Фитонциды как биологически активные вещества фитогенного происхождения. Растения выделяющие летучие вещества

Невидимые защитники летучие вещества

Добрый день дорогие читатели и гости моего сайта! Сегодня я хочу рассказать вам о невидимых, но очень важных наших защитниках — фитонцидах… Когда то давно один профессор университета сделал сообщение о своем открытии, к которому многие отнеслись с недоверием. Казалось невероятным, что растения могут выделять какие-то невидимые летучие вещества, убивающие микробов.

Однако простейший опыт рассеял недоверие…

Стеклянная банка с плотно притертой пробкой, и вставленная в нее стеклянная трубка, а к ней к стеклянной трубке подсоединена резиновая. Она ведет к стеклянному колпаку. Под колпаком — измельченные листья черемухи. В банке — предметное стекло микроскопа с каплей, в которой снуют простейшие организмы — инфузории.

Через полчаса вынимают из банки предметное стекло, кладут под окуляр микроскопа. Инфузории неподвижны: погибли.

Если под колпак положить измельченные листочки эвкалипта или черной смородины и даже луковую кашицу, то результат будет тот же. Невидимые вещества, губители микробов, а таятся они в смоле или хвое деревьев хвойных пород, а еще в эфирных маслах.

Защитные вещества фитонциды

Около пятисот растений выделяют невидимые защитные летучие вещества. Фитонциды — так назвали их. Они спасают растение от вредителей, уничтожают микробов гниения.

За один летний день:

• лиственный лес с 1 гектара выделяет 1-2 килограмма фитонцидов,
• хвойный лес с того же участка выделяет 5-7 килограмм фитонцидов, а вот
• можжевеловый лес с 1 гектара выделяет уже 30 килограммов летучих фитонцидов.

Такого количества фитонцидов достаточно, чтобы можно было забыть обо всех микробах в нашем городе. Видимо поэтому лесной воздух обладает такой целительной силой.

Впрочем, не отстают от леса и комнатные растения. Растение герань, например, снижает содержание микробов в воздухе почти вдвое. Мелко цветная хризантема еще больше.

А избавиться от микробов — значит избавиться от болезней.

Целительные свойства растений

Теперь стали ясны многие целительные свойства растений: фитонциды расправлялись с болезнетворными микробами. В летучих веществах распаренных душистых растений лечебная сила достаточна велика. Этот способ лечения дыхательных путей применяется и поныне.

Правда, теперь не приходится ни запираться в дощатую камеру, ни парить душистые травы. Для этого пользуются специальным прибором — ингалятором. В него вносят эфирное масло эвкалипта, кипариса или мяты. Больной вдыхает пахучие испарения, а вместе с ними целительные летучие вещества.

Фитонциды открытые несколько десятков лет назад стали постоянными помощниками врачей.

В годы Отечественной войны во фронтовых госпиталях гнойные раны лечили кедровой «живицей» и кашицей лука. Фитонциды смолы и лука дезинфицировали рану, помогали ее заживлению.

Из чеснока изготавливают целый ряд лекарственных препаратов. В том числе сативин — лекарство от дизентерии.

Во многих лабораториях изучают возможности использования невидимых летучих веществ. Для этого не обязательно превращать их в порошки и микстуры.

Дышать целебным смолистым воздухом можно и в помещении. Стоит лишь зажечь ароматическую свечу, в состав которой входит душистая смола.

Если воздух насыщен ароматом смолы — значит, он чист.

Здоровье человека оберегают фитонциды — наши невидимые защитники.

Посмотрите небольшое видео о защитных свойствах летучих веществ.Спасибо вам за внимание драгоценный мой читатель. Чтобы не пропустить следующую мою статью, оформите подписку в верхнем правом углу сайта. Заходите на сайт и приводите друзей. Я всегда рада видеть Вас и уверена, что Вы обязательно найдете здесь что-то интересное для себя.

С уважением Наталья Александровна

Все статьи

Понравилась ли Вам статья, стала ли полезной или Вы узнали что-то новое? У кого из вас остались вопросы, может быть, есть предложения? Пожалуйста, выскажите их в комментариях ниже. И еще, моя благодарность Вам не будет знать границ, если Вы расскажите о прочитанном своим друзьям и знакомым, и просто хорошим людям, нажав на кнопки соц.сетей.

bytrina11.ru

Фитонциды как биологически активные вещества фитогенного происхождения

О выделении растениями разнообразных веществ, влияющих на животных, в том числе и на человека, известно давно.

Многие растения широко использовались в народной медицине, а также для борьбы с насекомыми и клещами. Однако только после появления работ Б. П. Токина, впервые экспериментально доказавшего способность измельченных растений на расстоянии убивать микроорганизмы, проблема растительных выделений привлекла внимание биологов как у нас в стране, так и за рубежом. Вещества, продуцируемые измельченными растениями и обладающие бактерицидными, фунгицидными и протистоцидными свойствами, были названы Б. П. Токиным фитонцидами.

Термин «фитонциды» не совсем удачный, что впоследствии признавал и его автор. В биологической науке и практике уже давно применяются такие термины, как «бактерициды», «фунгициды», «инсектициды», «акарициды» и др. Это ни в коем случае не означает, что указанные вещества продуцируются бактериями, грибами, насекомыми, клещами и обладают свойствами убивать другие организмы, а наоборот, перечисленные термины употребляются для наименования веществ, токсичных для бактерий, грибов, насекомых и клещей. По аналогии с указанными названиями термин «фитонциды» может применяться для обозначения веществ, оказывающих губительное воздействие на растения.

В последнее время проведены многочисленные исследования, показавшие, что фитонциды оказывают как отрицательное, так и положительное влияние на различные жизненные процессы микроорганизмов, растений, беспозвоночных и позвоночных животных, в том числе и на человека.

В природных условиях неповрежденные растения выделяют в окружающую среду фитонциды через устьица, чечевички и покровные ткани.

По последованиям Н. Г. Холодного (1944, 1949), летучие выделения некоторых растений могут использоваться микроорганизмами для питания, поэтому автор называет их витаминоподобными веществами, или атмосферными витаминами. Он полагает, что такие вещества, содержащиеся всюду, где имеется богатая вегетирующая растительность, могут поступать через дыхательные органы и в организм человека, выполняя в нем определенные физиологические функции, необходимые для нормальной жизнедеятельности.

В связи с многообразной ролью фитонцидов в природе появилось большое число новых терминов для обозначения растительных выделений различного происхождения и назначения:

• «нативные летучие органические вещества», продуцируемые неповрежденными тканями и органами растений; «колины» — физиологически активные вещества, играющие важную роль во взаимоотношениях растений;
• «аллелопатины» — см. колины;
• «метаболиты» — продукты нормального обмена веществ и др.

В настоящее время распространен термин «фитоалексины» для обозначения антибиотических веществ, образующихся в растениях в ответ на инфекцию.

Мы не ставим перед собой задачу критического обзора названий и классификаций растительных выделений. Этот вопрос детально рассмотрен в работах Д. Д. Вердеревского (1972), Б. П. Токина (1975) и М. В. Колесниченко (1976). Пока нет достаточных оснований для признания «нативных летучих веществ», «колинов», «аллелопатинов», «фитоалексинов» и др. как принципиально отличных от фитонцидов. Сведения о химическом составе летучих растительных выделений, воздействующих в одном случае на растения, в другом — на микроорганизмы, в третьем — на беспозвоночных и позвоночных животных, настолько незначительны, что вряд ли будет правильным называть эти выделения по-разному. Следует принять во внимание, что сила и характер воздействия летучих выделений на различные организмы в ряде случаев определяются степенью их концентрации в окружающем воздухе и временем воздействия. «Давно уже высказана мысль, — пишет А. М. Гродзинский (1975, с. 35), — о поливалентности, или о полифункциональности биологически активных веществ. Каждое соединение может быть одновременно лекарством, ядом, питательным веществом и т. п. в зависимости от многих обстоятельств». По данным Б. А. Рубина (1961), такие ненасыщенные лактоны, как кумарин, эскулетин и др., оказывают ингибирующее действие на рост растений, но, взятые в малых дозах, способны вызвать стимулирующий эффект. Выделяемый многими древесными растениями этилен, воздействуя на ветви каштана в течение 24 ч, ускоряет распускание почек, многодневная же обработка этиленом задерживает их раскрывание.

