Тема 7 (СУРС) хемосистематика – основа изучения биохимического разнообразия растений
1 Хемосистематика как раздел систематики растений, прогностическая ценность вторичных метаболитов для хемосистематики растений
Хемосистематика (от позднегреч. chemeia – химия и греч. systematikos – упорядоченный) – раздел систематики, изучающий разнообразие химического состава организмов, их органов и тканей с целью создания полной системы (классификации) органического мира. Возникла во 2-й половине XIX века. Использует методы биохимии, молекулярной биологии и генетики, математики.
Изучение химического состава организмов позволяет расширить набор анализируемых признаков фенотипов, что особенно важно для систематики микроорганизмов, низших растений, где методы хемостистематики нашли широкое применение в сочетании с методами нумеричной таксономии. Кроме того, исследования структур биополимеров (ДНК, РНК и белков) позволяют оценить и сходство генотипов организмов (геносистематика), что открывает перед биологической систематикой принципиально новые возможности из-за качеств, разницы объектов исследования (фенотипы и генотипы организмов). К числу наиболее, важных достижений геносистематики относят открытие новой группы микроорганизмов – архебактерий. Результаты, полученные методами хемосистематики и особенно геносистематики, используются для оценки эволюционного родства таксонов, для решения проблемы эквивалентности таксонов и их выделения при построении естественных систем организмов. Иногда как синоним хемосистематика употребляют термин «хемотаксономия».
Прогностическая ценность вторичных метаболитов для хемосистематики растений
Хотя в хемосистематике растений используют данные о составе и биосинтезе основных классов природных соединений (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и др.), большую прогностическую ценность представляют продукты вторичного метаболизма – алкалоиды, флавоноиды, терпеноиды, содержание и интенсивность биосинтеза которых у разных видов более специфичны по сравнению с продуктами первичного обмена. Так, в хемосистематике древесных, особенно хвойных, наиболее часто изучают состав и содержание терпеновых углеводородов. Это обусловлено тем, что их состав (в смоляных ходах древесины и сформировавшейся хвое) с возрастом существенно не меняется, факторы внешней среды оказывают слабое влияние на их биосинтез, синтез некоторых компонентов находится под контролем единичных генов.
Из древесных растений наиболее полно изучена хемосистематика сем. сосновых. Идентифицированы гибриды между сосной Жеффрея (Pinus Jeffrey) и сосной Культера (P. coulteri), сосной скрученной (P. contorta) и сосной Банкса (P. banksiana). Ранее считавшиеся разновидностями Р. Jeffrey и Р. оахасапа признаны видами. Обоснованы пути миграции сосны обыкновенной в Западной Европе, установлен относительный эволюционный возраст («эволюционная подвинутость») некоторыхх видов семейства сосновых, выявлены различия между климатипами лиственницы в географических культурах, выделены географические хеморасы сосен обыкновенной, кедровой сибирской и т. п.
В хемосистематике цветковых большее значение имеют флавоноиды, которые легко выделяются, хорошо сохраняются в ископаемых остатках (показано, что флавоноидный состав цветковых не изменился за 22 млн. лет), а их содержание часто коррелирует с определенными морфологическими изменениями.
В эволюционных и филогенетических построениях данные хемосистематики могут использоваться только совместно с данными других биологических наук (морфологии, цитологии, физиологии и др.).
2 Значение изучения распространения отдельных веществ и их групп по системе растений, причины изменчивости химического состава растений
Изучение распространения отдельных веществ и их групп по системе растений представляет интерес с нескольких сторон:
– данные о химическом составе растений используются в систематике растений наряду с морфологическими, анатомическими, палинологическими и другими данными;
– результаты таких исследований являются необходимой предпосылкой для понимания функции, которую выполняют изучаемые соединения у растений;
– это имеет важное практическое значение для поиска перспективных продуцентов биологически активных соединений.
При анализе распространения вторичных метаболитов в царстве растений необходимо учитывать функцию, которую они выполняют у растений. Так, спорадическая встречаемость вторичных метаболитов, обладающих антифидантной активностью (антифиданты (от греч. аnti– приставка, означающая противодействие, и англ, feed – поедать) – вещества, предохраняющие растения и материалы от поедания животными; наиболее изучены антифиданты насекомых) может объяснятся тем, что такой активностью обладает большое количество разнообразных по структуре соединений, которые могут замещать друг друга у видов, относящихся к разным таксономическим группам. Более универсальное распространение могут иметь соединения, выполняющие физиологические функции у самих растений.
