Біохімія трансгенної картоплі в умовах України

Біохімія трансгенної картоплі в умовах України

МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АГРОНОМІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра захисту рослин

Завідувач кафедрою_____________________

А.К.Мішньов

ДИПЛОМНА РОБОТА

на тему: «Біохімія трансгенної картоплі в умовах

України»

Для одержання кваліфікації спеціаліста

за спеціальністю 7.130105 – Захист рослин»

Виконавець _________________ (Загорулько О.)

Науковий керівник ______________ (Чіванов В.Д.)

Консультант з екологічної

експертизи ________________ (Жатова Г.О.)

Консультант з питань

техніки безпеки _________________ (Шандиба О.Б.)

Суми - 2001

ЗМІСТ

Стор.

Вступ.................................................................

.................................................

1. Огляд літератури…………………………………………………………….

1. Загальна характеристика фізико-хімічних властивостей

глікоалкалоїдів

рослин родини

Solanaceae................................………………………………

1. Глікоалкалоїди рослин картоплі та їх будова………………………….

2. Глікоалкалоїди як токсичні сполуки……………………………………

3. Роль глікоалкалоїдів в явищі імунітета до бактеріальних,

грибкових захворювань і шкідників та їх значення в селекції

нових сортів

картоплі……………………………………………………………………

2. Природні умови

господарства........................................................

..............

3. Методика проведення

досліджень........................................................

......

3. Результати

досліджень........................................................

.........................

4. Охорона

праці.............................................................

..................................

5. Охорона навколишнього

середовища.......................................................

Висновки............................................................

..............................................

Список використаної

літератури..........................................................

.....

ВСТУП

Підвищений “тиск” на організм людини ксенобіотичних сполук природного

та штучного походження обумовлює необхідність поглибленого вивчення таких

сполук, і в першу тих із них, котрі входять до складу найбільш поширених

харчових продуктів, зокрема картоплі. Глікоалкалоїди картоплі являють собою

групу вторинних метаболітів, яким притаманні найрізномантніші види

біологічної активності [ ]. Так, дослідами in vitro доведена здатність

цих сполук спричинювати хромосомні аберації, порушувати цілісність ліпосом

та природніх біомембран тощо [ ]. Останнє свідчить на користь того, що

глікоалкалоїдам притаманна потенційна мутагенна і, можливо, канцерогенна

активність [ ]. Виходячи з наведеного, цілком природньою є підвищена

зацікавленість в дослідженні глікоалкалоїдів з боку фахівців в галузях

медичної токсикології і генетики людини, тим більше, що в останні роки на

світовий ринок виходять нові сорти продовольчої картоплі, отриманої як

шляхом “класичної” селекції за участі дикоростучих видів роду Solanum [

], так і за допомогою генетичної інженерії (New Leaf(, Monsanto, США).

Обидва підходи не виключають біосинтезу в тканинах рослин картоплі, зокрема

бульбах, окрім характерних для культурної картоплі глікоалкалоїдів (-

Соланіну та (-Чаконіну “мінорних” глікоалкалоїдів (солакаулін, соласолін,

соламаргін, деміссін, томатін, лептін І і ІІ, лептінін-І і ІІ тощо), які

ведуть походження з дикоростучих попередників, або синтезуються de novo [

]. Останнім притаманні токсикологічні характеристики, відмінні від добре

відомих аналогічних показників (-Соланіну та (-Чаконіну. Якщо прийняти до

уваги встановлений факт щодо синергетичного багаторазового підсилення

біологічної активності суміші двох різних за хімічною структурою

глікоалкалоїдів [ ], то стає цілком обгрунтованою необхідність

досліджень кількісних та якісних показників глікоалкалоїдів продовольчої

картоплі паралельно з селекцією та молекулярною інженерією, успішність яких

залежить від наявності нових високочутливих методів фізико-хімічного

аналізу. Складність аналізу сумарної фракції глікоалкалоїдів з рослин

картоплі пов’язана, зокрема з тим, що субфракція “мінорних” глікоалкалоїдів

не перевищує за масою 0,5-5% [ ].

