ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ МАКРО- И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ 12 ВИДАМИ ПОЛЫНЕЙ ЮЖНОГО ПОБЕРЕЖЬЯ КРЫМА

РЕЗЮМЕ. Учитывая важную роль макро- и микроэлементов в росте и развитии лекарственных растений, уровня толерантности к неблагоприятным условиям окружающей среды, безопасности использования лекарственных растений и улучшения качества продукции изучено накопление 20 макро- и микроэлементов листьями 12 видов полыней коллекции Никитского ботанического сада с использованием метода ИСП-МС. Установлены значительные межвидовые различия в аккумулировании элементов. Выявлены гипераккумуляторы (A. santonica, A. lerchiana) и эксклюдеры (A. feddei, A. vulgaris) натрия в листьях полыни. Показано, что полынь Лерха в наибольшей степени склонна аккумулировать такие элементы как Na, Co, Cr, Ni, Pb, Sr, V, Fe, Li, Mn, в то время как A. argui, A. taurica накапливают наименьшее количество элементов (Ca, K, P, As, Ni, Cu, Si, Fe). Установлены мощные корреляционные взаимосвязи между V, Co, Pb, Cr и Al, а также между Fe и V, Co, As, и между Li и V, Co, As, Al, Pb. 

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: полыни, макроэлементы, микроэлементы, избирательность аккумулирования, Южный берег Крыма.

Для цитирования: Голубкина Н.А., Логвиненко Л.А., Лапченко В.А. Особенности накопления макро- и микроэлементов 12 видами полыней южного побережья Крыма. Микроэлементы в медицине. 2024;25(4):90−98. DOI: 10.19112/2413- 6174-2024-25-4-90-98. 

ВВЕДЕНИЕ
В последние годы элементный состав лекарственных растений все чаще привлекает внимание исследователей в связи с важной ролью макро- и микроэлементов в росте и развитии растений, безопасности использования последних в традиционной и классической медицине и эффективности положительного действия на здоровье человека.

Род Artemisia принадлежит семейству Asteraceae и включает в себя более 480 видов полыней. Представители этого рода отличаются высокой адаптационной способностью и широким спектром биологического действия. Так, полыни встречаются практически по всей территории Земного шара (рис. 1 "Местообитания представителей семейства Artemisia" в приложенном pdf-файле), что предполагает наличие специфических механизмов защиты от неблагоприятных условий окружающей среды, включая морфологические особенности, высокий антиоксидантный статус и генетически детерминированное накопление макро- и микроэлементов (Golubkina et al., 2020). 

Противомалярийное, антиоксидантное, противогрибковое, противовирусное, антигепатотоксическое, противовоспалительное действие экстрактов этих растений определяется наличием значительного количества эфирных масел, полифенолов, флавоноидов, терпенов, стеринов, гликозидов, сапонинов и др (Wright 2002; Mannan et al., 2010; Koil et al., 2017; Pandey, Singh 2017; Pandey and Singh 2017; Логвиненко, Шевчук 2018). Содержание биологически активных соединений в полынях в значительной степени связано с минеральным питанием растений. Так, содержание артемизинина – уникального противомалярийного средства, возрастает при использовании в почве силикатов кальция и магния (Rostkowska et al., 2016), а также соединений цинка и марганца (Wu et al., 2010). Показано также, что благоприятствует накоплению артемизина умеренное засоление (содержание ионов натрия от 50 до 100 мМ) (Aftab et al., 2010). Выявлено, что способность полыней аккумулировать железо частично связана с железохелатирующими свойствами артемизинина (Chobot, Hadacel, 2010; Lee et al., 2023).

Многолетнее изучение особенностей развития полыней коллекции Никитского Ботанического сада позволило выделить высокопродуктивные формы и сорта разных видов полыни, которые могут быть использованы в медицине, косметике и пищевой промышленности (Логвиненко, Логвиненко 2011).

До настоящего времени особенности накопления макро- и микроэлементов лекарственными и ароматическими растениями исследовались весьма фрагментарно, что связано с преобладающим влиянием на элементный состав геохимической характеристики почвы. В результате основное внимание уделялось биохимическому составу растений и биосинтезу эфирных масел. В целом изучение особенностей минерального состава полыней представляется особенно значимым при использовании различных видов, выращенных в одинаковых условиях.

