболиты далее расщепляются (ионизация), и детектор регистрирует количество и идентичность вышедших частей метаболитов.

                                                    Хроматография — это метод, используемый для разделения химических соединений (рис. 2В). Разделяемая жидкая смесь метаболитов называется подвижной фазой (она содержится в пробирке на рис. 2А). Затем подвижную фазу пропускают через второе вещество, называемое неподвижной фазой (обозначено синим цветом на рис. 2В). Метаболиты в подвижной фазе (растительный экстракт) будут по-разному взаимодействовать с неподвижной фазой. Некоторые метаболиты будут двигаться медленно через стационарную фазу, а другие будут двигаться быстрее, что приведет к разделению различных метаболитов. Различное время прохождения каждого метаболита является одним из признаков, который ученые используют для их идентификации.

                                                    Некоторые растительные метаболиты можно легко идентифицировать, используя только хроматографию. Однако растительные метаболиты могут быть чрезвычайно сложными. Эта сложность затрудняет их идентификацию, и иногда для их идентификации требуются другие методы. Масс-спектрометрия — это метод, который дополнительно расщепляет метаболиты, а затем разделяет различные части (называемые ионами) для определения их количества в химическом соединении (рис. 2C). Масс-спектрометр обычно состоит из трех основных камер. В первой камере метаболит распадается на свои основные части, называемые ионами. Ионы проходят через вторую камеру, называемую масс-анализатором, и достигают третьей камеры, называемой детектором. Масса каждого иона и время, необходимое для прохождения через масс-анализатор, регистрируются детектором, предоставляя чрезвычайно точную информацию об идентичности иона. Хроматографию и масс-спектрометрию можно объединить в одну мощную машину для обнаружения очень малых количеств специализированных метаболитов.

                                                    Что дальше?

                                                    Мы показали вам лишь несколько примеров большого разнообразия и использования растительных метаболитов и объяснили, как ученые выделяют и идентифицируют их. Многие растительные метаболиты уже были обнаружены, и, кроме того, что они важны для растений, которые их производят, некоторые соединения также полезны для человека 1 . Предстоит открыть и изучить еще много растительных метаболитов, и каждый год ученые открывают новые. Понимание растительных химических веществ не только интересно, но и помогает нам разрабатывать новые лекарства и сельскохозяйственные ресурсы. Хотя функции многих растительных метаболитов до сих пор не изучены, эти соединения представляют собой огромный резервуар потенциальных приложений. Это огромное разнообразие химических соединений делает растения главными химиками нашей планеты.

                                                    Глоссарий

                                                    Метаболит : ↑ Небольшое химическое соединение, помогающее растениям расти и взаимодействовать с другими организмами.

                                                    Глюкозинолаты : ↑ Специализированные метаболиты с острым вкусом, присутствующие в растениях, таких как брокколи, редис и горчица.

                                                    Сапонины : ↑ Специализированные метаболиты, традиционно используемые в качестве натуральных моющих средств. Название происходит от латинского слова «сапо», что означает мыло. Очень важная смесь сапонинов, называемая QS-21, происходит из чилийского дерева 9.0037 Quillaja saponaria и используется в качестве ингредиента в составе вакцин.

                                                    Непеталактон : ↑ Специализированный метаболит, обнаруженный в кошачьей мяте, Nepeta spp. который привлекает и изменяет поведение кошек, делая их расслабленными и игривыми.

                                                    Экстракция : ↑ Процесс отделения метаболитов растений от любых других соединений, присутствующих в растительном материале.

                                                    Растворитель : ↑ В хроматографии растворителем является жидкость, в которую помещают растительные метаболиты. Этот раствор (растворитель плюс метаболиты) проходит через хроматографию для разделения.

                                                    Хроматография : ↑ Метод разделения, обычно используемый для разделения смеси соединений.

                                                    Масс-спектрометрия : ↑ Метод измерения массы и заряда ионов молекул, присутствующих в растворе.

                                                    Конфликт интересов

                                                    NC-Q работает в Keygene N.V.

                                                    Оставшийся автор заявляет, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

                                                    Благодарности

                                                    Работа ПК была поддержана исследовательской и инновационной программой Horizon 2020 Европейского Союза в рамках соглашения о гранте Марии Склодовской-Кюри № 752437. Мы благодарим Матиаса Аравена-Кальво за его помощь с иллюстрациями, а также Хавьеру Аравена-Кальво и Марине Ариас за комментарии и предложения.

                                                    Сноска

                                                    1. ↑ Если вас интересуют растительные метаболиты, обратите внимание на таксол, артемизинин и беталаины.