Останнім часом в аналізі біомолекул набули широкого розповсюдження

методи м’якоіонізаційної мас-спектрометрії, зокрема плазмено-десорбційна

мас-спектрометрія (PDMS). Зважаючи на це, нами зроблена спроба

проаналізувати фракцію глікоалкалоїдів бульб та квітів картоплі трансгенних

сортів NewLeaf 6 Russet Burbank та NewLeaf 6 Atlantic за допомогою PDMS мас-

спектрометрії. Таким чином, метою наших досліджень був докладний аналіз

глікоалкалоїдів бульб та квітів картоплі трансгенних сортів NewLeaf 6

Russet Burbank та NewLeaf 6 Atlantic новітнім мас-спектрометричним методам.

ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1. Загальна характеристика фізико-хімічних властивостей

глікоалкалоїдів рослин родини Solanaceaе

Рослини картоплi культурних та диких видів мiстять серед численних

органiчних сполук групи вторинних метаболітів глiкоалкалоїди [ ],

найважливiшими з яких є a-соланiн, a-чаконiн, деміссин, лептіни I,II,III,

соламарін, коммерсонін [ ]. Фiзiологiчнi функцii глiкоалкалоїдiв

пов'язанi з явищем стiйкостi рослин картоплі проти фiтопатогенiв i

шкiдникiв [ ]. Крiм того, глiкоалкалоїди беруть безпосередню участь в

бiохiмiчних процесах, які притаманні тканинам листкiв, пагонiв, квiток,

бульб рослин картоплi (цвiтiння, видова сумiснiсть, утворення насiння);

обумовлюють разом з iншими вторинними метаболiтами смаковi якостi та

придатнiсть картоплi для переробки [ ], а також мають певне значення як

токсичні, ембріотропні і канцерогеннi сполуки природнього походження [

]. Зважаючи на це, багато перспективних за врожайнiстю та iншими

господарсько-корисними якостями сортiв картоплi не були рекомендованi для

широкого використання саме завдяки пiдвищеному вмiсту глiкоалкалоїдiв [

]. На думку вiтчизняних та зарубiжних [ ] дослiдникiв, кiлькiснi та якiснi

характеристики глiкоалкалоїдiв нових сортiв i гiбридiв картоплi

заслуговують на поглиблене вивчення. Одним з найважливіших питань,

пов’язаних з біохімією та фізіологією глікоалкалоїдів, яке і досі не

знайшло однозначного вирішення, є встановлення корелятивних зв’язків між

параметрами метаболізму глікоалкалоїдів та ступенем стійкості сортів

картоплі проти шкідників і фітопатогенів [ ]. Іншим дискусійним

питанням є невизначеність зв’язків між кількісним накопиченням

глікоалкалоїдів в тканинах рослин картоплі різних сортів, зокрема бульбах і

умовами вирощування (погодно-кліматичні умови протягом конкретного

вегетаційного сезону, тип грунтів, удобрення тощо), а також умовами

зберігання (температура, освітленість, вологість тощо)[ ]. На думку

провідних вчених дискусійні та суперечливі результати в цьому напрямку

дослідження отримані тому, що, по-перше, на інтенсивність біосинтезу

вторинних метаболітів взагалі і глікоалкалоїдів зокрема, різноспрямовано

впливає велика кількість факторів зовнішнього середовища і це, разом з

підвищеною лабільністю та чутливістю ферментних систем метаболізму

глікоалкалоїдів до зазначених факторів обумовлює суттєві розбіжності, про

які згадувалось вище; і, по-друге, більшість ранніх робіт були проведені

без урахування різноманітності глікоалкалоїдів за хімічною структурою – в

межах цих досліджень визначали тільки їх сумарну кількість ваговим або

колориметричним методами [ ].