 Ц е л ь р а б о т ы – оценка уровней накопления макро- и микроэлементов коллекцией полыней Никитского ботанического сада в условиях интенсивного переноса макро- и микроэлементов с поверхности Черного моря.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе использовали листья растений 12 видов полыней, собранные с 10 растений каждого вида в августе 2017–2018 г. на территории экспериментальных участков Никитского ботанического сада: однолетняя A. annua, Федде A. feddei, горькая A. absinthium – две формы, тархун A. dracuncuus (сорта Изумрудный, Травянистый и хамо-азуленовая форма), а также метельчатая A. scoparia, Лерха A. lerchiana, лечебная A. abrotanum, Арги A. argyi., цитварная A. santonica, крымская A. taurica, полевая A. campestris, обыкновенная A. vulgaris. Листья высушивали при комнатной температуре до постоянного веса и гомогенизировали. Содержание Al, As, B, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Na, Ni, P, Pb, Si, Sr, V и Zn устанавливали методом ИСМ-МС на квадрупольном масс-спектрометре Nexion 300D (Perkin Elmer Inc., США) с использованием микроволновой системы разложения образцов Berghof SW-4 DAP-40 (Berghof Products + Instruments Gmb H, 72, 800, Германия) разбавленной азотной кислотой, 1:150 (в Центре Биотической медицины, Москва). В качестве внутреннего стандарта применяли родий 103 Rh, внешними стандартами служили стандартные растворы фирмы Perkin–Elmer (Скальный и др., 2009).

Cтатистическую обработку результатов осуществляли с применением критерия Стьюдента и пакета прикладных программ Excel. 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
Проведенные исследования элементного состава коллекции полыней выявили значительные вариации в минеральном составе растений, несмотря на одинаковые условия выращивания (табл. 1). Так, среди макроэлементов коэффициент вариации накопления ионов натрия составил 160%. Для Al, Cr, Pb и V коэффициенты вариации составляли интервал от 97,0 до 224,3%. Cреди микроэлементов наибольшая вариабельность была выявлена только для Fe и Li (176 и 121% соответственно).

Накопление макроэлементов. В условиях южного побережья Крыма уровни накопления в полынях кальция составили 4,2–13,8 г/кг, калия – 16,2–39,5 г/кг, магния – 1,08–3,88 г/кг и фосфора – 1,87–5,78 г/кг. Известно, что Ca, K, Mg участвуют в поддержании ионного гомеостаза и определяют устойчивость растения к засолению. Среди этих элементов кальций представляет особый интерес, поскольку он ингибирует аккумулирование накопления ионов натрия и стимулирует усвоение калия (Hasegawa, 2013). 

Растения береговой зоны испытывают ионный и осмотический стресс, вызванный высокими концентрациями ионов натрия, воздействием высоких температур и инсоляции. Огромная экологическая пластичность полыней (Bucur et al., 1960) позволяет этим растениям успешно расти в условиях значительного засоления. Вариации в устойчивости полыней к засолению связаны с различными факторами, среди которых ключевую роль играют: структура эпидермиса (Wang et al, 2016), морфология корневой системы, детоксикация активных форм кислорода (Mittler, 2002), возможность выделения избытка соли через солевые железы, регулирование ионного гомеостаза и осмотического давления в клетке и состав биологических мембран (Sharifivash, Shokrpour, 2017; Meng et al, 2018).

Солевой стресс вызывает два типа стрессов в растениях:

1) дисбаланс нутриентов;
2) низкий водный потенциал почвы как в процессах усвоения, так и транслокации (El-Sherif, 2012). 

В однолетней полыни A. annua описано перераспределение ионов натрия, кальция, магния и калия, предпочтительное аккумулирование ионов натрия и кальция в корнях и калия и магния в листьях и стеблях (Li et al., 2014). Механизм защиты полыни горькой A. absinthium проявляется в накоплении пролина, водорастворимых антиоксидантов и эфирного масла в листьях, а также в возрастании накопления кальция при засолении (Sharifivash, Shokrpour, 2017). Суккулентные корни полыни веничной A. scoparia помогают растению справляться с дефицитом влаги, а хорошо развитые трихомы обеспечивают защиту от солнечной радиации, а также снижают потерю воды в результате транспирации. Общепризнано, что механизм удерживания соли корневой системой играет главную роль в защите полыней от засоления и предотвращает накопление высоких концентраций соли в растениях, что обеспечивает сравнительно низкие уровни ионов натрия в условиях интенсивного засоления.

