Левзея выращивание: опыт 30 лет в полевых условиях

Экдистерон: синтез из семян левзеи при выращивании

Долголетие, продуктивность левзеи и биосинтез экдистероидов в полевых условиях

Аннотация: Рассмотрены основные итоги 30-летних исследований жизнедеятельности агропопуляции левзеи сафлоровидной (Rhaponticum carthamoides), предназначенной для получения экдистероид содержащих фармпрепаратов и иммунно-стимулирующих пищевых добавок. В условиях агроценоза Европейского Севера-Востока изучали закономерности, влияющие на онтогенез, плотность особей, продуктивность, накопление экдистероидов, поражаемость и ущерб от агрессии насекомых-вредителей (фитофагов).

Ключевые слова: лекарственные растения, экдистероиды, левзея сафлоровидная, Rhaponticum carthamoides, агроценоз, онтогенез, продуктивность, экдистерон, фитофаги

Содержание

1. Введение
2. Цели и задачи исследований
3. Объект и методы исследований
4. Результаты и их обсуждение

• 1. Ботаническое описание
  2. Всходы (1 год жизни)
  3. Отрастание (в последующие годы)
  4. Цветение
  5. Плотность
  6. Продуктивность
  7. Биосинтез ФЭС (экдистерона)
  8. Фитофаги

Заключение

Список литературы

Ссылка на публикацию

1. Введение

Пищевые средства, фитобиотики и биологически активные добавки на основе субстанций из Rhaponticum carthamoides (Willd.) Iljin (левзея, рапонтикум сафлоровидный) используются для профилактики сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, реабилитации в послеоперационный период, восстановления иммунитета после тяжелой болезни и химиотерапии, защиты организма человека в условиях действия неблагоприятных и вредных факторов. Действующие вещества содержат комплекс фитоэкдистероидов (ФЭС), которые не вырабатываются в организме человека и млекопитающих и не могут быть синтезированы химическим или микробиологическим способом.

Главным среди ФЭС является экдистерон (20-гидроксиэкдизон, 20-hydroxyecdysone). Экдистерон, выделяемый из растений рода Rhaponticum (рис. 1, 2) – вещество стероидной структуры, играющий важную роль в процессах роста, размножения и иммунитета всех классов живых существ. Химическая формула C₂₇H₄₄O₇; M=480. Биологическая роль экдистерона: сигнальная молекула, молекулярный мессенджер, анаболический агент, “витамин D1”.

По результатам сравнительных испытаний между экстрактом из корней и из листьев (вытяжка 1:10), проведенных в Институте мозга человека им. Н.П. Бехтеревой РАН (г. Санкт-Петербург), листьевые части левзеи имели многократное преимущество перед подземными органами по комплексной активности – 66 баллов против 16. Таким образом, культивируемые агроценозы вида имеют важное значение в реализации задач прорывного научно-технологического и социально-экономического развития России, изложенных в нацпроектах Наука, Здравоохранение, Демография, Экспорт с/х продукции, и исходящих из Указа Президента РФ от 7 мая 2018 г. N 204. Направления использования субстанций из листьевых частей R. carthamoides – спорт, биотехнология, животноводство, агропромышленный комплекс, пищевая индустрия (безалкогольные напитки, водки, бальзамы и т.д.).

Рис. 1-2. Растения рода Rhaponticum. Экдистерон (20-hydroxyecdysone) и его метаболиты

Цели и задачи исследований

Заглядывая в страницы истории, нужно отметить, что левзея в качестве источника уникальных препаратов начала изучаться научными учреждениями еще с 1927 года. Проблемы заключаются в том, что несмотря на вековую история культивирования (первые посевы в СССР датируются от 1926 г.), не удается обеспечить длительную хозяйственную эксплуатацию вида. Если в природе на субальпийских лугах онтогенез длится до 50-75 и более лет, то в культуре он сокращается до 5-6 лет, и где длительность хозяйственной эксплуатации обычно не превышает 3-4 лет.

В задачи настоящего исследования входило выявление потенциала долголетия и продуктивности агропопуляции R. carthamoides в онтогенезе, оценка содержания ФЭС по возрастам, поражаемость и ущерб от фитофагов.

