Роль микроэлемента селена в активации биосинтеза фенольных соединений в лекарственных растениях

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-14-00106

НазваниеРоль микроэлемента селена в активации биосинтеза фенольных соединений в лекарственных растениях

Руководитель Скрыпник Любовь Николаевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" , Калининградская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-206 - Физиология и биохимия растений

Ключевые слова селен, гидроксикоричные кислоты, флавоноиды, фенилпропаноиды, лекарственные растения, вторичные метаболиты, фенилаланин-аммиак-лиаза, халконсинтаза, активные формы кислорода, антиоксидантные ферменты

Код ГРНТИ34.31.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В 1957 году селен был отнесен к эссенциальным для человека микроэлементам и, начиная, с этого времени активно изучались различные подходы к оценке обеспеченности этим микроэлементом и путям повышения его количества в рационе до необходимого уровня. К настоящему времени накоплен достаточно большой массив данных, свидетельствующий, что наиболее оптимальным методом такого повышение является биофортификация растений. Анализ данных обзоров и экспериментальных статей показывает, что в настоящее время использование экзогенного селена изучают не только с целью повышения уровня данного микроэлемента в продуктах питания, но и с для улучшения качественных характеристик растений и растительной пищи, в частности за счет повышения содержания в них биологически активных компонентов, которое наблюдается при применении селена. Несмотря на то, что ранее было показано, что при добавлении селена в питательную среду, листовой обработке соединениями селена или включении его в состав удобрений возможно увеличение содержания фенольных соединений (суммарное содержание, содержание отдельных классов или индивидуальных соединений), механизмы, лежащие в основе таких изменений, ранее не изучались. В настоящем проекте предлагается впервые исследовать действие микроэлемента селена на активность ключевых ферментов (фенилаланин-аммиак-лиазы, халконсинтазы) и экспрессию генов ферментов (фенилаланин-аммиак-лиазы, циннамат-4-гидрокислазы, 4-кумарат:КоА-лигазы, халконсинтазы, халконизомеразы, флаванон-3-гидроксилазы, дигидрофлавонол-4-редуктазы, флавонолсинтазы), вовлеченных в биосинтез вторичных метаболитов фенольной природы в лекарственных растениях с учетом оценки параметров окислительного стресса и антиоксидантного статуса (активности антиоксидантных ферментов и содержания низкомолекулярных антиоксидантов). В качестве объектов исследования выбраны лекарственные растения семейства Lamiaceae, которые являются одной из самых популярных и представительных групп растений и находят широкое применение как в традиционной, так и в современной медицине, а также в фармацевтической и пищевой промышленности. Растения этого семейства характеризуются высоким содержанием фенольных соединений, таких как фенолокислоты, гидроксикоричные кислоты (прежде всего, хлорогеновая и розмариновая), флавоноиды, дубильные вещества и др. Фенольные соединения являются одним из важнейших классов природных соединений, с точки зрения медицинского приложения. Считается, что они обладают различными биологически активными эффектами, включая противовирусное, противовоспалительное, кардиопротекторное, антидиабетическое, противораковое, антивозрастное и др. действие. Среди негенетических подходов, направленных на повышение уровня биосинтеза фенольных соединений в растениях, модуляция условий культивирования, в том числе состава и количества элементов минерального питания, является одним из самых эффективных. Влияние экзогенного селена на метаболизм фенольных соединений растений семейства Lamiaceae будет исследовано как в лабораторных условиях при гидропонном способе культивировании, так и на модельных площадках в условиях максимально приближенным к естественным условиям агроэкосистем.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Скрыпник Л.Н.,Федураев П.В., Стыран Т.В., Головин А.В., Кацеров Д.С., Небреева С.А., Масленников П.В. Biomass, Phenolic Compounds, Essential Oil Content, and Antioxidant Properties of Hyssop (Hyssopus officinalis L.) Grown in Hydroponics as Affected by Treatment Type and Selenium Concentration Horticulturae, 8(11), 1037 (год публикации - 2022)
10.3390/horticulturae8111037