В исследованной коллекции наибольшие вариации в накоплении макроэлементов листьями полыней наблюдались для ионов натрия, что косвенно свидетельствует о проявлении генетических особенностей адаптации растений разных видов к условиям засоления. Действительно, наблюдаемые концентрации натрия в полынях составили от 0,033 г/кг (полынь обыкновенная A. vulgaris) до 2,94 г/кг (полынь Лерха A. lerchiana).

Полученные данные уровней накопления ионов натрия листьями полыней коллекции Никитского ботанического сада предполагают существование группы видов: гипераккумуляторов, аккумуляторов и эксклюдеров ионов натрия (рис. 2).

 Такое деление, несомненно, относится только к особенностям накопления натрия листьями разных видов полыней. С другой стороны, следует также учитывать особенности перераспределения макроэлементов, включая ионы натрия, между корнями, листьями и стеблями полыней. Так, по литературным данным, содержание ионов натрия в корнях A. annua более чем в 100 раз превышает уровень накопления элемента в стеблях и листьях (Li et al., 2014).

Алюминий, мышьяк и тяжелые металлы. Уровень накопления тяжелых металлов, мышьяка и алюминия в значительной степени определяют безопасность использования лекарственных растений. Обращают на себя внимание значительные различия в межвидовой отзывчивости полыней к аккумулированию этих элементов (табл. 3).

Так, среди исследованных видов наиболее высокие уровни алюминия были характерны для полевой полыни A. campestris и в меньшей степени полыни Лерха A. lerchiana и веничной полыни A. scoparia; мышьяка – для полыней Лерха A. lerchiana, полевой Campestris; эстрагона A. dracunculus, веничной A. scoparia., лечебной A. abrotanum; Co, Ni. Pb и Cr – полыней Лерха A. lerchiana, полевой A. campestris; Sr – полыней Лерха A. lerchiana, полевой A. campestris. Лечебной A. abrotanum; V, Cu – для полыней Лерха A. lerchiana, веничной A. scoparia, полевой A. campestris; Zn − для полыни горькой A. absinthium и пряно-ароматической формы эстрагона A. dracunculus (табл. 4). Минимальные концентрации этих элементов в листьях выявлены для полыней Арги A. argyi, таврической A. taurica и луговой A. santonica (табл. 4). 

Так, среди исследованной коллекции типичными эксклюдерами оказались листья полыней таврической A. taurica и Арги A. argui, характеризующиеся минимальным накоплением K, Mg, Sr, V, Zn, Li, Mo и Ca, K, P, As, Ni, Cu, Si, Fe соответственно. Напротив, типичным аккумулятором проявила себя полынь Лерха A. lerchiana. Более того, нами впервые выявлены прямые корреляционные взаимосвязи между уровнями накопления в листьях полыней Al, Co, As, Cr, V, и Pb (рис. 3).

Микроэлементы. Интересно отметить, что среди микроэлементов значительные вариации среди уровней накопления B, Fe, Li, Mn. Mo, Si были выявлены только для Fe и Li (табл. 5). Представляется существенным, что именно эти элементы проявляли мощные корреляционные взаимосвязи с тяжелыми металлами, такими как V, Co, As (Fe, Li), а также с элементами Cr, Al, Pb (Li) (рис. 4). Показательно, что в малых концентрациях As, Co, V, Cr, Pb могут проявлять себя как стимуляторы роста (Aihemaiti et al., 2019; Piršelová et al., 2022; Roychoud-hury, Chakraborty, 2022; Saud et al., 2022). 