Явление изменчивости – неотъемлемое свойство всех живых организмов – определяет основные требования к сбору образцов и интерпретации данных о любых аспектах биологического разнообразия и, в частности, разнообразия химического состава растений. При проведении скрининга растений на содержание продуктов вторичного метаболизма наблюдаемая изменчивость химического состава растений может быть обусловлена следующими причинами:
– возрастные различия между изученными органами и организмами;
– условия окружающей среды, преобладающие в районе, в котором были отобраны образцы;
– генетические различия между изучаемыми особями и популяциями;
– несогласованность методик сбора образцов и методов их экстракции и анализа.
3 Динамичность накопления вторичных метаболитов; влияния условий произрастания на накопление растениями вторичных метаболитов
Многочисленные исследования показывают, что разные группы вторичных метаболитов находятся внутри растения в динамическом состоянии. Содержание их меняется от органа к органу в ходе онтогенеза и поэтому, с одной стороны, при проведении скрининга желательно собрать как можно больше образцов разных частей растений на разных фазах развития, а с другой, – при интерпретации полученных данных необходимо сравнивать данные о содержании изучаемого соединения в сходных частях растений, отобранных на одной и той же фазе развития. Таким образом, данные о динамике содержания вторичных метаболитов представляют непосредственный интерес при проведении хемотаксономических исследований.
Изучение влияния условий произрастания на накопление растениями флавоноидов, терпеноидов и алкалоидов показывают, что факторы внешней среды могут обуславливать значительные изменения в количественном содержании вторичных метаболитов. Так, изменения в составе флавоноидов в контролируемых условиях внешней среды были изучены на примере водного растения Spirodela oligoriza. Растения выращивали в 52 вариантах сочетания внешних условий, таких как: интенсивность освещения, температура, состав и содержание питательных веществ и т. д. Во всех изученных случаях наблюдали количественные изменения в содержании флавоноидов, однако качественный состав 15 флавоноидов, обнаруженных в данном растении, оставался неизменным.
В связи с тем, что на накопление флавоноидов оказывают влияние факторы внешней среды, можно ожидать проявление эколого-географической изменчивости у видов, обладающих широким ареалом. Так, при изучении географической изменчивости состава флавоноидов Polygonum aviculare, насчитывающего более 30 компонентов, было показано, что восточно-азиатская популяция четко отличается от популяций, занимающих другие части ареала этого вида. На основании анализа результатов большого числа подобных исследований выявлено, что, без сомнения, экогеографический фактор оказывает заметное влияние на распространение вторичных метаболитов.
На примере растений рода Mentha показано влияние внешних условий на накопление терпеноидов. Периодический анализ суммарного содержания монотерпенов в сходных частях растений, находящихся в сходных фазах развития, но произрастающих в разных условиях (таких, как разное соотношение продолжительности теплого дня и холодной ночи), показал значительные различия в количественном содержании этих соединений. Авторы пришли к выводу, что монотерпены и сесквитерпены активно участвуют в метаболизме растения и не являются, как это однажды было предложено, инертными конечными продуктами биосинтеза.
4 Наследственная изменчивость накопления, эволюция ферментных систем вторичного метаболизма
Генотипическая изменчивость, обусловленная различиями в генотипе между отдельными особями или разными популяциями одного вида, также характерна для состава и содержания вторичных метаболитов, как и для любых других признаков, используемых в систематике растений. Так, при изучении наследственной изменчивости накопления антоцинанов у девяти линий вида Mathiola incana, отличающихся качественным составом этих соединений, было показано, что внутри линий обнаруживаются значительные различия в количественном содержании антоцианов. Поскольку все изученные растения выращивались в идентичных условиях, такое различие может быть только следствием небольших различий в генотипе между особями одной линии. На примере растений рода Mentha было показано, что биосинтез терпеноидов находится под контролем относительно простой генетической системы: доминантная аллель гена Lm блокирует модификацию лимонена в дальнейшие продукты биосинтеза, такие как: ментон, ментол и метилацетат – соединения, обычно накапливаемые растениями рода Mentha, у которых данный ген находится в рецессивном состоянии. Кроме того, в M. citrata был обнаружен ген I, доминантная аллель которого блокирует биосинтез терпеноидов на еще более ранних стадиях, чем ген Lm, что приводит к накоплению предшественника лимонена – линалина и его ацетатов. Таким образом, один ген может препятствовать накоплению целого спектра соединений одного класса.
