Реферат: Біохімія трансгенної картоплі в умовах України
Реферат: 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…………………………………………………………….
1.1. Загальна характеристика
фізико-хімічних властивостей глікоалкалоїдів
рослин родини
Solanaceae................................………………………………
1.1.1. Глікоалкалоїди рослин картоплі
та їх будова………………………….
1.1.2. Глікоалкалоїди як токсичні
сполуки……………………………………
1.1.3. 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..............................................................
4. Результати
досліджень.................................................................................
5. Охорона
праці...............................................................................................
6. 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 LeafÒ, Monsanto, США). Обидва
підходи не виключають біосинтезу в тканинах рослин картоплі, зокрема бульбах,
окрім характерних для культурної картоплі глікоалкалоїдів a-Соланіну та a-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 a-Соланіну та a-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
1.1.
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: a-, b-, g-соланіна та a-, b-, g-чаконіна. Ці сполуки мають
один і той же аглікон («корове ядро») – соланідин і відрізняються між собою
складом глікозидного ланцюжка (Рис.1). Трисахаріди - a-соланін і a-чаконін є основними формами
і складають в тканинах картоплі біля 95% усієї суми глікоалкалоїдів групи
соланіна [ ]. Крім a-, b-, g-соланіна та a-, b-, g-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: a-, b-, g-соланін та a-, b-, g-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 a-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, a-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, a-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 a- соланін та a-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.
1.1.3. 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 a-соланіну та a-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 a-соланіна 5 мкг/мл.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|