2. Скрыпник Л.Н., Федураев П.В., Головин А.В., Масленников П.В., Стыран Т.В., Антипина М.И., Рябова А.В., Кацеров Д.С. The Integral Boosting Effect of Selenium on the Secondary Metabolism of Higher Plants Plants, 11(24), 3432 (год публикации - 2022)
10.3390/plants11243432

3. Скрыпник Л.Н., Небреева С.А., Стыран Т.В., Головин А.В., Масленников П.В., Федураев П.В. Влияние концентрации и способа обработки селеном на содержание макро- и микроэлементов в листьях лофанта анисового (Agastache foeniculum (Pursh) Kuntze) ХимБиоSeasons 2023: Сборник тезисов докладов Всероссийского форума молодых исследователей. Кемерово: Кемеровский государственный университет, ХимБиоSeasons 2023: Сборник тезисов докладов Всероссийского форума молодых исследователей. Кемерово: Кемеровский государственный университет, 2023. – С. 69. (год публикации - 2023)

4. Федураев П.В., Масленников П.В., Стыран Т.В., Скрыпник Л.Н. Влияние селена на биосинтез вторичных метаболитов фенольной природы в растениях душицы обыкновенной (Origanum vulgare L.) Материалы III Международной научной конференции молодых учёных «Современные проблемы экспериментальной ботаники», г. Минск, 25-29 сентября 2023 года – Минск: БелНИИТ «Транстехника», 2023, Современные проблемы экспериментальной ботаники: Сборник материалов III Международной научной конференции молодых учёных. Минск, 2023. – С. 302-306 (год публикации - 2023)

5. Масленников П.В., Федураев П.В., Стыран Т.В., Небреева С.А., Скрыпник Л.Н. Особенности обогащения селеном некоторых растений семейства Яснотковые (Lamiaceae) с целью создания продуктов функционального назначения Актуальная биотехнология, Актуальная биотехнология. 2023. N1. C.19-21 (год публикации - 2023)
10.20914/2304-4691-2023-1-19-21

6. Скрыпник Л.Н., Масленников П.В., Антипина М.И., Кацеров Д.С., Федураев П.В. Comparative Study on the Response of Hyssop (Hyssopus officinalis L.), Salvia (Salvia officinalis L.), and Oregano (Origanum vulgare L.) to Drought Stress Under Foliar Application of Selenium Plants, 13(21), 2986 (год публикации - 2024)
10.3390/plants13212986

7. Скрыпник Л.Н., Федураев П.В., Масленников П.В., Небреева С.А., Головин А.В. Влияние экзогенного селена на качественный и количественный состав свободных аминокислот в побегах иссопа лекарственного (Hyssopus officinalis L.) ХимБиоSeasons 2024: сборник тезисов докладов X юбилейного всероссийского форума молодых исследователей, с. 106 (год публикации - 2024)
10.2603/978-5-8353-3275-5

8. Скрыпник Л.Н., Федураев П.В., Голубкина Н.А., Масленников П.В., Антипина М.И., Кацеров Д.С., Мурариу О.К., Талларита А. В., Карузо Ж. Foliar spraying of selenium in inorganic and organic forms stimulates plant growth and secondary metabolism of sage (Salvia officinalis L.) through alterations in photosynthesis and primary metabolism Scientia Horticulturae, Volume 338, 113633 (год публикации - 2024)
10.1016/j.scienta.2024.113633

9. Скрыпник Л.Н., Федураев П.В., Голубкина Н.А., Масленников П.В., Антипина М.И., Кацеров Д.С., Небреева С.А., Мурариу О.К., Талларита А.В., Карузо Ж. Selenium Improves the Nutritional and Antioxidant Properties of Oregano (Origanum vulgare L.) Grown in Hydroponics Horticulturae, 10, 1320 (год публикации - 2024)
10.3390/horticulturae10121320