В процессе эволюции может происходить различная модификация ферментов, отвечающих за биосинтез вторичных метаболитов, что приводит к появлению большого разнообразия структур одного класса соединений. Так, в настоящее время известно более 6000 различных алкалоидов, около 1400 секвитерпеноидов, не менее 300 небелковых аминокислот. Разнообразие структур соединений одного класса, накапливаемых в изучаемой группе растений, отражает разнообразие существующих путей биосинтеза, знание которого необходимо при построении таксономической гипотезы.
При анализе информации о наличии и отсутствии вторичных метаболитов в изучаемой группе растений, необходимо учитывать, что эти соединения образуются в результате сложного пути биосинтеза, в который вовлечено большое число различных ферментов. Ход биосинтеза одних и тех же соединений может оказаться разным у разных групп растений, что является результатом конвергентной эволюции.
5 Уровень накопления вторичных метаболитов как таксономический маркер, унифицирование методик экстракции и анализа
Кроме знания внутривидовой изменчивости большое значение при объяснении закономерностей распространения вторичных метаболитов имеют данные об их качественном и количественном составе, знание путей биосинтеза этих соединений и биологической активности.
Во многих фитохимических работах приводятся данные о наличии и отсутствии какого-либо соединения в изученной выборке видов. Однако этого зачастую недостаточно, так как таксономическим маркером может являться уровень накопления этого соединения. Так, способность к синтезу никотина считалась присущей только видам рода Nicotiana, которые накапливают это соединение в значительных концентрациях. Применение высокочувствительных методов позволило обнаружить следовые количества никотина в филогенетически удаленных родах, таких как Equsetum, Licopodium, Asclepias, Acacia и Mucuna. Очевидно, что способность к биосинтезу этих соединений появилась независимо в нескольких группах растений, но это не уменьшает значение никотина как таксономического маркера рода Nicotiana, который по этому признаку четко отделяется от других родов семейства Solanaceae. На основании данных о распространении небелковых аминокислот высказано предположение, что многие или даже все растения способны синтезировать эти соединения в предельно низких концентрациях, ниже порога чувствительности используемых методов. Анализ экстрактов сахарной свеклы (Beta vulgaris), доступных в неограниченных количествах благодаря промышленной переработке для получения сахара, позволил показать, что генетическая способность накапливать определенные вторичные метаболиты (от следовых до необычно высоких концентраций) может быть гораздо более широко распространена, чем это предполагается на основании стандартных методов анализа. Предполагается, что среди филогенетически близких видов «отсутствие» или «наличие» данного соединения отражает уровень экспрессии определенных генов, ответственных за синтез ферментов, участвующих в биосинтезе этого соединения. Накопление вторичных метаболитов в следовых количествах было показано также на примере распространения цианогенных соединений, которые в концентрациях ниже 0,2 мг/кг сырой массы были обнаружены у многих «нецианогенных» видов и, возможно, все растения способны к накоплению этих соединений. Это точка зрения поддерживается и данными об участии цианогенных соединений в физиологических процессах регуляции окисления нитратов.
Относительно методов анализа растительного материала следует отметить важность унифицированния методик экстракции и анализа, что необходимо для предупреждения искусственного привнесения разнообразия в наблюдаемую картину. Так, например, при исследовании клинальной изменчивости (клинальная изменчивость – непрерывное постепенное изменение признака на всем ареале вида или на части ареала вида, является результатом адаптации популяций к градациям каких-либо абиотических или биотических факторов среды) Juniperus virginiana было обнаружено значительное различие в количественном содержании терпеноидов между образцами, отобранными в течение первого и второго года исследования. Поскольку анализ терпеноидов выполнялся в одной и той же лаборатории на одном и том же хроматографе и при использовании одной колонки, исследователи первоначально пришли к выводу, что такое различие в содержании было обусловлено разницей в климатических условиях между двумя годами. Однако тщательное изучение всех возможных причин наблюдаемого явления показало, что различия были обусловлены небольшим изменением скорости движения газа через колонку на втором году исследования.
Основные порталы (построено редакторами)