Объект и методы исследований

Исследования вели в агропопуляции R. carthamoides, заложенной в 1989 г. на супесчаной почве (Архангельская обл., подзона средней тайги, 61° 20¢ с.ш., 47° в.д.). Подробное описание объекта и комплекса методик нами изложено в предыдущих публикациях по рассматриваемой агропопуляции (Растительные ресурсы, 1998, 3:63-69; 2005, 3:1-13; 2006, 2:17-36; Сельскохозяйственная биология, 2009, 1:106-117; Сибирский экологический журнал, 2009, 5:765-780).

Посев подзимний, с междурядьями 70 см; семенами, полученными из отдела Ботанический сад Института Биологии Коми НЦ УрО РАН. Динамику ФЭС отслеживали по возрастным периодам и возрастным состояниям популяции. Содержание экдистероидов и их качественный состав определяли в расчете на сухое вещество, методом ФЭЖХ-анализа [1] в Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар).

Климат умеренно-прохладный, средняя температура января -14.3 °С, июля +17.4 °С. Сумма температур свыше +5/+10 градусов составляет 1936/1577 °С, свыше 15 градусов – 911 °С. Тип водного режима промывной. За год выпадает 495-538 мм осадков, в т.ч. за теплый период 367-387 мм. Коэффициент увлажнения 1.5 (соотношение суммы осадков к испарению). Почвы супесчаные дерново-подзолистые, средней окультуренности (pH_Kcl 6.4-6.5; гумус 1.56%), подвижного фосфора и калия содержится соответственно 25 и 10 мг на 100 г почвы. Во время культивирования минеральные и органические удобрения, химические средства защиты и регуляторы роста растений не применялись.

Результаты и их обсуждение

• Ботаническое описание

Вид интродуцирован из высокогорной зоны субальпийского пояса (до 3000 м над у. м.); по жизненной форме является крупным травянистым, полурозеточным поликарпическим растением с ежегодно отмирающими побегами. Надземная часть растений состоит из побегов двух типов – вегетативных розеточных и генеративных стеблевых. Общее число побегов у особей варьирует от 8-12 до 60 шт, из которых 0-3 (редко 7-15) шт являются генеративными.

Розеточные листья крупные черешковые, у генеративных растений более или менее глубоко перисто-рассеченные на 15-22 (0-27) долей, по окраске светло-, желто- или темно-зеленые, образуют розетку диаметром 55-90 (37-112) см. В молодом возрасте поверхность листьев паутинисто-опушенная, придающая им серебристый оттенок. Размеры взрослых листьев достигают 60-80 (100-120) см по длине и 10-25 (35-43) см по ширине листовой пластинки. Появление новых листьев, их взросление и отмирание не приурочено к определенным фазам развития, они функционируют в течение всего вегетационного периода, меняя друг-друга во времени – с момента схода снежного покрова и до наступления устойчивых осенних заморозков.

Цветоносные побеги высотой 110-140 (180) см. Стебель нарастает за счет вставочного роста междоузлий, на котором спиралеобразно расположены 28-55 листьев различной сложности строения. На верхушке полого неразветвленного стебля формируется одиночное соцветие – крупная шаровидная корзинка диаметром 4-6 (3-8) см, с обоеполыми фиолетово-лиловыми цветками.

• Всходы (1 год жизни)

В биологии R. carthamoides проявляется характерная для высокогорных растений заторможенное прорастание в течение 3 лет. Весной первого года, во 2-3-й декаде мая, появляются 85-88% особей от общего их числа, на второй 10-12%, на третий 2-3%. Период жизни в первые два месяца является наиболее уязвимым по причине слаборазвитости первичной корневой системы, образованной боковыми ответвлениями главного корня диаметром 0,03-0,05 мм и расположенных в поверхностном слое почве.

Возможна массовая гибель особей из-за неоптимального режима почвы как от переувлажнения, так и от пересыхания почвы. Подземная сфера интенсивно развивается после формирования стеблекорня (с появлением придаточных корней из зоны гипокотиля), следующего во времени за фазой развертывания розеточного зародышевого побега в ювенильном возрасте. В имматурном возрасте доля корневой системы растений возрастает с 19-21 до 43% от общей фитомассы, что приводит к повышению устойчивости к летней засухе и обеспечивает рост пазушных почек возобновления в боковые побеги.