Проте, глікоалкалоїди картоплі являють собою досить велику групу

сполук, до складу якої входять «мажорні» (a-соланiн та a-чаконiн у

культурних видів картоплі) і численні «мінорні» (b-соламарін, деміссидін,

5b-соланідан-3a-ол, томатіденол) компоненти. Крім того, тканини рослин

картоплі містять спеціалізовані ферментні системи, які модифікують інтактні

молекули глікоалкалоїдів з утворенням численних проміжних сполук,

фізіологічна роль яких вичерпно не з’ясована (b-соланін, b-чаконін, g-

соланін, g-чаконін тощо)[ ]. Таким чином, дослідження статичних і

динамічних кількісних та якісних параметрів глікоалкалоїдів рослин картоплі

різних сортів в процесах вирощування в умовах конкретних кліматичних зон,

зберігання та переробки, а також під впливом фітопатогенів, мають певні

перспективи за умов використання з метою аналізу цих сполук нових

високоінформативних фізико-хімічних методів досліджень [ ]. В

Сумському ДАУ та Інституті прикладної фізики НАНУ (м.Суми) в 1994-2000 рр.

в межах проекту «М’якоіонізаційна мас-спектрометрія в агробіології» провели

цикл досліджень глiкоалкалоїдів рослин картоплi за допомогою новiтнього

фiзико-хiмiчного методу аналізу полярних, термолабільних, нелетючих

органiчних сполук – плазмено-десорбційної часопрольотної плазмено-

десорбцiйної мас-спектрометрiї з iонiзацiєю уламками подiлу 252Cf (МС-

ПДМС)[ ].

Алкалоїди являють собой велику групу рослинних речовин різного

хімічного складу, яким притаманна специфічна дія на організм ссавців та

людини. Алкалоїди є азотовміськими гетероциклічними сполуками, що містять в

своєму складі атом азоту. Загальною властивостю даної групи речовин є їх

надзвичайно сильна фізиологічна дія на організм тварин та людей. Більшість

алкалоїдів діють на нервову систему: в невеликих дозах здійснюють

збуджуючий вплив, в великих - пригнічують, а в ще більших є сильнодіючими

отрутами [ ]. Фізіологічне значення алкалоїдів в життєдіяльності самих

рослин досі не з`ясовано. До цього часу не вдалося ще з великою

достовірностю показати місце алкалоїдів в життєво важливих процесах обміну

речовин, з іншого боку немає неспростовних доказів того, що алкалоїдоносні

види рослин можуть існувати без алкалоїдів [ ].

В ряді робіт відзначається вплив алкалоїдів на обмін речовин у рослин,

виникнення квітів, формування органел та органів рослин, ріст клітин, поділ

ядер і т.д. Було доведено, що алкалоїди в клітинах рослин якимось чином

ізольовані від внутрішнього середовища клітини. Так, розчини нікотину,

нанесені на рослинні тканини табаку, чинять всебічну негативну

фітотоксичну дію навіть при концентрації, рівній їх концентрації в

тканинах. Доведено, що високий вміст алкалоїдів часто пов`язаний зі

зниженням сили росту рослин. Інакше кажучи, у рослин в період вегетації та

спокою існує тісний взаємозв`язок: «білковий азот - алкалоїди». Цими

причинами, на думку Горяєва, пояснюється зміна складу алкалоїдів, а в

деяких випадках і їх повна відсутність в тканинах алкалоїдних рослин

(Solsola richteri. Girgensonia Oppositiflora. Anabasis turkestanika) [

].

1.1. 1. Глікоалкалоїди рослин картоплі та їх будова.

Глікоалкалоїди, які містяться в бульбах картоплі, раніше називали

загальним терміном «соланін». В наш час встановлено, що так званий

«соланін» являє собою суміш якнайменше 6 різних глікозідних сполук: ?-, ?-

, ?-соланіна та ?-, ?-, ?-чаконіна. Ці сполуки мають один і той же аглікон

(«корове ядро») – соланідин і відрізняються між собою складом глікозидного

ланцюжка (Рис.1). Трисахаріди - ?-соланін і ?-чаконін є основними формами і

складають в тканинах картоплі біля 95% усієї суми глікоалкалоїдів групи

соланіна [ ]. Крім ?-, ?-, ?-соланіна та ?-, ?-, ?-чаконіна, відомі

інші глікоалкалоїди пасльонових: солакаулін, соласолін, соламаргін,

демісін, томатін, лептін, лептінін-1, лептінін-2 та інші. Всі

гликоалкалоїди складаються з двох основних складових, виникаючих при

кислотному гідролізі цих речовин – аглікона, який і є власне «алкалоїдом»,

і декількох моносахарів, які знаходяться в молекулі глікоалкалоїда в

вигляді глікозідного ланцюга, зв`язаного з агліконом [ ].