Учитывая, что термин «фитонциды» получил наибольшее распространение, а также в силу приоритета мы, как и М. В. Колесниченко (1976), считаем целесообразным принять указанный термин в качестве единого для обозначения биологически активных веществ, содержащихся в выделениях поврежденных и неповрежденных тканей и органов растений. К сожалению, мы не можем согласиться с М. В. Колесниченко (1976), который излишне расширил понятие «фитонциды», распространив его на биологически активные вещества, входящие в состав выделений консортов растений, т. е. животных организмов, для которых растения являются местом обитания и источником питания. Согласно его определению, фитонцидами (например, ясеня обыкновенного) следует называть не только биологически активные вещества летучих выделений этой породы, но и вещества, содержащиеся в выделениях ясеневой шпанки (обладают резким и неприятным запахом) и других насекомых, обитающих на ясене.

Для обозначения выделений зоогенного происхождения имеется своя терминология. Я. Д. Киршенблат (1957) предложил для обозначения биологически активных веществ, выделяемых животными в окружающую среду, термин «телергоны», подразделив их на «гомотелергоны», оказывающие действие на особей своего вида, и «гетеротелергоны», действующие на организмы других видов. Это особая группа летучих органических соединений, которую вряд ли правомерно причислять к фитонцидам, имеющим фитогенное происхождение.

Нельзя согласиться и с тем, что Я. Д. Киршенблат (1979) распространяет термин «телергоны» на все специфические биологически активные вещества, выделяемые любыми организмами (в том числе и растениями) в окружающую среду и воздействующие на другие живые существа. При этом термин «фитонциды» он сохраняет для обозначения гетеротелергонов растений.

Нам представляется более целесообразным для обозначения биологически активных веществ фитогенного (фитонциды) и зоогенного (телергоны) происхождения использовать термин «биолины», ранее применяемый Б. А. Быковым (1961) для активных продуктов жизнедеятельности высших растений и микроорганизмов.

Требует уточнения и термин «фитонцидность», который во многих случаях применяется для обозначения протистоцидных, бактерицидных и других свойств фитонцидов. Указанный термин следует, очевидно, применять только для характеристики количества летучих органических веществ, в том числе и биологически активных, выделяемых растениями. Так как основным источником выделения летучих фитонцидов в атмосферу леса являются листья, фитонцидность отдельных растений следует определять количеством выделяемых органических веществ в пересчете на 100 г сухого вещества листьев или на 1 м2 листовой поверхности в течение 1 ч. Это обеспечит получение сравнимых величин фитонцидности различных древесных растений. По данным 3. Н. Брянцевой (1951), исследуемые ею древесные растения в пересчете на 100 г сухого вещества листьев выделяли летучие органические соединения в следующем количестве: орех грецкий — 1,37—2,4 6 мг/ч сосна крымская—1,3—1,5 мг/ч, самшит — 0,22—0,40 мг/ч. По исследованиям Г. А. Санадзе (1961), 1 м2 поверхности листьев бирючины и маслины выделяет 1 мг/ч летучих органических веществ.

Для характеристики фитонцидности отдельных насаждений лучше использовать количество органических веществ, находящихся в 1 м3 воздуха, или выделяемых с 1 га лесопокрытой площади. Например, по данным В. В. Протопопова (1975), кедровник чернячно-долгомошный с площади 1 га в течение 1 ч выделяет в атмосферу 0,114—0,719 кг углеводородов, сосняк бруснично-разнотравный — 0,118—0,441 кг и березняк разнотравный — 0,118—0,310 кг. По исследованиям М. Н. Артемьевой (1964), 1 га хвойного леса выделяет в окружающую среду около 4 кг, лиственного — около 2 кг летучих органических соединений.

Фитонцидность можно рассчитывать и для отдельных компонентов органических выделений. Так, например, Е. С. Лахно и Н. В. Козлова (1967) в составе летучих органических веществ хвойных насаждений обнаружили скипидар и сложные эфиры. Фитонцидность по скипидару в молодых культурах сосны составила 0,3—0,8 мг/м3, в сосново-лиственном насаждении — 1,5 мг/м3, в лиственничном (лиственница сибирская) — 0,4—0,5 мг/м3. Сложные эфиры указанные авторы зарегистрировали в воздухе под кронами айланта и можжевельника казацкого (27—420 мг/м3).

Протистоцидные и другие свойства фитонцидов не находятся в прямой зависимости от величины фитонцидности растений, на что обратил внимание еще Г. А. Санадзе (1961). По его данным, летучие выделения падуба, превосходя по массе в 2,4 раза летучие выделения клена, не убивали протозоа в течение 3 ч, в то время как под воздействием летучих выделений клена простейшие погибали за 9 мин. Указанная разница в протистоцидной активности исследуемых древесных пород объясняется прежде всего различиями химизма их летучих выделений.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

www.activestudy.info

Фитонциды - невидимые защитники растений

• Дата публикации: 21.12.2010
• Просмотров: 12318

Слово "фитонци?ды" произошло от двух корней из разных языков: греческого слова ????? (фитон) — «растение» и латинского caedo (цедо) — «убивать». Этот термин в 1928 году предложил советский ученый Борис Петрович Токин, который тогда был еще студентом Московского Университета. Он и стал впоследствии разработчиком теории о фитонцидах. Впервые он высказал предположение о наличии у растений неких веществ, обладающих антимикробными свойствами, когда обратил внимание на то, что блюда восточной кухни, как известно обильно сдабривающиеся пряностями, даже будучи приготовлены в антисанитарных условиях и после длительного хранения медленно портятся и не вызывают вспышек кишечных инфекций. Позже, в годы войны, в ситуации сильной нехватки лекарств, особенно в полевых условиях, когда стерильность очень сложно было поддерживать, именно Токин предложил в качестве антисептического средства лук и чеснок. Его предложение получило широкую известность и на практике применялось во многих полевых госпиталях. В наибольшей степени это касалось стафилококковых и стрептококковых инфекций ран и многих кишечных заболеваний, бывших для военной медицины в полевых условиях настоящим бичом. Токин разработал очень подробное учение о летучих соединениях растений, уничтожающих микроорганизмы или подавляющих их рост и развитие. Но термин "фитонциды" в мировом научном жаргоне не прижился и активно эксплуатировался только в советской науке. Причем с недавних пор это слово стало все реже употребляться и в русскоязычных источниках. Чаще стали называть подобные вещества нативными антимикробными веществами растений. Все потому, что в западной науке уже существовала теория о летучих соединениях (запахах), оказывающих воздействие на соседние растения и другие живые организмы. Это явление называлось аллелопатией. Еще одной причиной послужила неоднозначность самого термина. То есть, если "бактерицидный" означает "убивающий бактерии", "фунгицидный" - "убивающий грибки" и т.п., то почему "фитонцидный" должно обозначать противоположное понятие?

Но в данном случае я не буду забираться в дебри терминологических споров и буду понимать под фитонцидами любые биологически активные вещества, выделяемые растениями в окружающую среду для защиты от патогенных микрооганизмов, паразитов и насекомых-вредителей. Это очень разнородный по химическому составу набор веществ, и выделить фитонциды как группу веществ, объединенную какими-то общими структурными признаками не представляется возможным. То есть объединить их можно не по химической природе, а по биологической функции. Это могут быть эфирные масла,  терпеноиды, флавоноиды, гликозиды и любые другие химические вещества растительного происхождения, причем их летучесть тоже не обязательна, главное, что все они обладают определенным абиотическим эффектом.

Сила и спектр действия фитонцидов некоторых растений поражают. Например, фитонциды чеснока убивают множество различных видов бактерий за считанные секунды. Они уничтожают туберкулезную палочку, стафилококков и стрептококков, возбудителей дизентерии, кишечного тифа и дифтерии. Причем такой признанный антисептик, как карболовая кислота, хотя и тоже уничтожает туберкулезную палочку, но  за 12 часов минимум, а сок чеснока, разведенный в сто раз, расправляется с ней за 5-8 минут. Вспомните народные поверья о чесноке как защитнике от нечистой силы, порчи и сглаза.

Фитонциды лука немногим менее активны, но при этом более летучи, как и фитонциды хрена. Есть практические данные о применении летучих фитонцидов лука и хрена для очистки и обеззараживания длительно не заживающих гнойных ран. Причем даже однократный сеанс воздействия снижает концентрацию микроорганизмов на 20% и более. С помощью лука и хрена можно обеззараживать помещения. Отлично дезинфецируют воздух в помещении розмарин, чабрец, лаванда, шалфей, мирт, лавр, диффенбахия.

Большинство видов хвойных деревьев выделяют летучие фитонциды в довольно больших количествах. Например, гектар молодого соснового леса выделяет в окружающую атмосферу больше 5 кг летучих фитонцидов каждый день, а можжевеловый лес (такой, например, какой сейчас пытаются уничтожить в Утрише ради очередной правительственной дачи) - 30 кг! Воздух в таких лесах практически стерилен, болезнетворные бактерии в них - большая редкость, и даже аллергики и астматики, попадая в хвойный лес, всегда чувствуют сильное облегчение.