• Отрастание (в последующие годы)

В ходе полевых исследований выявлено, что к началу момента вегетации почки возобновления R. carthamoides увеличиваются в размерах 1.5-2.0 раза, еще находясь под снежным покровом. Начало массового отрастания вегетативных побегов, в зависимости от климатических особенностей, наблюдалось в сроки между 17 апреля и 14 мая; обычно через 2-3 дня после схода снежного покрова. Через 5-7 дней начинается видимый рост генеративных побегов из укрупненной флоральной почки, дифференцированной еще с осени прошлого года на составные элементы (т.е. уже сформирован зачаточный стебель со стеблевыми листьями и соцветием).

В весенний период часто бывают возвраты холодов с повторным выпадением снега и многократные заморозки, тормозящие рост и развитие растений. Отрицательные температуры до -5 °С R. carthamoides выдерживает без видимых последствий. При более низких температурах (-8…-10 °С) наблюдается повреждение апикальной зоны роста листовых органов (верхушки листовых пластинок размерами около 1.5 х 2.0 см).

Через 4-5 дней поврежденные участки восстанавливаются, заменяясь новообразованной тканью. У генеративных побегов при весенних заморозках -7…-10 °С апикальные части (соцветия) необратимо повреждаются, чернеют и отмирают. Осенние заморозки, начинающиеся в конце августа-начале сентября и длящиеся до конца октября, не причиняют вреда вегетирующим розеточным листьям.

• Цветение

Сроки цветения особей на открытой местности дружные, они приходятся обычно на 14-26 июня. В конце июня зацветают менее 1% побегов. Даты трех самых ранних отклонений – 10.06.1995, 10.06.2005, 09.06.2015; одна поздняя дата – 07.07.2017. Появление новых генеративных побегов, их цветение в июле-сентябре не наблюдается.

В целом развитие R. carthamoides до фазы бутонизации занимает 15-23, цветения – 44-56, плодоношения – 72-77 дней. После плодоношения в середине июля репродуктивные побеги отмирают, розеточные продолжают вегетировать до перехода среднесуточной температуры через 0 °С во второй декаде октября, постепенно уменьшаясь в размерах.

• Плотность

Оптимальная величина плотности в агроценозе (число растений на единице площади) для R. carthamoides, начиная с 3-4-го года создания агропопуляции, равна 23-27 тыс. экз./га. Оптимальным сроком посева семян является подзимний, с 4-5-кратным их запасом на единицу площади, что составляет около 3 кг/га. При более высоких нормах высева в последующие годы происходит самоизреживание и стабилизация численности популяции.

Факторы среды, вызывающие снижение численности особей в ценозе для R. carthamoides – избыток влаги в почве, ранние сроки проведения укоса надземной фитомассы (со 2-го года), сроки посева семян (весенний вместо подзимнего), засоренность (в первую очередь пыреем ползучим Elytrigia repens), дефицит влаги почв (засуха), возраст особей (старение).

• Продуктивность

В первые 3 года жизни продуктивность особей незначительная (сухая надземная фитомасса ювенильных, имматурных и виргинильных особей равна 0.3-6.2-16.4 г); с 4-го года жизни начинается переход агропопуляции в генеративный возраст (надземная масса возрастает до 56.8 г).

С 5-года жизни наблюдается массовый переход особей популяции в генеративное возрастное состояние и выход на средние параметры развития (210.7 г надземной массы при средних 215.5 г за период 5-30 лет). На 6-8 годы жизни (зрелый генеративный возраст) зафиксированы максимальные параметры фитомассы у особей (354-352-282 г). На 9-13 годы жизни популяция находилась в старогенеративном возрасте (масса надземных органов 209-165 г).

Переход к субсенильному возрастному состоянию наметился с 14 года, где за 14-17 годы были зафиксированы минимальные размеры надземных органов и продуктивности (143-95 г) из-за отмирания и разрушения корневой системы (партикуляция); но затем, с 18-го по 28-й годы жизни, был всплеск вегетативного размножения дочерних особей в новом цикле, с нарастающим формированием фитомассы и накопления экдистероидов. 29-30-е годы жизни (2018-2019 гг.) пришлись на аномально дождливую погоду в августе-сентябре, что привело к партикуляции корневища у части особей в локусах с влажностью почвы до 27-30% и снижению величины их фитомассы с 276-334 до 212 г.