Глікоалкалоїди культурної та дікої картоплі (Solanum) можна систематизувати

в окремі групи. До групи соланідіна відносяться: ?-, ?-, ?-соланін та ?-, ?-

, ?-чаконін, солакаулін і глікоалкалоїд, виділений з групи Akaulia. Іншу

групу алкалоїдів складають сполуки, агліконом яких є соласодін. Сюди

входять соласонін і соламаргін. Соласонін і соламаргін є основними

алкалоїдами Solanum nigrum, Solanum laciniatum більшості інших видів

Solanum

[ ].

Соласодамін знайдений в листках Solanum auriculatum і Solanum

magrinatum. В групу, яка містить в якості аглікона демісідін, входить

демісин, знайдений у Solanum demissum і глікоалкалоїд, виділений із Solanum

polyadenium. Лептіни – глікоалкалоїди,

Рис.1. Хімічна структура агліконів, знайдених в рослинах картоплі [

].

знайдені Куном і Левом, виявлені у Solanum chacoense. Групи Eutuberosa,

Andigena, і Commersonia містять тільки - соланін, ці види містять також

чаконін. Ці два глікоалкалоїди зустрічаються завжди разом, що доведено

хроматографічними дослідженнями. Демісин присутній в рослинах групи Demissa

і Acaulia, за виключенням Solanum acaulia, в складі якого знайдено

солакаулін. Демісин знайдений також у Solanum jamesii. У форм, які не дають

бульб, крім (-соланіна, який і тут частіше всього зустрічається, найбільшу

групу складають форми, які містять томатін. І тільки єдина форма Solanum

poliadenium, яка створює бульби, містить томатін. Інші алкалоїди

зустрічаються тільки в деяких форм, нприклад, соласодамін – у Solanum

sodomaneum i Slanum aviculare.

Всі алкалоїди картоплі належать до стероїдної групи похідних

циклопентанопергідрофенантрена і складаються з алкалоїда (аглікона) та

цукру, зв’язаного з ним глікозідним зв’язком. Аглікон має стероїдну будову,

містить атоми азоту, який утворює третинну або вторинну аміногрупу.

Прикладом першого типу являється соланідін, другого-томатідін і соласодін.

Глікозідна частина являє собою моно-, ді-, три-, і тетрасахаріди; до їх

складу може входити глюкоза (Glu), галактоза (Gal), рамноза (Rha) і ксілоза

(Xyl). Наприклад, (-соланін складається з аглікона-соланідіна і

трисахаріда, який при гідролізі кислотою розпадається на галактозу, глюкозу

і рамнозу. Соланін має розгалужений сахарний ланцюжок: безпосередньо з

агліконом зв`язана галактоза, а глюкоза і рамноза складають бокові ланцюги.

Подібну будову мають глікозідні частини глікоалкалоїдів демісіну, томатіну,

(-чаконіну, соласодіну і соламаргіну [ ].

Під впливом гідролізу глікоалкалоїди розпадаються на цукор і аглікон,

фізичні і хімічні властивості якого і вказують на велику схожість його зі

стероїдами. Стероїди утворюють різноманітну групу важливих природних

речовин. Сюди відносяться стеріни, жовчні кислоти, гормони розмноження,

вітаміни групи Д, глікозиди, різні алкалоїди і інші речовини. Базовою

структурою усіх стероїдів є стеран (циклопентанопергідрофенантрен).

До класу стероїдів належать також фітостерини: сіто-, стігма-, і

кампестерін, холестерін, ергостерін, жовчні кислоти.

Сполуки стероїдів з сахаром належать до групи глікозідів. В цю групу,

крім глікоалкалоідів, входять «сердечні глікозіди», які містяться в деяких

рослинах із родини Strophanthus і Digitalis. Стероїдні саконіни також

являють собою глікозіди агліконів, котрі э похідними

циклопентанопергідрофенантрена. Сапоніни не містять в своєму складі атом

азоту [ ].

