Суточная динамика содержания сахаров в листьях и содержание глюкоманнанов в корнеклубнях эремуруса гиссарского

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _________________________________2006, том 49, №10-12__________________________

БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ

УДК 581.19

Ё.Х.Сафаров, Б.Б.Джумаев, А.А.Абдуллаев, академик АН Республики Таджикистан Х.Х.Каримов СУТОЧНАЯ ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ САХАРОВ В ЛИСТЬЯХ И СОДЕРЖАНИЕ ГЛЮКОМАННАНОВ В КОРНЕКЛУБНЯХ

ЭРЕМУРУСА ГИССАРСКОГО

Известно, что в корнеклубнях эремурусов синтезируются и откладываются запасные углеводы - фруктозаны и глюкоманнаны [1-3]. В этих работах было показано, что в формирующихся корнеклубнях и корневищах эремурусов происходит интенсивный синтез запасных углеводов - у одних видов преимущественно глюкоманнанов, у других - фруктозанов. Максимальное содержание этих соединений обнаруживается в фазе плодоношения растений. Ранней весной, при выходе растений из покоя происходит падение их содержания, и этот процесс сопровождается возрастанием концентрации моносахаридов и сахарозы. Ранее нами также было установлено, что основным продуктом фотосинтеза листьев эремуруса гиссар-ского (ЕгешигиБ ЫвБапсш Ууеё.) является сахароза. В экспериментах с фиксацией 14СО2 листьями эремуруса гиссарского было показано, что независимо от возраста листа в сахарозе сосредотачивалось около 50% ассимилированного при фотосинтезе 14С [4]. Кроме сахарозы, радиоактивная метка была обнаружена также в моносахаридах и фосфорных эфирах сахаров. В связи с этим представляет интерес изучение суточной динамики содержания моносахаридов и сахарозы у эремурусов в сопоставлении с фотосинтезом и содержанием запасных углеводов, что и стало целью нашей работы.

Методика

В качестве объекта исследований нами было использовано травянистое многолетнее растение эфемероидного типа развития -эремурус гиссарский (ЕгешигиБ ЫвБапсш Ууеё.), эдификатор крупнотравных полусаванн, широко распространенный на южных склонах Гиссарского хребта. Работа проводилась на Биостанции «Сиёкух» Института физиологии растений и генетики АН Республики Таджикистан.

Определение содержания углеводов у эремуруса гиссарского проводилось следующим образом. Листья эремуруса фиксировали в парах кипящего этанола. Затем пробы высушивали в термостате при температуре +60...+70°С. Высушенные пробы растирали в порошок, и 10 г из этой навески использовали для определения содержания глюкозы в одной навеске. Метод основан на способности сахаров восстанавливать ионы двухвалентной меди, количество которой определялось йодометрическим методом [5, стр. 25-30]. Для анализа использовали свежий или фиксированный материал. Навеску брали с таким расчетом, чтобы в ней

было не больше 50 мг моносахаридов и 100 мг суммы сахаров. При использовании свежего материала навеска для листьев составляла 2 г, для корнеклубней - 10 г, при анализе фиксированного материала - соответственно 0.25 г и 1.0 г. Навеску растирали в ступке с водой и переносили гомогенат в мерную колбу емкостью 100 мл, промывая ступку дистиллированной водой. Для осаждения белков и других мешающих веществ прибавляли 10%-ый раствор ZnSO4.7H2O из расчета на 1 г сырой навески. Затем прибавляли 0.4 Н раствор NaOH в количестве, в 1.5 раза превышающем объем раствора сернокислого цинка, доводили водой до метки, перемешивали и фильтровали в сухую колбу через фильтр. Первую порцию фильтрата (около 5 мл) отбрасывали.

В фильтрате определяли восстанавливающие сахара, отдельно фруктозу и сумму сахаров.

Для определения восстанавливающих сахаров в пробирки набирали пипеткой по 10 мл фильтрата, после чего прибавляли по 10 мл меднощелочного реактива. Растворы перемешивали, пробирки накрывали воронкой и вместе со штативом помещали в водяную баню при 100°С. Затем пробирки охлаждали в холодной воде. Во время нагревания, которое продолжается 15 мин, восстанавливающие сахара реагируют с ионами меди, образуя осадок ^^. Количество образовавшей осадок закиси меди определяли йодометрическим методом. Для этого в пробирки прибавляли по 5 мл смеси и серной кислоты. Параллельно ставился контрольный опыт, для чего брали 10 мл фильтрата, добавляли без предварительного нагревания 10 мл смеси щавелевой и серной кислот. Затем, как в опыте, проводили титрование выделившегося йода 0.01 Н раствором тиосульфата в присутствии растворимого крахмала.