Фитонциды губительно действуют и на представителей класса простейших, в том числе таких опасных, например, как дизентерийная амеба. Первооткрыватель фитонцидов Б.П. Токин проводил несколько опытов с возбудителями амебной дизентерии. Он использовал молодые веточки черемухи, березы, дуба или тополя, вместе с которыми под стеклянный колпак помещался сосуд с культурой возбудителей болезни. Через несколько минут все амебы погибали. Такой же эффект оказывают фитонциды можжевельника, марьина корня, листья цитрусовых.

Другие простейшие, лямблии и трихомонады, очень уязвимы для фитонцидов, содержащихся в соках некоторых ягод, особенно соке брусники, клюквы, калины и черной смородины. Уничтожает трихомонад и лямблий водная вытяжка из свежих листьев грецкого ореха, коры калины и дуба. Особенно сильным протистоцидным (убивающим простейших) действием обладает такое известное народное противопаразитарное средство, как кора осины. Отвар ее, принятый внутрь, лечит лямблиоз эффективнее многих химических лекарственных средств, а спринцевания им помогают справиться с трихомонадным кольпитом. Кора, листья и почки осины обладают широким противопаразитарным действием, не только на простейших, но и на глистов и трематод, в том числе возбудителей описторхоза.

В отношении трихомонад впечатляющие результаты были достигнуты в экспериментах с черемшой. Применение разведенного сока черемши для спринцеваний очень эффективно для лечения трихомонадного кольпита. Черемша, известная также под названиями медвежий лук или колба, - одно из тех растительных средств, фитонцидные свойства которых в народе известны издревле и применяются для лечения многих болезней, вызываемых паразитами и микробами. Очень популярна она была, как и чеснок, при лечении кишечных заболеваний, особенно в древнегерманской народной медицине и в медицине Древнего Рима. По сей день в Германии ее используют очень активно. В средневековых трактатах медвежий лук упоминается как средство, предохраняющее от заражения во время эпидемий холеры, чумы и брюшного тифа.

Фитонциды многих растений, особенно эфирные масла растений семейств зонтичные и яснотковые (большинство пряноароматических трав принадлежат к этим семействам) эффективно действуют против болезнетворных грибков. Наиболее активным противогрибковым действием обладают фитонциды, содержащиеся в эфирных маслах мяты, шалфея, душицы, чабреца, тмина, дягиля, кумина (зиры), ферулы, фенхеля. Из эфирных масел растений других семейств сильным фунгицидным действием обладают масла настурции, бархатцев, лука, чеснока и корицы. Эти растения угнетают развитие и уничтожают таких высокопатогенных грибков, как кандиды, которые являются возбудителями, например, стоматита, ангины или молочницы.

Фитонциды некоторых растений опасны не только для микроорганизмов, но и для насекомых, иногда грызунов и даже человека. Например, во время цветения багульника людям опасно находиться в его зарослях - можно отравиться летучими соединениями, выделяемыми его цветами. Также опасны человеку фитонциды яснеца, аконита, ферулы.

Польза растительных фитонцидов огромна, потенциал их не раскрыт еще и наполовину. Именно наличию фитонцидов обязаны большинство лекарственных трав своими целебными свойствами, и в народной медицине эти свойства активно и плодотворно применяются.

travnick-altay.com

И не раненые растения выделяют фитонциды

И не раненые растения выделяют фитонциды

Поставим опыт с одним из видов эвкалиптовых деревьев, я именно с шаровидным эвкалиптом, или, как его по латински называют, эвкалиптус глобулус. Можно провести опыт в природных условиях, но можно с таким же успехом осуществить его и в лаборатории, имея в горшке молодое здоровое деревце. Приготовим взвесь бактерий золотистого стафилококка в благоприятной для них жидкости. Пусть в каждом кубическом сантиметре жидкости находится 2 миллиарда бактерий. Нанесём капли этой жидкости на листья эвкалиптового дерева. Точно такие же капли с бактериями нанесём и на стеклянную пластинку. Будут ли одинаково чувствовать себя бактерии, находящиеся на листьях и на стекле? Чтобы ответить на этот вопрос, через разные промежутки времени — через несколько минут от начала опыта, а затем через 4, 5 и 6 часов — высеем бактерии из опытных и контрольных капель (то есть находящихся на стекле) на самую хорошую питательную среду, где они могли бы беспрепятственно размножаться. Мы убедимся, что уже после 4-часового пребывания бактерий на листе эвкалипта они начинают отмирать, а через 6 часов все окажутся мёртвыми. Перенесём их в питательную среду. Размножения микробов не последует. А бактерии, находящиеся на стекле, в течение целых суток сохраняют жизнеспособность. Сделаем через сутки высев микробов со стекла на питательную среду, и мы увидим совершенно нормальное размножение бактерий. Вывод очевиден: неповреждённые листья эвкалиптов выделяют какие-то бактерицидные вещества. Лучше убивают бактерий молодые здоровые листья и несколько слабее — старые, но тоже здоровые. Ещё слабее действуют на бактерии листья, поражённые какими-либо болезнями.

Эти и другие эксперименты проведены по моему совету в нашей лаборатории прекрасным знатоком эвкалиптов Верой Яковлевной Родиной3.

Кстати сказать, загадочным эвкалиптам, может быть, предстоит сыграть большую, ещё неведомую науке роль. Но и при современных знаниях эти чудесные красавцы вполне оправдали мечты энтузиастов-интродукторов — ботаников, меняющих привычные места обитания полезных нам растений, заставляющих их жить в необычных условиях.

Да не посетует на меня ботаник — москвич Михаил Михайлович Герасимов, сильно влюблённый в эвкалипты, за публикацию частной переписки. Поздравляя своего знакомого в Новый год, он написал о своей мечте: «Значение фитонцидов большое, в частности эвкалиптов. Я, как интродуктор эвкалипта, исходя из личного опыта, выдвигаю следующее предложение: создать порослевые насаждения небольших размеров на 200—400 квадратных метров со 100—200 растениями в каждом населённом пункте вплоть до широты Москвы. Они могут дать и для людей, и для домашних животных эффективные лечебные средства при несложном их приготовлении. Один раз заложенные насаждения при небольшом уходе ежегодно будут возобновляться порослью и давать эвкалиптовый лист». И право, стоит бороться за это! Эвкалипты заслуживают такой восторженной похвалы.

Обратимся теперь к другим растениям, а с удивительными свойствами эвкалиптовых деревьев мы ещё не раз встретимся при чтении этой книги.

В то самое время, когда ленинградка Родина проводила опыты на эвкалиптах, учёные Оренбурга Б.С. Драбкин и А.М. Думова ставили подобные опыты на листьях других растений. Они наносили на поверхность листьев герани, берёзы, тополя, туи, черёмухи и липы капли жидкости с миллионами бактерий золотистого стафилококка. Листья герани и туи оказались бактерицидными, но рекорд побили тополь и берёза: уже через 3 часа большинство бактерий погибло от каких-то выделений листьев этих деревьев. И другими, ещё более точными способами доказали Драбкин и Думова действие на бактерии живых неповреждённых листьев растений4. Ввиду интереса этих опытов остановимся на них поподробнее.

Представим себе стеклянный ящик ёмкостью 144 литра. Такие ящики микробиологи называют боксами. Одна стеклянная стенка может отъединяться от ящика или, наоборот, привинчиваться во время опыта так прочно, что никакого сообщения воздуха бокса с наружным (воздухом не будет. С противоположных концов ко дну бокса приделываются две металлические трубки. По первой трубке наружный воздух поступает в бокс. В воздухе комнат и лабораторных помещений всегда находятся те или иные микробы, а для опыта требуется, чтобы поступающий воздух не был загрязнён ими. Учёные поступили очень просто: к свободному концу первой трубки они приделали изогнутую стеклянную трубку, заткнув её ватой. Итак, при поступлении новых порций воздуха бактерии не могут проникнуть в бокс, они окажутся задержанными ватой. Вторая металлическая трубка соединяется с особым прибором, дающим возможность определить количество бактерий в воздухе бокса. Подробное устройство его может интересовать только специалистов. Укажем лишь, что благодаря особой тяге воздух можно пропускать, положим, в течение 10 минут от первой трубки через вторую к прибору и нам точно известно, сколько воздуха проходит за это время. Взвешенные в воздухе бактерии осаждаются на питательной для них среде в специальной стеклянной посуде.