Максимальная величина валовой продукции агропопуляций, исходя из возраста, плотности и надземной массы особей, для R. carthamoides составляет около 8500 кг/га и приходится на 6-7-й годы жизни. Репродуктивный потенциал агропопуляции близок к потенциалу плотных естественных зарослей субальпийских лугов как по срокам вступления в зрелый генеративный период, так и по показателям плодоношения особей, урожайности с единицы площади (8 и 30 кг/га семян соответственно на 4-5-й год; 78-108 кг/га на 6-7-й годы).

• Биосинтез экдистерона (ФЭС)

Процессы синтеза и накопления ФЭС зависимы от ростовых процессов в надземной сфере, обусловленных в свою очередь, развитием корневой системы и микоризы, и, таким образом, уровень концентрации экдистероидов статистически достоверно зависим от уровня продуктивности в онтогенезе.

Массовыми элементами в надземной сфере у R. carthamoides являются вегетативные побеги – 84-91%. Содержание ФЭС в них минимально в 1-й год – 0.06-0.11%, возрастает с годами и стабилизируется в генеративном периоде – 0.33-0.44% на 7-12-й годы. В субсенильном возрасте, при минимальной продуктивности, наблюдалось снижение ФЭС до 0,19-0,25 %.

В дальнейшем, после оптимизации технологии культивирования, были достигнуты самые высокие показатели биосинтеза экдистероидов и их накопление в листьях: ФЭС=0.56–0.64% (на 25-30-е годы жизни), при нормативе 0,1%. Коррелятивные параметры особей, сочетающиеся с наивысшим уровнем накопления ФЭС: длина розеточных листьев 100.3-119.1 см; высота генеративных побегов 140.3-142.8 см; продуктивность сухой фитомассы 295,8-351.7 г; доля розеточных листьев в структуре 84.6-93.9 %.

• Фитофаги

Для вегетативных побегов R. carthamoides не зафиксировано массовое поражение насекомыми. Для листовых органов существуют кратковременные периоды в жизненном цикле, когда они не обладают потенциалом устойчивости к фитофагам (фаза проростков, фаза отмирания старых листьев. Вредителями генеративных побегов являются жуки-бронзовки – Oxythyrea funesta, Potosia cuprea ssp. metallica (Cetoniinae); восковик полосатый или перевязанный (Trichius fasciatus – Scarabaeidae: Trichiinae).

Из-за повреждения насекомыми семена остаются недоразвитыми, а качество плодоношения – низким и характеризуется повышенной долей фракции щуплых. Выход семян из соцветий у сильно пораженных растений составил 16.5 % (против 47.8 % у непораженных); число полноценных семянок – 39.8 шт (против 191.6 шт). Масса 1000 шт семян равна 9.2 г против 14.4 г.

Заключение. Таким образом, продуктивное долголетие, биосинтез и накопление ФЭС у левзеи сафлоровидной является управляемым процессом.

Список литературы

1. Фармстатья 2.5.0091.18. Госфармакопея РФ, 14 издание. Москва: ФЭМБ. 2018; 4: 6360-6368.
2. Барнаулов О.Д. Элементы стратегии фитотерапии детей, часто болеющих респираторными вирусными инфекциями. Классические фитоадаптогены // Традиционная медицина, 2015; 3(42): 52-56. 
3. Тимофеев Н.П. Достижения и проблемы в изучении биологии лекарственных растений Rhaponticum carthamoides и Serratula coronata (Обзор) // Сельскохозяйственная биология, 2007. № 3. С. 3-17. DOI: 10.15389/agrobiology.2007.3.3rus URL: https://leuzea.ru/sciens/86-timofeev_problems_ecdysteroid_containing-plants.pdf
4. Биндасова Т.Н., Тимофеев Н.П. Морфологические параметры, продуктивность и динамика экдистероидов у Rhaponticum carthamoides в возрасте 1-28 лет / Перспективы развития и проблемы современной ботаники. Новосибирск: Изд-во «Академиздат»; 2018. С. 43-46. URL: https://leuzea.ru/sciens/190-productivity_ecdysteroids_in_leuzea_aged_1-28.pdf