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На третьем этапе реализации проекта осуществлена постановка вегетационных опытов с почвенной культурой по выращиванию растений Origanum vulgare L., Hyssopus officinalis L., Agastache foeniculum (Pursh) Kuntze. Селен вносили в почву в виде раствора селената натрия (Na2SeO4) в воде в количестве 0,01 мг, 0,05 мг, 0,1 мг, 0,25 мг и 0,5 мг (в пересчете на кг почвы). На основании проведенных вегетационных экспериментов на несменяемой почве были выявлены концентрации селена, внесение которых в почву, с одной стороны, не оказывало токсического действия на растения, а, с другой, стимулировало накопление вторичных метаболитов фенольной природы: A. foeniculum – 0,05 мг/кг почвы; O. vulgare – 0,01 мг/кг почвы; H. officinalis – 0,1 мг/кг почвы. Далее эти концентрации использовались для расчета количества вносимого селена в почву при постановке экспериментов на модельных площадках. Таким образом, были выбраны следующие дозы вносимого селена: A. foeniculum – 15 мг/м2 почвы (0,15 кг/га); O. vulgare – 3 мг/м2 почвы (0,03 кг/га); H. officinalis – 30 мг/м2 почвы (0,30 кг/га). Проведены эксперименты по выращиванию растений (Origanum vulgare L., Salvia officinalis L., Hyssopus officinalis L., Agastache foeniculum (Pursh) Kuntze) на модельных (пробных) площадках в полевых условиях. Согласно проведенных на первом и втором этапе реализации проекта исследованиям обработка экспериментальных растений селеном проводилась следующим образом: A. foeniculum – селен вносили в почву в дозе 15 мг/м2 и обрабатывали внекорневым способом в концентрации 20 мкМ; O. vulgare – селен вносили в почву в дозе 3 мг/м2; S. officinalis – растения обрабатывали внекорневым способом в концентрации 10 мкМ; H. officinalis – селен вносили в почву в дозе 30 мг/м2 и обрабатывали внекорневым способом в концентрации 20 мкМ. Проведенное исследование не выявило достоверных различий во всех изученных параметрах. Ни стимулирующего, ни токсического действия не наблюдалось вне зависимости от способа применения селена (внесения в почву или внекорневой обработки – путем опрыскивания) и вида растения. Однако показано, что уровень данного микроэлемента в листьях A. foeniculum увеличивался в 6 раз (при внекорневой обработке) и в 9 раз (при внесении селена в почву); в побегах O. vulgare в 11 раз; в листьях S. officinalis в 43 раза; в побегах H. officinalis в 49 раз (при внесении селена в почву) и в 150 раз (при внекорневой обработке) по сравнению с контролем. Содержание селена в экспериментальных растениях составило: A. foeniculum: контроль – 0,063 ± 0,009 мкг/г; внесение Se в почву в дозе 15 мг/м2 – 0,566±0,079 мкг/г; внекорневая обработка, 20 мкМ Se – 0,393±0,091; O. vulgare: контроль – 0,127±0,012 мкг/г; внесение Se в почву в дозе 3 мг/м2 1,439±0,095 мкг/кг; S. officinalis: контроль – 0,031±0,002 мкг/г; внекорневая обработка, 10 мкМ Se –1,319±0,128 мкг/г; H. officinalis: контроль – 0,019 ± 0,004 мкг/г; внесение Se в почву в дозе 30 мг/м2 – 2,996±0,341 мкг/г; внекорневая обработка, 20 мкМ Se – 0,949±0,179 мкг/г. Изучено влияние селена на содержание макро- и микроэлементов в растениях O. vulgare, S. officinalis, H. officinalis и A. foeniculum, при их выращивании на пробных площадках в полевых условиях. Селен стимулирован накопление K в побегах O. vulgare (на 22,8 %), H. officinalis (на 11,7 %) и в листьях S. officinalis (на 13,7 %); Mg – в побегах O. vulgare (на 14,6%) и листьях S. officinalis (на 8,7 %); Mn – в листьях A. foeniculum (на 10,5 %) и побегах O. vulgare (23,6 %); Zn – в побегах H. officinalis (на 24-26%) и листьях A. foeniculum (на 17,1%); Cu – листьях A. foeniculum (на 16,1%). Установлено снижение содержания