В посуде бактерии размножаются; можно подсчитать через сутки их количество и судить о микробной загрязнённости бокса в момент взятия пробы воздуха. В бокс легко помещаются горшки с различными комнатными растениями. Теперь изучим влияние выделяемых растениями летучих веществ на микробов, находящихся в воздухе бокса. Узнаем сначала, перед опытом, какое количество бактерий взвешено в воздухе бокса. Пропустим для этого в течение 10 минут воздух в аппарат со стеклянным цилиндром. А следующую пробу воздуха возьмём через сутки пребывания испытуемых растений в воздухе, причём опять-таки, как и в контрольной пробе, будем пропускать воздух только в течение 10 минут. Расчёт простой и ясный: если неповреждённые листья растений выделяют в воздух гибельные для бактерий летучие вещества, то после суток пребывания растения в боксе воздух в нём должен содержать меньшее количество микробов. Помещали таким образом в боксы овсяницу красную, райграс пастбищный, герань, пеларгонию, хризантему, циперус, бегонию, аспарагус, тую.

Каковы результаты увлекательных опытов Драбкина и Думовой? Ни одно из названных растений своими летучими веществами полностью не убивает всех микробов в воздухе бокса, или, как говорят, не стерилизует, но количество микробов под влиянием растений снижается за сутки более чем наполовину. Туя снижает количество микробов на 67 процентов, хризантема — на 66, циперус — на 59, райграс пастбищный — на 58. Другие растения хуже очищают загрязнённый микробами воздух, например герань и бегония — только на 43, а аспарагус — всего лишь на 38 процентов, но и это неплохо. Невольно напрашивается мысль: декоративные растения не только радуют наш глаз своими милыми красками и формами, но и очищают воздух от бактерий.

Если быть очень строгим и придирчивым, то можно усомниться в результатах описанных опытов. Может быть, уменьшение числа микробов в воздухе вызывается не бактерицидными свойствами летучих веществ растений, а тем, что бактерии оседают на поверхности растений? Этому сомнению противоречит тот факт, что при помещении в бокс разных растений воздух очищается в разной степени, хотя на поверхности всех растений могли бы осаждаться микробы. Но раз возникает сомнение, то исследователь должен не отбрасывать его, а выяснить истину новыми опытами, что и было образцово выполнено Драбкиным и Думовой.

Приготовили из прозрачного плексигласа коробку 14 сантиметров длиной, шириной 10 и высотой 1 сантиметр. Плотно подогнанная крышка коробки может открываться (рис.8). В одной из стенок коробки имеется прорезь.

Рис.8. Камера для изучения фитонцидного действия живых листьев.

1 — прорезь для черешка листа; 2 — затвор крышки камеры; 3 — отверстия для капли со взвесью микробов; 4 — зажимы.

А вот и ещё доказательство того, что неповреждённые растения выделяют летучие бактерицидные вещества. Ленинградский учёный Н.В. Новотельнов задумался над общеизвестным фактом. Семена ржи, пшеницы, ячменя и других злаковых культур, прорастая, как правило, не заболевают, не подвергаются действию бактерий, которые, однако, «кишмя кишат» в почве. Учёные знают из опытов, что нелегко заставить заболеть хорошие семена злаковых, даже создавая специальные условия, способствующие заражению их бактериями. Чем объяснить эту изумительную сопротивляемость? Чем защищает себя зерно? Когда зерно прорастает, оно поглощает влагу, набухает. Это все знают, но мало кто обращает внимание на обратное явление: зерно, набухая, в свою очередь, выделяет в окружающую среду какие-то вещества, придающие воде желтоватую окраску. Такие вещества теперь изучены, они оказались так называемыми флавоновыми глюкозидами, обладающими свойствами убивать разнообразные микроорганизмы, в том числе и вредных для злаковых растений бактерий. Выходит, злаковые растения, прорастая, выделяют в почву бактерицидные вещества. Ещё более интересно то, что зёрна злаковых культур выделяют и летучие вещества, убивающие микробов.

Поместим в стеклянную чашечку увлажнённые зёрна ячменя. Накроем её чашкой Петри, в которой имеется тонкий прозрачный слой питательного агара с посевом тех или иных бактерий. Мы можем выяснить, не выделяют ли зёрна ячменя летучие вещества, повреждающие микробов. Чтобы не ошибиться, лучше иметь контроль. Поместим теперь наши установки в хорошие для бактерий температурные условия. Пройдут сутки, и мы увидим, что в контрольной чашке происходил равномерный, по всей поверхности агара, рост бактерий. В то же время в опытной чашке под влиянием ядовитых для микробов летучих веществ, выделяемых зёрнами ячменя, многие бактерии оказались убитыми и поэтому образовалась зона без бактерий.

По краям чашки с агаром происходил рост бактерий, а в центре, то есть в том месте, которое особенно подвергалось «бомбардировке» летучими веществами, выделяемыми зёрнами ячменя, роста бактерий не было. Эти вещества, как выяснилось в дополнительных опытах, не только препятствуют росту микробов, но и разрушают их, растворяют, или, как говорят, лизируют. Есть над чем задуматься учёным и практикам! Сколько ещё тайн хранит природа, сколько ещё сил растений и животных, выработанных естественным путём в ходе эволюции, не использовало человечество!

Итак, даже и неповреждённые растения выделяют в воздух или в почву летучие вещества, убивающие микробов, но, как правило, в значительно меньшем количестве, чем раненые растения.

Но ведь совершенно неповреждённых растений в природе, в сущности, никогда не бывает, и не так-то легко, как это может показаться, иметь для опытов неповреждённый растительный материал.

Ветер бьёт листья, ветки ударяются друг о друга, нанося раны, которые не видны простым глазом; листья могут опадать, ветки могут ломаться. Ранят листья и насекомые, и птицы. Если в тканях растений размножаются паразитические грибки или бактерии, это тоже вызывает своеобразные ранения. Точные исследования показывают, что даже ползание насекомых по листу вызывает некоторые повреждения. Если же учесть и другие возможности ранений в природе, нетрудно убедиться, какое огромное количество летучих веществ выделяется в атмосферу растениями только при ранении их. Вспомним, какую колоссальную поверхность имеют десятки тысяч листьев, скажем, многолетнего дуба или сотни тысяч, даже миллионы, игл сосны.

Специальными исследованиями доказано, что единичный экземпляр древовидного можжевельника может выделить за один день 30 граммов летучих веществ. Один гектар можжевелового леса может выделить в атмосферу 30 килограммов летучих веществ! Мы можем лишь догадываться о количестве летучих веществ, выделяемых в хвойных и лиственных лесах, на лугах, в степях.

Рис.9. Неопалимая купина.

В дальнейшем мы будем говорить о том, почему в ходе развития растительного мира выработались такие любопытные свойства летучих веществ и тканевых соков растений, какую роль эти вещества играют в природе.

Эти вещества не случайны, они имеют значение для жизни самих растений и наряду со многими другими свойствами растений защищают их от вредных бактерий, грибков, простейших организмов и тех или иных многоклеточных организмов, особенно насекомых. Таким образом, вещества эти, будучи разнообразной химической природы у разных растений, обладают общим свойством: они создают невосприимчивость, или, как говорят, природный иммунитет, растений к различным заразным болезням.

Эти вещества названы фитонцидами5.

Название означает, во-первых, что эти вещества растительного происхождения («фитон» — растение), а во-вторых, что они обладают свойством убивать другие организмы (указывает частичка «циды»). Однако термин ничего не говорит ни о роли в природе открытых веществ, ни о разнообразном применении фитонцидов в практике. Наука обнаружила, кроме того, что летучие фитонциды могут стимулировать рост и размножение тех или иных микроорганизмов.

В биологии, как правило, нет названий, которые бы долгое время отражали содержание открытого в природе явления, так как в ходе развития новой проблемы содержание термина дополняется, изменяется. Например, что может быть более неправильного, чем названия «клетка» (растительного или животного организма) или «витамины»?

Летучие фитонциды впервые обнаружены в природе в 1928—1930 годах. Справедливость требует отметить, что помимо автора этой книги пионерами исследований в области фитонцидов явились А.Г. Филатова и А.Е. Тебякина, которые под моим руководством убедительно доказали мощные бактериоубивающие свойства фитонцидов пищевых растений в отношении болезнетворных для человека бактерий.

Проблема фитонцидов стала достоянием науки, и ею занимаются многие специалисты в разных городах нашей страны. Иностранные учёные, в особенности американцы, англичане и австралийцы, открывают фитонциды различных растений, однако они большей частью замалчивают первенство русской науки в этой новой проблеме и дают фитонцидам неправильное название «антибиотики», что значит «противожизненные вещества». Да, фитонциды любого растения губительны для соответствующих организмов, но они имеют большое жизненное значение для самих растений. А об этом не говорит термин «антибиотики», так же как он ничего не говорит о растительной природе этих веществ. «Противожизненными» веществами являются, например, серная кислота, цианистый калий. Значит, и они антибиотики? Но слово «антибиотик» вошло прочно в медицинскую науку и фармакопею. Как-то получилось без особой сговорённости между учёными, что лекарственные фитонцидные препараты, получаемые из бактерий, грибков, называют антибиотиками, а когда речь заходит о высших растениях, почти всегда дают правильное название — «фитонциды».