Для определения фруктозы 25 мл фильтрата помещали в мерную колбу на 50 мл, прибавляли одну каплю 0.4% раствора NaOH до окрашивания раствора в розовый цвет. Затем приливали 5 мл 0.05 Н раствора йода и 1 мл 0.4 Н раствора NaOH, перемешивали и оставляли на 10 мин. После этого прибавляли 1 мл раствора HCl и выделившийся йод обесцвечивали свежеприготовленным 0.3% раствором Na2SO3, прибавляя под конец две капли растворимого крахмала.

После обесцвечивания йода во всех пробах к каждой из них приливали по 1 мл 0.25 Н раствора уксусной кислоты, и в случае выделения йода его дотитровывали сульфитом. Затем прибавляли каплю 0.4% раствора фенолфталеина и нейтрализовали 0.4 Н раствором едкого натрия. Когда во всех колбах йод обесцвечивался и кислота была нейтрализована, объемы доводили водой до метки и растворы перемешивали.

Для определения фруктозы в пробирки отбирали по 20 мл исследуемых растворов, прибавляли по 10 мл меднощелочного реактива, перемешивали и помещали в кипящую водяную баню на 15 мин. Далее поступали так же, как при определении восстанавливающих сахаров.

Для определения суммы сахаров 25 мл исследуемого раствора помещали в мерную колбу на 50 мл, прибавляли 1 мл HCl. Колбу помещали в горячую воду и выдерживали в течение 10 мин при температуре 70°С для гидролиза сахарозы. Для осаждения белка прибавляли 5 мл 10% раствора ZnSO4.7H2O, затем каплю фенолфталеина. После этого раствор нейтрализовали 2 Н NaOH до слабо-розового окрашивания. Сначала определяли необходимый объем щелочи для одного образца. Затем в основные колбы прибавляли на 0.2 мл щелочи меньше, и после перемешивания окончательно нейтрализовали 0.4 Н раствором едкого натрия до появления розовой окраски. Нейтрализованные растворы доводили водой до метки и хорошо взбалтывали. Из них набирали в пробирки по 10 мл раствора, прибавляли по 10 мл меднощелочного раствора и далее поступали так же, как при определении восстанавливающих сахаров

Определение содержания эремурана (глюкоманнанов) - основного запасного полисахарида эремуруса гиссарского, проводили по методу О.И.Кудряшевой [6]. Выкопанные кор-неклубни эремуруса фиксировались водным паром, крупно измельчались ножом и сушились при температуре +35...+40°С до воздушно-сухого состояния. Более мелкое измельчение до крупности в 1 мм хорошо просушенных корнеклубней проводили на мельнице типа «Экс-цельсиор». Такой материал поступал на анализ. Навеска в 2 г помещалась в колбу Эрленмей-ера на 150 мл, заливалась дистиллированной водой при комнатной температуре в соотношении 1:10 (навеска: вода). При высоком содержании эремурана в корнеклубнях навеска уменьшалась, а соотношение навески и воды было значительно больше. Для лучшего растворения эремурана в воде колба с раствором встряхивалась на механической мешалке в течение 30-40 мин. Из водного раствора, отделенного из растительного материала фильтрованием через плотную ткань, эремуран выделялся прибавлением 2.5 объема этилового спирта. Выделенный осадок в виде белых слизистых хлопьев отфильтровывался через быстрофильтрую-щий фильтр на воронке Бюхнера и растворялся в 5%-ой трихлоруксусной кислоте для очистки от примесей белков. После центрифугирования эремуран снова осаждался 2.5 объема этилового спирта. Осадок отделялся на воронке Бюхнера и многократно промывался этиловым спиртом возрастающих концентраций (60-95°). Окончательное досушивание производилось в эксикаторе над хлористым кальцием. Количество эремурана рассчитывалось на абсолютно сухую навеску. Для анализа брали 3 образца из средней пробы. Стандартная ошибка определения среднего значения по трем образцам из средней пробы составляла 10-15%.

Результаты и обсуждение

В табл. 1 представлены данные по динамике содержания глюкозы, фруктозы и сахарозы в листьях эремуруса гиссарского с 5 до 20 ч. Как видно из полученных данных, максимальное содержание восстанавливающих сахаров (глюкозы и фруктозы) обнаруживалось в 5, 10, 16 и 20 ч, а минимальное - к 12 ч. Анализ суммы сахаров показал, что почти одинаковое

содержание суммы сахаров обнаруживалось в 5,10,16 и 20 ч. К 12 и 14 ч наблюдалось повышение содержания суммы сахаров в листьях растений. Определение содержания глюкозы также показало, что повышение ее содержания происходило в 5, 10,16 и 20 ч. Самое низкое содержание глюкозы было к 12 ч. Содержание фруктозы было в несколько раз меньше, чем глюкозы, и низкое ее содержание сохранялось в течение дня. В 5,10,16 и 20 ч содержание сахарозы было невысоким. Самое высокое содержание сахарозы обнаружено к 12 и 14 ч.