Одним з доказів схожості аглікона глікоалкалоідів зі стероїдами є те,

що їх можливо перетворити в метилциклофенантрен. Ця сполука синтезується

тим же шляхом із стероїдів. При третьому атомі вуглецю аглікона знаходиться

група, яка може сполучатися глікозідно з моносахаридами. Остаточно

стероїдну будову аглікона вдалося довести, коли похідне аглікона отримали з

відомих стероїдів і, навпаки, похідні стероїдів- із аглікона

глікоалкалоїдів; наприклад, із безазотної речовини криптогеніна -

соласодін, із соласодіна - стероїдний сапогенін - діосгенін. Веліка

схожість з сапонінами виявляється і в будові сахарної частини

глікоалкалоідів. Загальною властивістю сапонинів і глікоалкалоідів

являється їх гемолітична дія [ ].

Таким чином, основними глікоалкалоїдами культурної картоплі є (-

соланін та (-чаконін. Всі глікоалкалоїди різних видів картоплі складаються

з двох основних частин: аглікона (алкалоїда), який має стероїдну будову, і

молекули сахару, в склад якої входять моно-, ді-, три-, або тетрасахариди.

1.1.2. Глікоалкалоїди як токсичні сполуки

Глікоалкалоїди соланін та чаконін в невеликій кількості розглядається

як цілком можливі компоненти бульб картоплі, при надмірній кількості вони

погіршують смакові якості картоплі. У бульб з`являється гіркуватий смак,

при вживанні таких бульб в харчування віникають чуття зуду в горлянці [ ].

Встановлена визначена кореляція між наявністю глікоалкалоїдів і

органолептичними смаковими якостями вареної картоплі. При дуже низькому

вмісті глікоалкалоїдів в бульбах (порядку 1-5 мг%) смак вареної картоплі

трохи гірший, ніж при середньому (5-10 мг%). Але збільшення їх вмісту вище

за 26 мг% на сиру речовину дуже погіршує смак вареної картоплі і стає

небезпечним для здоров`я людини [ ].

Бульби картоплі, які містять ніж 20 мг% глікоалкалоїдів, не

рекомендується вживати в харчування, осбливо коли картопля вареться зі

шкірочкою. Почищені бульби менш небезпечні, так як значна частина

глікоалкалоїдів видаляється зі шкірочкою, а частина переходить в воду, при

варинні ж неочищених бульб цього не відбувається вз`язку з слабкою

проникністю шкірочки. За даними М.Г.Шевченко [ ], нйбільшу небезпеку для

здоров`я становить нерозчинний в воді соланін, зосереджений в основі

пророслх вічок.

3. Роль глікоалкалоїдів в явищі імунітета до бактеріальних,

грибкових захворювань і шкідників та їх значення в селекції

нових сортів картоплі.

Глікоалкалоїди привертають увагу селекціонерів-картоплярів в зв`язку з

їх токсичною дією на бактеріальні та грибкові захворювання картоплі, а

також в зв`язку з токсичною дією на колорадського жука [ ].

Встановлено, що соланін затримує ріст бактерій, а 0,1-0,5% -ний розчин

його викликає відмирання протоплазми. Виділені фунгіцидні якості

глікоалкалоїдів в відношенні ряду патогенних грибів, таких як Microsporum

audoine, Trichophyton gypseum, Fusarium oxуsporum, зооспор Phytophthora

infestans, Helminthosporum carbonum.

В Інституті біохімії РАН досліджували фунгіцидні властивості

глікоалкалоїдів і інших сполук картоплі, наділених антибіотичними якостями,

а також вивчали дію механічних пошкоджень і зараження Phytophtora infestans

на утворення і розподіл глікоалкалоїдів в тканинах бульб [ ].

Виявилось, що глікоалкалоїдам (-соланіну та (-чаконіну притаманна більша

фунгіцидна активність ніж фенолам (кофейній і хлорогеновій кислотам). Так,

в концентрації 0,1 мг/мл останні не впливали на кінетичні показники росту

фітофтори, тоді як глікоалкалоїди пригнічували його майже на 70%. Зооспори

цього паразита гинули вже при концентрації (-соланіна 5 мкг/мл.

Соланин, чаконін і соланідін інгібують радіальний рост Alternaria

Страницы: 1, 2, 3, 4