Только приходится всегда помнить о том, что фитонциды любого растения обладают антибиотическими свойствами, но далеко не всякий антибиотик является фитонцидом, то есть играет защитную для растения роль в борьбе против микроорганизмов и вредных для него многоклеточных организмов.

Красочен и разнообразен растительный мир! Нам известны сотни тысяч видов, разновидностей, сортов растений, и все они обладают фитонцидными свойствами. Это явление характерно для растительного мира в целом. Одни растения вырабатывают преимущественно сильно летучие фитонциды, другие — малолетучие; фитонциды разных растений имеют неодинаковую мощность, различен и их химический состав. Фитонциды одних растений обладают бактерицидными свойствами, то есть могут убивать бактерии. Фитонциды других растений обладают бактериостатическими свойствами, то есть не убивают, а только задерживают рост и размножение микроорганизмов.

gigabaza.ru

О чем пахнут растения?

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Запах корицы и яблок — бабушкин пирог, запах хвои и мандаринов — Новый год, сладкий дурман черемухи — весна... Каждый читатель наверняка сможет добавить к этому списку длинный ряд своих собственных ассоциаций. Многообразие растительных ароматов, созданных природой, кажется неисчерпаемым, многие из них абсолютно уникальны. Для обозначения таких веществ, которые не принимают непосредственного участия в росте, развитии и репродукции отдельных клеток, более 200 лет назад был предложен термин «вторичные метаболиты». Несмотря на несколько неуважительное название, вещества эти выполняют важную роль в жизни растения в целом, участвуют во взаимодействии растений друг с другом и с окружающей средой. К настоящему моменту идентифицировано более 100 000 таких веществ, многие из которых являются легколетучими, и люди воспринимают их как запах растения. В этой статье я хочу рассказать о некоторых особенностях пахучих растений, немного о том, как изучают биосинтез летучих вторичных метаболитов, а также о перспективах применения этих знаний на практике.

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2017.

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Растительные ароматы давно и прочно вошли в человеческий обиход. Запахом любая смесь летучих веществ становится только тогда, когда воздействует на органы обоняния. Активно ведут исследования о способе, которым смесь химических веществ передает в мозг сигналы о характере запаха [1], [2], [3]. И хотя тайна запаха открыта еще не полностью, на практике человечество уже давно и широко использует растительные ароматы. Kосметика и парфюмерия, кулинария и бытовая химия эксплуатируют обонятельную способность человека и используют приятные для человеческого носа запахи, чтобы увеличить спрос на свою продукцию. Древние люди приписывали определенным запахам магическую или целебную силу, их использовали шаманы и жрецы. Сегодня ароматерапия из древнего искусства постепенно, но уверенно превращается в науку и внедряется в современную медицину [4]. Вкусовое восприятие пищи у человека на 90% зависит от обоняния [5]. Поэтому растения, обладающие приятным для человека запахом, пользуются спросом, и давно уже стали объектом пристального внимания ученых, которые пытаются разобраться и научиться управлять процессами биосинтеза летучих веществ.

Людям свойственно обращать внимание на аромат цветов, однако молекулы запаха синтезируются клетками, которые могут находиться не только в различных частях цветка и плода, но также и в листьях, корне и стебле. У многих растений из эпителиальных клеток развиваются трихомы — специализированные органы, синтезирующие и секретирующие различные вторичные метаболиты.

Что такое трихомы и какие они бывают

Трихомами (от греческого слова τριχωμα (trichōma) — волос) называют специализированные поверхностные органы или структуры, представляющие собой выступы на поверхности листьев, стеблей и других частей растения.

Большинство людей, в том числе и те, кто никогда не интересовался ботаникой, на самом деле близко знакомы с трихомами, хотя возможно и не подозревают об этом. В самом деле, найдется ли хотя бы один человек, которого никогда в жизни не жалила крапива, или такой, кому никогда не приходилось вытаскивать репейники из волос или шерсти домашних питомцев, или такой, кто никогда не ощущал запаха трав, таких как полынь, мята, базилик или орегано? И всё это — результат взаимодействия человека с трихомами растений.

Структура и внешний вид трихом могут быть весьма разнообразными, однако все они разделяются на две основные группы: несекретирующие (рис. 1а) и секретирующие (рис. 1б).

Рисунок 1а. Схематическое изображение несекретирующих трихом: одноклеточные (а, б) и многоклеточные (в–е).

Рисунок 1б. Схематическое изображение секретирующих трихом: одноклеточные (а) и многоклеточные (б–г). Отдельно в оранжевом круге показаны трихомы крапивы. Их защитный колпачок при прикосновении обламывается и обнажает острый конец стрекательной клетки.

На одних растениях как секретирующие, так и несекретирующие трихомы соседствуют друг с другом, поверхность же других покрыта трихомами только одного типа. Встречаются также трихомы, специфичные для определенных частей растения, например длинные шелковистые волокна, покрывающие семена хлопка — это несекретирующие трихомы.

Несекретирующие трихомы — какие они?

Многообразие форм несекретирующих трихом связано с разнообразием их функций. Вот наиболее характерные варианты таких трихом [6]:

1. Иголки (needle-like) — характерны в первую очередь для кактусов. Уменьшают испарение воды с поверхности, а также способны задерживать и конденсировать влагу из тумана. Обеспечивают механическую защиту растения от вредителей.
2. Крючки (hook-like) — наиболее характерны для представителей семейства мареновых (подмаренник цепкий — практически вездесущий сорняк, прилипающий к одежде всем стеблем именно за счет крючкообразных трихом, которые густо покрывают его листья, стебли, а также и плоды (рис. 2)). В данном случае функция трихом не только в том, что плоды прилипают к шкуре животных и так переносятся на значительные расстояния, но также и в том, что подмаренник может «прилипать» к другим растениям, получая преимущество в борьбе за «место под солнцем». Колючки также могут защищать растение от насекомых-вредителей и повреждать яйца, откладываемые насекомыми на его поверхности. Интересный факт, что трихомы-крючки всем известного репейника — соцветия лопуха (Arcticum), — явились прообразом застежки-липучки (Velcro).

Рисунок 2. Электронная микрофотография плода подмаренника цепкого (а) и увеличенное изображение отдельной трихомы (б). На рисунке б показан отрезок 20 мкм.

3. Чешуйки (foliar-like) — характерны для испанского мха (Tillandsiausneoides) и обладают способностью поглощать из атмосферы воду, а также тяжелые металлы и многие другие вещества, загрязняющие воздух.
4. Антенны (аntenna-like) — характерны для арабидопсиса (рис. 3). Возможно, что эти трихомы работают как механосенсоры и передают сигнал, который получают при прикосновении к ним насекомых, вызывая у растения определенную защитную реакцию. Кроме того, они участвуют в теплопередаче, увеличивая поверхность листа, и таким образом защищают растение в целом от перегрева при повышении температуры окружающей среды. На трихомах арабидопсиса подробно изучены механизмы инициации и развития трихом.

Рисунок 3. Электронная микрофотография листьев арабидопсиса (а) и увеличенное изображение отдельной трихомы (б). На рисунке б показан отрезок 50 мкм.

Мини-фабрики по производству запаха

Секретирующие трихомы способны синтезировать большие количества таких метаболитов, которые не синтезируются больше нигде в данном растении. Такие трихомы представляют собой фактически специализированные фабрики по производству вторичных метаболитов, к которым относятся и летучие вещества. Молекулы, которые мы воспринимаем как ароматы пряных трав: базилика, мяты, лаванды, орегано, тимьяна, синтезируются именно в секреторных трихомах, расположенных на стеблях и листьях (рис. 4).

Рисунок 4. Электронные микрофотографии трихом. а и б — Трихомы на поверхности базилика (а — лист, б — чашелистик). в и г — Лист полыни (г — большее увеличение). На листе полыни видны не только секретирующие, но и несекретирующие трихомы — антенны.

Летучие вещества служат самим растениям для привлечения насекомых-опылителей. Многие из них синтезируются в ответ на повреждение растения и токсичны для патогенных бактерий, грибов и других вредителей. Известны также вещества, которые могут подавлять рост соседних растений. В плодах вторичные метаболиты играют роль консервантов и, кроме того, являются сигналом (вкус, цвет, запах) для животных, употребляющих данные плоды в пищу и осуществляющих таким образом распространение семян. Некоторые специфические вещества растения синтезируют в ответ на стресс — например, в условиях засухи или повышенного содержания в почве солей [7].