Таблица 1

Содержание глюкозы, фруктозы и сахарозы в листьях эремуруса гиссарского

(в % на воздушно-сухую массу), 15 июня 2004 г.

Время определения, ч Восстанавливающие сахара, И Фруктоза, Ф Глюкоза, Г=И-Ф Сумма сахаров, Р Сахароза С=(Р-И)0.95

5 1.16 0.045 1.115 4.43 3.10

10 1.36 0.047 1.313 4.43 2.91

12 0.34 0.028 0.312 14.9 13.8

14 0.46 0.038 0.422 11.32 10.31

16 1.35 0.046 1.304 4.45 2.94

20 1.38 0.048 1.33 5.47 3.88

Анализ накопления восстанавливающих сахаров в листьях эремуруса гиссарского показал, что их содержание менялось одинаково с содержанием глюкозы. Выявлено синхронное изменение суммы сахаров и сахарозы, т.е. их содержание одинаково менялось в течение дня.

Анализ полученных результатов исследования суточной динамики накопления углеводов в сопоставлении с интенсивностью фотосинтеза показывает, что содержание фруктозы и глюкозы не коррелирует с интенсивностью фотосинтеза [4]. Увеличение содержания сахарозы совпадает с высокой скоростью фотосинтеза (в 12 ч), однако в 14 ч содержание ее было достаточно высоким, а интенсивность фотосинтеза была несколько ниже, чем в 12 и 16 ч дня. По-видимому, в 14 ч содержание крахмала в хлоропластах слишком высоко, что может подавлять интенсивность фотосинтеза и, вероятно, повышение содержания сахарозы может идти за счет распада крахмала и мобилизации глюкозы и фруктозы на синтез сахарозы. В 16 ч, возможно, происходит усиленный синтез крахмала за счет возрастания интенсивности фотосинтеза и синтеза фруктозы и глюкозы, о чем свидетельствует высокое содержание восстанавливающих сахаров к этому времени. Наблюдаемая в это время дня корреляция между высоким содержанием сахарозы и высокой интенсивностью фотосинтеза свидетельствует о возрастании участия в синтезе сахарозы глюкозы и фруктозы цикла Кальвина.

9б8

Полученные данные подтверждают сделанный ранее нами вывод [4] о сахарозной направленности фотосинтетического метаболизма эремурусов. В дневные часы происходит интенсивный синтез сахарозы в процессе фотосинтеза и транспорт её в подземные органы, в вечерние и ночные часы суток сахароза используется на синтез глюкоманнанов.

Этот вывод подтверждается характером динамики синтеза и содержания глюкоманна-нов в корнеклубнях эремуруса гиссарского в течение годичного цикла.

В табл. 2 представлены данные по содержанию глюкоманнанов в корнеклубнях эре-муруса гиссарского. Растительный материал был собран в 2003 г. на Биологической станции «Сиёкух».

Как видно из табл.2, минимальное содержание глюкоманнанов в молодых корнеклубнях эремуруса гиссарского отмечено в фазе формирования розетки листьев, в фазе бутонизации содержание этого полисахарида в корнеклубнях возросло почти в 2 раза. В фазе цветения содержание полисахарида увеличилось уже в 3 раза по сравнению с фазой формирования розетки листьев. Увеличение содержания полисахарида продолжалось и в фазе плодоношения, достигнув максимального значения в фазе отмирания надземной части растений. В то же время содержание глюкоманнанов в старых корнеклубнях в фазе бутонизации уменьшилось в 3.5 раза, в последующие фазы развития осталось в крайне незначительном количестве.

Впервые глюкоманнаны (эремуран) были выделены и определено их количественное содержание у эремуруса гиссарского [6]. По данным О.И.Кудряшевой, в фазе отмирания надземных органов в корнеклубнях этого вида эремуруса содержалось 30.2% (на сухой вес) эре-мурана.

Анализ полученных нами данных показывает, что максимальное содержание запасных углеводов наблюдается в период покоя, который у эремурусов приходится на летне-осенне -зимние месяцы. В начале вегетации следующего года в корнеклубнях развивающихся растений содержание запасных углеводов очень низкое, однако в фазах цветения и плодоношения их содержание интенсивно повышается, достигнув максимума к началу периода покоя.

Таблица 2

Содержание глюкоманнанов (эремурана) в корнеклубнях эремуруса гиссарского

(в % на воздушно- сухую массу), 2003 г.