P в побегах O. vulgare (на 16,7 %) и H. officinalis (на 24,4 %). Установлено, что при выращивании A. foeniculum на модельных площадках внесения селена в почву приводило к снижению суммарного содержания флавоноидов (на 30%) и резкому увеличению содержания гидроксикоричных кислот (на 98%) по сравнению с контрольными растениями. Также выявлено увеличение содержания индивидуальных фенольных кислот: розмариновой в 1,5-2,0 раза и кофейной – в 1,9-2,3 раза. Для преимущественных по содержанию апигенин-7-глюкозида и его производных, напротив, установлено снижение в 1,2-1,3 раза по сравнению с контрольными растениями. Внесение селена в почву при выращивании растений O. vulgare на пробных площадках достоверно не влияло на суммарное содержание фенольных соединений, флавоноидов и гидроксикоричных кислот по сравнению с контрольными растениями. Исследование влияния внекорневой обработки растений S. officinalis селеном при выращивании растений на пробных площадках выявило достоверное увеличение в суммарном содержании фенольных соединений (на 33,9 %), флавоноидов (на 72,4 %) и гидроксикоричных кислот (на 50,1 %) по сравнению с контрольными растениями. Увеличение содержания установлено и для индивидуальных соединений: кофейной кислоты (на 16,9 %), розмариновой кислоты (на 52,5 %), апигенин-7-глюкозида и его производных (на 61,6 %) и лютеолин-7-глюкозида и его производных (на 23,8 %). Внесения селена в почву и внекорневая обработка растений H. officinalis достоверно увеличивали суммарное содержание гидроксикоричных кислот (на 108 % и 62 % соответственно), а также индивидуальных фенольных соединений, в том числе, розмариновой кислоты в 10 раз (при внесении селена в почву) и в 3 раза (при внекорневой обработке) по сравнению с контролем. Исследованные виды растений характеризовались различным содержанием эфирного масла: для A. foeniculum выход составил 1,25-1,67%, O. vulgare – 0,31-0,36 %, S. officinalis – 0,62-0,80 % и H. officinalis – 0,29-0,32 %. При выращивании растений на пробных площадках достоверное увеличение выхода эфирного масла, а также изменения в качественном составе и количественном соотношении отдельных компонентов эфирных масел при обработке растений селеном выявлено только для растений S. officinalis. Разработаны практические рекомендации по применению микроэлемента селена для повышения биологической ценности – улучшению качественного и количественного состава фенольных соединений и эфирного масла лекарственных растений семейства Яснотковые. Представлены рекомендации по способу выращивания, концентрациям, форме и способам обработки селеном растений семейства Яснотковые – Origanum vulgare L., Salvia officinalis L., Hyssopus officinalis L., Agastache foeniculum (Pursh) Kuntze, позволяющие получать растительное сырье с повышенным содержанием в нем биологически активных соединений фенольной природы и эфирного масла.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекты могут быть использовании при выращивании лекарственных и эфиромасличных культур с улучшенными биологическими свойствами – повышенным содержанием фенольных соединений и эфирного масла, которые представляют собой базу для выпуска на предприятиях фармацевтической и пищевой промышленности разнообразных лекарственных средств и высококачественных натуральных продуктов питания. Практическое использование результатов реализации проекта позволит решить один из основных социально-экономических вопросов, решаемых на государственном уровне в Российской Федерации, а именно обеспечение внутренних потребностей с целью импортозамещения препаратов из лекарственного растительного сырья и увеличение экспорта качественной, экологически безопасной готовой продукции.