Чем интересны секретирующие трихомы? Прежде всего тем, что многие вторичные метаболиты, синтезируемые именно трихомами, оказались востребованы человеком (это относится не только к летучим компонентам!). Хотя секретирующие трихомы широко распространены в растительном царстве, на данный момент наиболее активно изучают биохимические процессы, происходящие в трихомах растений из двух семейств: паслёновых (к которым относятся помидоры, перцы, табак, картофель, баклажаны) и яснотковых, или губоцветных (к которым относятся пряные травы, например мята, базилик, розмарин и другие). Этот выбор продиктован не только тем, что эти растения представляют интерес для сельского хозяйства, но и тем, что для трихом паслёновых и губоцветных характерен широкий спектр синтезируемых вторичных метаболитов.

Многоклеточные секретирующие трихомы, которые имеют «ножку» (stalk, см. рисунок 1б б и г), легко собрать с растения и проанализировать их содержимое. Самый простой способ соскрести такие трихомы с поверхности — это заморозить стебли в жидком азоте, а затем сильно потрясти. При этом ножки трихом обламываются, а сами трихомы прилипают к стенкам пробирки. Так можно получить достаточно материала для изучения транскриптома, характерного для трихом, а также проанализировать их биохимический состав. Обычно клетки, из которых состоят трихомы, содержат очень мало или вообще не содержат хлорофилла. Анализ транскриптома трихом показал, что в их клетках активен только биосинтез тех первичных метаболитов, что представляют собой источник энергии и являются предшественниками тех вторичных метаболитов, на биосинтезе которых специализируются данные трихомы и которые чаще всего не синтезируются ни в каких других частях растения [8].

Химический состав запаха

Несмотря на все разнообразие растительных летучих веществ, по биохимическому строению большинство их можно отнести к нескольким основным группам: терпены, фенилпропаноиды/бензеноиды и производные жирных кислот.

Терпены

Терпены являются производными изопрена (C5) и в зависимости от количества изопреновых звеньев подразделяются на С10 моно-, С20 ди- (гиббереллины), C30 три- (прекурсоры стероидов), С15 сескви- и С40 тетратерпены (каротиноиды), а также политерпены, из которых состоит натуральная резина. Всего известно более 55 тыс. терпенов, более половины которых обнаружены в растениях. Не все терпены летучи, и в формировании запаха участвуют, в основном, моно-, ди- и сесквитерпены. Большинство растительных терпенов — вторичные метаболиты, но терпены гиббереллин и абсцизовая кислота — фитогормоны и относятся к первичным метаболитам. Предшественником всех растительных терпенов является изопентенилдифосфат (IPP, или DMAPP), который синтезируется как в цитоплазме, так и в пластидах (рис. 5).

Рисунок 5. Схема биосинтеза терпенов.

Биосинтез различных летучих и нелетучих терпенов весьма характерен для трихом. Летучий монотерпен ментол синтезируется в секретирующих трихомах мяты (Mentha piperita) и придает мяте характерные мятные вкус и аромат. Чешуйчатые трихомы базилика способны синтезировать широкий спектр монотерпенов и сесквитерпенов. Однако в результате селекции базилика некоторые его сорта изменились настолько, что синтезируют всего один-единственный терпен. Лимонный базилик, например, выделяет гераниол, используя в качестве субстрата геранилдифосфат. Эта реакция катализируется гераниолсинтазой — ферментом, который относится к большому семейству моно-, сескви- и дитерпенсинтаз. Образовавшийся гераниол не просто накапливается в трихомах, но подвергается реакции окисления, а затем кетоенольной таутомеризации, в результате чего превращается в нераль. Смесь гераниола и нераля известна под название цитраль, и именно эта смесь придает данной разновидности базилика «лимонный» запах [8].

Фенилпропаноиды

Фенилпропаноиды (включая и бензеноиды) представляют собой производные аминокислоты фенилаланина и часто синтезируются и секретируются теми же трихомами, которые производят терпены. Например, многие виды базилика кроме терпенов синтезируют также летучие фенилпропаноиды хавикол и эвгенол; последний обладает «гвоздичным» запахом.

В трихомах часто находят и производные фенилпропаноидов, которые в результате модификации перестают быть летучими и секретируются на поверхность растения (например, агликоны флавоноидов найдены в трихомах перечной мяты) [8].

Производные жирных кислот

Эти вещества также выделяются секретирующими трихомами помидоров, табака, петунии и других растений семейства паслёновых, что делает стебли и листья этих растений липкими на ощупь и обеспечивает определенную защиту от насекомых-вредителей (именно эти производные жирных кислот летучими не являются!).

В качестве примера летучей молекулы с таким биохимическим строением можно привести монометил-насыщенную изовалериановую кислоту (3-метилбутановая кислота) СН3—CH(СН3)—СН2—СООН, которая содержится в корне валерианы и вместе с другими компонентами отвечает за «валериановый запах» валерианы (но трихом у валерианы нет, так что за синтез вторичных метаболитов у валерианы отвечают другие клетки!)

Как собрать запах?

Для изучения химического состава запаха используют, в основном, различные хроматографические методы. Особенно часто применяют газовую или жидкостную хроматографии в сочетание с масс-спектрометрией.

Если в Древнем Египте для фиксации запаха использовали методы масляной экстракции, то в современном варианте в качестве растворителя используют спирт, хлороформ и некоторые другие органические вещества. Существенным недостатком полученного экстракта является то, что кроме пахучих веществ в него попадают другие соединения, причем в концентрациях, превышающих концентрации летучих веществ в десятки, а иногда и сотни раз. Анализ такой смеси хроматографическими методами — задача весьма трудная.

Чтобы определить состав запаха, хороши методы, позволяющие уловить и сконцентрировать именно легколетучие вещества — так называемый анализ свободного пространства. Так, например, метод твердофазной микроэкстракции (SPME) использует свойство некоторых полимеров поглощать запахи. Тонкий стержень из такого полимерного материала (рис. 6а и 6в) помещают в плотно закрытый сосуд вместе с растением и выдерживают 10–30 мин (желательно помещать в сосуд все растение, поскольку срезание листа или цветка является стрессом, и состав выделяемых веществ может измениться даже за короткое время инкубации). Затем стержень вынимают и помещают в инжектор хроматографической колонки, где нагревают до температуры 200–250 °С. При нагреве адсорбированные полимером молекулы высвобождаются и попадают в колонку, где тем или иным способом подвергаются фракционированию (рис. 6д). Метод этот хорош своей высокой чувствительностью, а также быстротой и простотой использования. Однако есть у него и определенные недостатки: из-за избирательности процесса адсорбции нельзя судить о количествах компонентов в анализируемой смеси; кроме того, на полимер могут адсорбироваться и совсем посторонние молекулы, например те, которые находились в помещении, где проводили анализ [9].

Рисунок 6. Метод твердофазной микроэкстракции. а — SPME-стержень. Разные цвета колпачков — разные полимерные материалы и толщина сердечников. б — Лист табака и формула молекулы гермакрена Д. в — В плотно закрытый сосуд с растительным образцом вставлен SPME-стержень, на который абсорбируются летучие молекулы. д — Результат фракционирования смеси, которая попала в масс-спектрометр с колонки SPME.

Название другого метода переводится с английского как «ловушка» (trapping). Метод заключается в том, что растение или какую-то его часть помещают в закрытый сосуд, через который с помощью насоса медленно прокачивают воздух (рис. 7). Подача воздуха осуществляют через фильтр. Запах адсорбируется на другом фильтре, который находится на выходе из сосуда. Для сбора запаха используют специальные полимеры. После окончания эксперимента полимер промывают растворителем (например гексаном) и таким образом получают «экстракт чистого запаха». Этот метод позволяет судить не только о качественном, но и о количественном составе запаха, а также сравнивать состав запахов, выделяемых одним и тем же растением в различные промежутки времени (например днем и ночью).

Рисунок 7. Так устроена ловушка для сбора запаха арабидопсиса.

Генно-модифицированный запах — настоящее и будущее?

Польза и вред генетически модифицированных растений неоднократно обсуждались на «Биомолекуле» [12], [13], [14], [15]. Как наиболее эффективно использовать способность растений синтезировать уникальные вещества, летучие и нелетучие, которые, хотя и названы вторичными метаболитами, во многих случаях способны исполнять ведущую партию в пьесе о будущем человечества?

Человек модифицирует растения с тех самых пор, как впервые начал их культивировать. В сельском хозяйстве с незапамятных времен используют отбор и селекцию для выведения сортов с определенными свойствами. Однако зачастую улучшение коммерческих качеств плодов (размер, равномерное созревание, привлекательный цвет) или цветов (удлинение времени жизни при срезании) приводит к ухудшению вкуса и потере естественного запаха, что отрицательно сказывается на количестве потребителей.