Фаза развития Корнеклубни молодые Корнеклубни старые

Начало вегетации, формирование розетки листьев, 10. 04 6.5±0.52 15.2+1.25

Бутонизация, 05.05 12.4+0.99 4.07+0.32

Цветение, 15.06 20.4+1.64 -

Плодоношение, 11.07 24.6+1.96 -

Отмирание надземных органов, 10.09 29.9+2.39 -

Примечание: прочерк означает, что глюкоманнаны содержатся в следовых количествах.

Прослеживается четкая картина динамики содержания и утилизации запасных углеводов у эремуруса гиссарскогов течение годичного цикла развития. В весенне-раннелетний период происходит их синтез, накопление и отложение в запас в корнеклубнях, затем в течение осени и зимы полисахариды деполимеризуются. Особой интенсивности этот процесс достигает ранней весной, в период возобновления вегетации, когда продукты деполимеризации запасных углеводов усиленно мобилизуются на рост и формирование новой генерации органов.

Институт физиологии растений и Поступило 03.10.2006 г.

генетики АН Республики Таджикистан

ЛИТЕРАТУРА

1. Каримов Х.Х., Кудинова С.В., Николаева М.И., Попова А.И., Чернер Р.И. - Зимняя вегетация и летний покой растений аридной зоны Средней Азии / Под ред. А.А.Прокофьева. Душанбе: До-ниш, 1969, 210 с.

2. Каримов Х.Х. - Ритм развития эфемероидов Западного Памира-Алая / Отв. ред. А.А.Прокофьев; АН ТаджССР. Ин-т физиологии и биофизики растений. - Душанбе: Дониш, 1981, 145 с.

3. Афанасьева Е.М. - Растит.ресурсы, 1972. т.8, вып. 2, с. 192-200.

4. Абдуллаев А., Абдурахманова З.Н., Джумаев Б.Б., Сафаров Ё.Х.,Каримов Х.Х. - Вопросы сохранения и рационального использования растительного биоразнообразия Таджикистана. Материалы конф. Душанбе, 2002, с. 177-184.

5. Кирюхин В.В., Лодыгина Е.А., Парфенова А.В. - Методика физиолого-биохимических исследований картофеля. НИИКХ, Госагропром РСФСР, 1989, с. 25-30.

6. Кудряшева О.И. - ДАН ТаджССР, 1964, т. 7, № 4, с. 27-29.

Ё.Х.Сафаров, Б.Б.Ч,умьаев, А.Абдуллоев, Х.Х,.Каримов ДИНАМИКАИ ТАГИРЁБИИ РУЗОНАИ МИЦДОРИИ САХАРОЗА ДАР БАРГ ВА ГЛЮКОМАННАН (ЭРЕМУРАН) ДАР ЛУНДАРЕША^ОИ РАСТАНИИ СИЧИ Х,ИСОРЙ (ЕЯЕМШШ Н^АМСШ УУЕБ.) ДАР ДАВОМИ ПУРРАИ ДАВРАИ НАШЪУНАМО

Дар макола маълумот дар бораи тагирёбии микдори сахароза дар барг дар даво-ми руз ва глюкоманнанхо дар лундарешахои растании сичи хисорй дар тамоми давраи нашъунамо оварда шудааст. Микдори зиёди ангиштобхои захиравй - гюкоманнан (эре-муран) дар лундарешахои ин растанй дар давраи оромии хаёти растанй, ки ба моххои фасли тобистону тирамох ва зимистон рост меояд, муайян карда шуд. Дар давраи авали нашъунамои растанй дар соли чорй микдори карбогидратхои захиравй дар

лундарешахо микдоран кам буда, дар давраи гулкунй ва мевабандй бошад ба микдори зиёд хосил мешаванд. Маълумотхо оиди тагирёбии микдории сахароза дар давоми руз хулосаи пештараро, ки ба ин растанй самти мубодилаи сахарозагии фотосинтез хос ме-бошад, тасдик карда шуд.

Y.Kh.Sapharov , B.B.Jumaev, A.A.Abdullaev, Kh.Kh.Karimov DAILY DYNAMICS OF SUGARS CONTENTS IN LEAF AND GLUCOMANNANS CONTENTS IN RHIZOME EREMURUS HISSARICUS

In this article the results of daily dynamics of sugars contents in leaf and glucomannans contents in rhizome Eremurus hissaricus are presented. The maximal contents of store carbohydrates is observed during rest period of plants , which for Eremuruss is occur in summer - autumnal- winter months. In the beginning of the next year vegetation the contents of store carbohydrates in rhizome of developing plants is not enough, however in phases of flowering and fruitage their contents intensively raises, and reached the maximum value in period of rest beginning. The daily dynamic’s dates of sugars contents confirm our earlier conclusions about sucrose orientation of photosynthetic metabolism in Eremuruss .