                                                    Каталожные номера

                                                    [1] ↑ Фанг, К., Ферни, А. Р., и Луо, Дж. 2019. Изучение разнообразия метаболизма растений. Trends Plant Sci. 24:83–98. doi: 10.1016/j.tplants.2018.09.006

                                                    [2] ↑ Halkier, B.A., and Gershenzon, J. 2006. Биология и биохимия глюкозинолатов. год. Преподобный завод биол. 57:303–33. doi: 10.1146/annurev.arplant.57.032905.105228

                                                    [3] ↑ ФАО. 2018. Почему пчелы важны: важность пчел и других опылителей для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства . Доступно в Интернете по адресу: http://www.fao.org/publications/card/en/c/I9527EN/

                                                    .

                                                    [4] ↑ Райт, Г. А., Бейкер, Д. Д., Палмер, М. Дж., Стейблер, Д., Мастард, Дж. А., Пауэр, Э. Ф., и др. 2013. Кофеин в цветочном нектаре усиливает память опылителя о вознаграждении. Наука . 339: 1202–4. doi: 10.1126/science.1228806

                                                    [5] ↑ Карденас, П. Д., Алмейда, А., и Бак, С. 2019. Эволюция структурного разнообразия тритерпеноидов. Фронт. Растениевод. 10:1523. doi: 10.3389/fpls.2019.01523

                                                    Растения защищают свою территорию ядовитыми веществами

                                                    Токсины растений блокируют гистоновые деацетилазы соседних растений и негативно влияют на их рост

                                                    Растения являются участниками тонкой и сложной химической войны для обеспечения оптимальных условий роста. Хотя уже несколько десятилетий известно, что растения производят и выделяют химические вещества для борьбы со своими соседями, оставалось неясным, как именно эти соединения действуют на другие растения. Группа немецких и французских ученых смогла показать, что один конкретный класс растительных токсинов замедляет развитие конкурирующих растений, специфически воздействуя на структуру их генома.

                                                    Растения постоянно конкурируют со своими соседями за ограниченные ресурсы, такие как свет, питательные вещества и вода. Только самые приспособленные выживают и размножаются. Чтобы защитить свою территорию от вторжения конкурентов, растения используют так называемые аллелохимические вещества, токсичные соединения, которые могут подавлять рост и развитие других растений. Существование этого химического оружия, называемого «аллелопатией», широко распространено среди многих видов растений и давно известно ученым и агрономам.

                                                    Растения способны выделять химические соединения из своих корней в почву, где вещества разлагаются или модифицируются микробами. Некоторые из этих продуктов токсичны, когда их поглощают корни соседних растений. Работа Саши Вентурелли и его коллег теперь проливает свет на внутреннюю работу этого химического оружия. Клод Беккер, один из руководителей исследования, объясняет важность результатов: «Феномен был известен много лет, и за последние десятилетия было идентифицировано множество классов аллелохимических веществ, но теперь мы впервые понимаем молекулярный механизм. такого «территориального поведения» растений».

                                                    Ученые исследовали роль определенного класса вторичных метаболитов растений, циклических гидроксамовых кислот DIBOA и DIMBOA. Они выделяются несколькими видами трав, и продукты их разложения хорошо известны своей фитотоксичностью. С помощью структурного и биохимического анализа, а затем физиологических экспериментов Вентурелли и его коллеги смогли показать, что эти соединения ингибируют активность так называемых гистоновых деацетилаз. Эти ферменты связываются с гистонами, группой белков, которые вместе с ДНК образуют генетический материал, также известный как хроматин. Деацетилазы гистонов удаляют ацетильные боковые цепи этих гистонов, вызывая уплотнение ДНК и приводя к снижению экспрессии генов.

                                                    На модельном растении Arabidopsis thaliana ученые обнаружили, что ингибирование деацетилаз гистонов растительными токсинами приводит к усилению ацетилирования гистонов и увеличению экспрессии генов, что в конечном итоге приводит к замедлению роста растений. Таким образом, исследование не только представляет первый молекулярный механизм аллелопатии, но также иллюстрирует, как токсины окружающей среды могут изменять структуру хроматина и экспрессию генов.

                                                    Аллелохимические вещества являются важными регуляторами в естественных и сельскохозяйственных растительных сообществах и неоднократно ассоциировались с успехом инвазивных видов в их новых средах обитания. Но это еще не все: «Натуральные растительные продукты в целом обладают большим потенциалом для лечения заболеваний человека», — говорит Саша Вентурелли из Университетской клиники Тюбингена, ученый-медик и первый автор исследования, и продолжает: «Мы обнаружили, что эти конкретные соединения также эффективно подавляют рост раковых клеток человека». Действительно, некоторые ингибиторы гистоновых деацетилаз уже одобрены в качестве противораковых препаратов. Майкл Битцер и Ульрих Лауэр, инициаторы и соконсультанты исследования, объясняют текущие усилия: «Клинические испытания в университетских клиниках Тюбингена в настоящее время оценивают эффективность этих растительных токсинов у больных раком». Таким образом, понимание механизма действия растительных токсинов также может иметь более широкое значение для медицинских исследований.