Ухудшение вкуса и аромата поступающих на потребительский рынок помидоров оказалось настолько коммерчески важной проблемой, что на ее изучение было выделено весьма значительное финансирование. Ученые из семи научных лабораторий Америки, Китая и Израиля объединились для исследования причин, по которым в процессе селекции томатов значительно изменился их «профиль пахучих веществ». Провели сравнительный геномный анализ почти 400 различных сортов помидоров, а также их диких предков, и параллельно выявили химические компоненты, которые ассоциировались у людей с наиболее привлекательным запахом и вкусом. В результате этого широкомасштабного исследования появился список мутаций, меняющих вкус и запах помидоров. Из них около 20 достойны пристального внимания, и могут стать целями приложения селекционных усилий для создания ароматных и сладких помидоров [16], [17].

У многих декоративных цветов в процессе селекции пропал характерный для них аромат. Например, садовые розы (Rosa hybrida) обладают приятным запахом, химический состав которого включает весь спектр растительных летучих веществ: терпены, фенилпропаноиды и производные жирных кислот. Однако, большинство сортов, предназначенных для срезания и долго сохраняющие свежесть в виде букетов в вазе, практически утратили классический «розовый аромат». К сожалению, в этом случае розам повезло значительно меньше, чем помидорам, и для них не существует программы полного секвенирования генома, а также отсутствуют надежные методы трансформации, что значительно осложняет любые направленные манипуляции с геномом. В результате частичного секвенирования транскриптома роз удалось идентифицировать некоторое количество генов, кодирующих ферменты биосинтеза летучих веществ [18], [19]. Тем не менее до недавнего времени не было понятно, например, как именно в розах происходит биосинтез гераниола и других монотерпенов, которые представляют собой основную составляющую характерного для роз аромата, и только в 2015 году удалось проследить путь биосинтеза гераниола у роз [20]. Так что мечта о возвращении розам их чудесного запаха [9] до сих пор не осуществилась на практике, да и вообще трансгенных роз существует совсем мало (известна трансгенная голубая роза, в которую удалось вставить ген фиалки, ответственный за биосинтез дефинидина — антоцианина, придающего цветкам синий или фиолетовый цвет [21]).

Известны примеры успешного воздействия на состав запаха одних растений с использованием генов других растений. Сверхэкспрессия клубничной линалоол/неридолсинтазы в пластидах трансгенного арабидопсиса, позволила получить растение, выделяющее большое количество линалоола и таким образом отпугивающее вредителей архид (Mysus persicae) [11]. При избыточной экспрессии в петунии гена, клонированного из роз — ацетилтрансферазы (фермента, преобразующего спирт в ацетат), — изменилось содержание летучих ацетатов, выделяемых трансформированными растениями [22]. Существуют и случаи несколько непредвиденных превращений летучих молекул, при трансформации растений генами из растений с другим «молекулярным контекстом». Монотерпен линалоол образуется из изопрена под действием фермента линалоолмонотерпенсинтазы и является одним из важных компонентов запаха. Внедрение в геном петунии гена линалоолмонотерпенсинтазы из кларкии (Clarkia) не привело к изменению содержания линалоола, выделяемого трансгенным растением. Оказалось, что линалоол в петунии образуется, но претерпевает реакцию гликозилирования, а гликозилированный линалоол не является летучим [23]. В запахе гвоздики, трансформированной тем же геном, количество линалоола повысилось и составило 10% от общего количества выделяемых летучих веществ [24]. То же произошло и с геном сесквитерпенсинтазы гермакрена Д, клонированным из роз и трансформированным в петунию. В цветках петунии дикого типа присутствует природный гермакрен Д, что подтверждает наличие необходимого субстрата. Однако у трансформированных растений не обнаружили значимого увеличения концентрации выделяемого гермакрена Д [18].

Манипуляции с запахом могут послужить не только для непосредственного удовольствия человека в виде вкусных помидоров и ароматных цветов. Защиту сельскохозяйственных растений от вредителей можно будет в будущем поручить растениям со специально подобранным запахом. В ответ на появление вредителей некоторые растения выделяют смесь различных веществ, которая может состоять из более чем 200 различных компонентов. Эти вещества могут отравлять, отпугивать и сдерживать насекомых-вредителей, а также привлекать энтомофагов (насекомых, которые уничтожают вредителей). Эти данные позволяют надеяться, что воздействуя на спектр летучих соединений культивируемых растений, можно повысить их устойчивость к вредителям без использования дорогостоящих и экологически вредных пестицидов. Причем, вероятно, нет необходимости вводить гены, отвечающие за синтез молекул-реппелентов во всю популяцию культивируемых растений, поскольку именно при участии летучих молекул между растениями осуществляется передача информации, и появление защитных веществ у части растений вызывает соответствующий защитный ответ у соседних с ними особей (рис. 8) [7].

Рисунок 8. Воображаемое поле с растительными «маяками». Несколько трансгенных растений, спроектированных для непрерывного синтеза и выброса защитных сигналов, могут воздействовать на своих нетрансгенных соседей и тем самым увеличивать их способность противостоять атакующим травоядным животным и вредителям.

Но пока такие поля возможны только в мечтах. Из вышеприведенных примеров становится понятно, что воздействовать направленным образом на спектр выделяемых растением летучих веществ не так-то просто. Биосинтез каждого компонента запаха — многоступенчатый процесс, осуществляемый различными ферментами. И даже если удается добиться сверхэкспрессии генов, ответственных за выработку определенного летучего вещества, дальнейшая судьба каждой новой молекулы будет полностью зависеть от общего биохимического контекста растения-реципиента: вместо того, чтобы стать новым летучим компонентом запаха, она может стать субстратом для дальнейших превращений, потерять свою «летучесть» и превратиться во что-то совершенно другое.

Растения начинают и... выигрывают

В заключение хотелось бы привести один весьма показательный, на мой взгляд, пример, как растения «переиграли» микроорганизмы в борьбе за рынок сырья для фармацевтической промышленности.

В 2015 году половина Нобелевской премии по физиологии и медицине была присуждена китайской исследовательнице Юю Ту за разработку лекарства против малярии [25]. Работу по поиску веществ растительного происхождения, обладающих антималярийной активностью провели в Китае еще в 70-х годах 20 века, а к началу 21 века это вещество уже активно использовали для производства лекарственных препаратов против малярии. Вещество это — вторичный метаболит сесквитерпен артемизинин, синтезируется в трихомах растения Artemisia annua, которое является близким родственником нашей полыни. Уже к 2005 году стало понятно, что спрос на лекарства против малярии постоянно увеличивается, но при этом цена его должна оставаться стабильно низкой, поскольку низок и уровень жизни в тех странах, где оно наиболее необходимо. А значит, требуется бесперебойное обеспечение дешевым сырьем фармацевтических фабрик по производству этих препаратов. Казалось бы, наиболее экономически выгодным является синтетическоe и полусинтетическоe производство веществ в трансгенных микроорганизмах. Однако дальнейшее развитие событий доказало, что это не всегда так.

В 2010 году широко рекламировали «один из самых успешных проектов по применению метаболической инженерии — получение артемизинина — наиболее сильного противомалярийного средства» под руководством Джея Кислинга [26]. К 2013 году с использованием самых передовых методов синтетической биологии удалось довести производство артемизиновой кислоты до фантастически высокого значения — 20 г на литр культуры, после чего проект взял под контроль известный фармацевтический гигант Sanofi-Aventis. В проект вложили огромное количество средств. А в результате оказалось, что, несмотря на все усилия, стоимость синтетического артемизинина значительно превышает стоимость его растительного аналога, и в настоящий момент весь необходимый на рынке антималярийный препарат производят на основе растительного артемизинина [27], [28].

Использование растений в качестве биофабрик различных белковых продуктов уже упоминали в статье на «Биомолекуле» [29]. Похоже, что не менее перспективным станет и применение растений для эффективного и экологически безопасного синтеза целого ряда уникальных и полезных для людей веществ, которые называют «вторичными метаболитами растений».

Первая версия этой статьи опубликована в журнале «Биология» [9].

1. Майоров В. (2007). Восприятие запахов. «Наука и жизнь»;
2. Озерников В. (2013). Тайна запаха. «Познавайка»;
3. Эмур Д., Джонстон Д., Бубер М. (2016). Стереохимическая природа запаха. «Познавайка»;
4. Элементы: От обоняния рыб к восстановительной медицине;
5. Элементы: «Жизнь на грани». Глава из книги;
6. Han Liu, Shaobao Liu, Jiaojiao Jiao, Tian Jian Lu, Feng Xu. (2017). Trichomes as a natural biophysical barrier for plants and their bioinspired applications. Soft Matter. 13, 5096-5106;
7. Natalia Dudareva, Eran Pichersky. (2008). Metabolic engineering of plant volatiles. Current Opinion in Biotechnology. 19, 181-189;
8. Anthony L. Schilmiller, Robert L. Last, Eran Pichersky. (2008). Harnessing plant trichome biochemistry for the production of useful compounds. Plant J. 54, 702-711;
9. Гутерман И. (2009). Возрождение запаха. «Биология»;
10. Trine Andersen, Federico Cozzi, Henrik Simonsen. (2015). Optimization of Biochemical Screening Methods for Volatile and Unstable Sesquiterpenoids Using HS-SPME-GC-MS. Chromatography. 2, 277-292;
11. A. Aharoni. (2003). Terpenoid Metabolism in Wild-Type and Transgenic Arabidopsis Plants. THE PLANT CELL ONLINE. 15, 2866-2884;
12. Цисгеномика: новое слово в селекции растений;
13. Игры в демиургов;
14. Еще раз про ГМО;
15. SciNat за январь 2017 #4: нейросеть-дерматолог, органы для мыши, выращенные в крысе, вкусные ГМО-помидоры;
16. Элементы: Генетики поняли, как вернуть помидорам вкус и запах, отнятые селекционерами;
17. Ершов А. (2017). Генетики нашли способ вернуть томатам былой аромат. N+1;
18. I. Guterman. (2002). Rose Scent: Genomics Approach to Discovering Novel Floral Fragrance-Related Genes. Unknown journal title.. 14, 2325-2338;
19. G. Scalliet, F. Piola, C. J. Douady, S. Rety, O. Raymond, et. al.. (2008). Scent evolution in Chinese roses. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 5927-5932;
20. J.-L. Magnard, A. Roccia, J.-C. Caissard, P. Vergne, P. Sun, et. al.. (2015). Biosynthesis of monoterpene scent compounds in roses. Science. 349, 81-83;
21. Y. Katsumoto, M. Fukuchi-Mizutani, Y. Fukui, F. Brugliera, T. A. Holton, et. al.. (2007). Engineering of the Rose Flavonoid Biosynthetic Pathway Successfully Generated Blue-Hued Flowers Accumulating Delphinidin. Plant and Cell Physiology. 48, 1589-1600;
22. Inna Guterman, Tania Masci, Xinlu Chen, Florence Negre, Eran Pichersky, et. al.. (2006). Generation of Phenylpropanoid Pathway-Derived Volatiles in Transgenic Plants: Rose Alcohol Acetyltransferase Produces Phenylethyl Acetate and Benzyl Acetate in Petunia Flowers. Plant Mol Biol. 60, 555-563;
23. Joost Lücker, Harro J. Bouwmeester, Wilfried Schwab, Jan Blaas, Linus H. W. Van Der Plas, Harrie A. Verhoeven. (2001). Expression of Clarkia S-linalool synthase in transgenic petunia plants results in the accumulation of S-linalyl-β-d-glucopyranoside. Unknown journal title.. 27, 315-324;
24. Lavy M., Zuker A., Lewinsohn E., Larkov O., Ravid U., Vainstein A., Weiss D. (2002). Linalool and linalool oxide production in transgenic carnation flowers expressing the Clarkia breweri linalool synthase gene. Molecular Breeding. 2, 103–111;
25. Названы лауреаты Нобелевской премии-2015 по физиологии и медицине;
26. C. J. Paddon, P. J. Westfall, D. J. Pitera, K. Benjamin, K. Fisher, et. al.. (2013). High-level semi-synthetic production of the potent antimalarial artemisinin. Nature. 496, 528-532;
27. Alain Tissier. (2018). Plant secretory structures: more than just reaction bags. Current Opinion in Biotechnology. 49, 73-79;
28. Mark Peplow. (2016). Synthetic biology’s first malaria drug meets market resistance. Nature. 530, 389-390;
29. Растения-биофабрики.

biomolecula.ru

Life science. In progress.: Язык растений: летучие вещества и коммуникация

Давно известно, что растения способны выделять различные летучие вещества. Они привлекают насекомых, участвующих в опылении, обладают антимикробной активностью, они же могут быть едкими, имеющими неприятный запах и служить для отпугивания травоядных животных. Летучие вещества могут оказывать раздражающий эффект на растительноядное животное, повредившее растение и даже привлекать к растению других животных, прежде всего, таких, которые могут уничтожить вредителя (проще говоря, питаются им в естественных условиях). Вирус огуречной мозаики может менять спектр выделяемых летучих веществ, привлекая насекомых, которые являются его переносчиками. Коммуникация, передача сигналов между растениями, тоже может осуществляться с помощью летучих органических веществ. При повреждении растение выделяет летучие соединения, которые, достигая другого растения, позволят ему «подготовиться» к опасности.

lsciinprogress.blogspot.com

Фитонциды — образуемые растениями летучие биологически активные вещества

Иммунная система растений

Фитонциды (от греч. φυτóν — «растение» и лат. caedo — «убиваю») -образуемые растениями биологически активные вещества, убивающие или подавляющие рост и развитие бактерий, микроскопических грибов, простейших. Термин предложен Б.П.Токиным в 1928.

Фитонцидами называют все секретируемые растениями фракции летучих веществ, в том числе те, которые практически невозможно собрать в заметных количествах. Эти фитонциды называют также «нативными антимикробными веществами растений».

Фитонциды — один из факторов естественного иммунитета растений (растения стерилизуют себя продуктами своей жизнедеятельности).

Химическая природа фитонцидов не существенна для их функции, это может быть комплекс соединений, например, терпеноидов, или т.н. вторичных метаболитов. Характерными представителями фитонцидов являются эфирные масла, извлекаемые из растительного сырья промышленными методами.

Действие фитонцидов

Нативные фитонциды играют важную роль в иммунитете растений и во взаимоотношениях организмов в биогеоценозах. Выделение ряда фитонцидов усиливается при повреждении растений.

Летучие фитонциды (ЛАВ) способны оказывать своё действие на расстоянии. Например фитонциды пчелиного прополиса (особенно при нагревании), листьев дуба, эвкалипта, сосны и многих др.

Сила и спектр антимикробного действия фитонцидов весьма разнообразны. Фитонциды чеснока, лука, прополиса, хрена, красного перца убивают многие виды простейших, бактерий и низших грибов в первые минуты и даже секунды.

Летучие фитонциды уничтожают простейших (инфузорий), многих насекомых за короткое время (часы или минуты).

Так, фитонциды пихты убивают коклюшную палочку (возбудителя дизентерии и брюшного тифа); сосновые фитонциды губительны для палочки Коха (возбудителя туберкулёза) и для кишечной палочки; берёза и тополь поражают своими фитонцидами микроб золотистого стафилококка.

Фитонциды багульника и яснеца ядовиты и для человека!

Защитная роль фитонцидов проявляется не только в уничтожении микроорганизмов, но и в подавлении их размножения, в отрицательном хемотаксисе подвижных форм микроорганизмов, в стимулировании жизнедеятельности микроорганизмов, являющихся антагонистами патогенных форм для данного растения, в отпугивании насекомых и т. п.

Гектар соснового бора выделяет в атмосферу около 5 килограммов летучих фитонцидов в сутки, можжевелового леса — около 30 кг/сут, снижая количество микрофлоры в воздухе. Поэтому в хвойных лесах (особенно в молодом сосновом бору) воздух практически стерилен (содержит лишь около 200-300 бактериальных клеток на 1 м²), что представляет интерес для гигиенистов, специалистов по озеленению и др..

Применение фитонцидов

Это НЕОБХОДИМО знать!

Все наиболее ценные для организма компоненты зерна (зародыш, цветочные оболочки, алейроновый слой) под видом "балластных веществ" удаляются из зерна в процессе его промышленной переработки.

Исследования, проводившиеся во всех странах Запада (включая США) с середины 70-ых годов, показывают, что главной причиной, так называемых, "эпидемий 21-го века" (рак, диабет, ожирение, инфаркты, инсульты, остеопороз и пр.) является чрезмерное рафинирование продуктов питания! Но самое страшное, что благодаря "повальному рафинированию", из питания человека исчез основополагающий продукт питания - хлебные злаки!

Знаете ли вы, что:

stgetman.narod.ru

• 
  Организм растения единое целое
• 
  Зомби против растений torrent
• 
  Пальма название домашнее растение
• 
  Необычные растения красной книги
• 
  Натюрморт с комнатным растением
• 
  Тест органы растения егэ
• 
  Как высушить быстро растения
• 
  Фуфанон для комнатных растений
• 
  Растение похожее на подсолнух
• 
  Комнатное растение фиалка презентация
• 
  Байкал для комнатных растений