Более того, описано стимулирующее действие As на накопление Li (Piršelová et al., 2022), V – на накопление Fe (Aihemaiti et al., 2019). Активное участие Co в широком спектре взаимодействия химических элементов в полынях может быть связано с участием этого элемента в обеспечении устойчивости растений к засухе (Roychoudhury, Chakraborty, 2022). Хотя до настоящего времени нет четкой картины влияния лития на рост и развитие растений, отмечается возможность ростостимулирующего действия элемента при низких концентрациях и участие элемента в удерживании воды растениями (Kastory et al., 2022).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенное исследование позволило впервые установить специфические межвидовые различия в аккумулирования ионов натрия лиcтьями полыни с четким выделением растений-гипераккумуляторов (A. santonica, A. lerchiana) и эксклюдеров (A. feddei, A. vulgaris). Оценка накопления других элементов выявила мощные корреляционные взаимосвязи между V, Cr, As, Pb, Al, Co, а также между Fe и As, Co, V и между Li и As, Co,V,Al, Pb, Cr. Установленные корреляции, по-видимому, могут оказаться важными при оценке безопасности растительного сырья полыней.

Работа проводилась в соответствии с договором о научном сотрудничестве между ФГБНУ ФНЦО и «НБС-ННЦ», а также в рамках темы Гос. задания № 124030100098-0 (Лапченко В.А.)

ЛИТЕРАТУРА
Логвиненко И.Е., Логвиненко Л.А. Итоги интродукционно-селекционных работ перспективных видов и сортов рода Artemisia L. Труды Никитского ботанического сада. 2011, 133, 115–132.
Логвиненко Л.А., Шевчук О.М. Особенности развития и компонентного состава эфирного масла Artemisia scoparia в условиях южного берега Крыма Бюллетень ГНБС 2018, 129, 84-92.
Скальный А.В., Лакарова Е.В., Кузнецов В.В., Скальная М.Г. Аналитические методы в биоэлементнологии. СПбНаука: Санкт-Петербург, 2009.
Aihemaiti A., Jiang J., Gao Y., Meng Y., Zou Q., Yang M., Xu Y., Han S., Yan W., Tuerhong T., The effect of vanadium on essential element uptake of Setaria viridis' seedlings. J. Environ. Manag. 2019; 237: 399−407, https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.02.054.
Badawy E.-S.M., Khalid K.A., Heikal A.A.-E.M., Nagdy M.M. Effect of salinity stress and soil types on growth, photosynthetic pigments and essential oil of A. annua L. Asian J. Crop Sci. 2018; 10: 40−47.
El Sherif F. In vitro Na Cl tolerance of Artemisia dracunculus Int. J. Med. Arom. Plants. 2012; 2(4): 549−557.
Golubkina N.A., Logvinenko L.A., Molchanova A.V., Caruso G. Chapter 17 Genetic and environmental influence on macroand microelement accumulation in plants of Artemisia species Springer 2020 in Aftab T., Hakeem K.R. eds. Plant micronutrients https://doi.org/10.1007/978-3-030-49856-6_17/.
Kastory R., Maksimovic I., Putnik-Delic M. Lithium in the environment and its effects on higher plants Contemporary Agriculture. 2022; 71(3-4): 226−239. DOI: 10.2478/contagri-2022-003030.
Koul B., Taak P., Kumar A. The Artemisia genus: a review on traditional uses, phytochemical constituents, pharmacological properties and germplasm conservation. J. Glycomics Lipidomics. 2017; 7: 142; https://doi.org/10.4172/2153--637.1000142.
Lee B.J., Weyers M., Haynes R.K., van der Kooy F., Discovery of artemisinin in Artemisia annua, its current production, and relevance to sub-Saharan Africa, South African J. Bot. 2023; 153: 21−27, https://doi.org/10.1016/j.sajb.2022.12.017.
Li L., Zhang H., Zhang L. The physiological response of A. annua L. to salt stress and salicylic acid treatment, Physiol. Mol. Biol. Plants 2014; 20(2): 161–169; https://doi.org./10.1007/s12298-014-0228-4.
Mahey S., Kumar R., Sharma M., Kumar V., Bhardwaj R. A critical review on toxicity of cobalt and its bioremediation strategies SN Appl. Sci. 2020; 2: 1279; https://doi.org/10.1007/s42452-020-3020-9
Mannan A., Ahmed I., Arshad W., Mirza Survey of artemisinin production by diverse Artemisia species in northern Pakistan Malaria J. 2010; 9(1): 310; https://doi.org/10.1186/1475-2875-9-310.
Mittler R. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. Trends Plant Sci. 2002; 7: 405–410; https://doi.org/10.1016/S1360-1385(02)02312-9.
Piršelová B., Galušˇcáková L., Lengyelová L., Kubová V., Jandová V., Hegrová J. Assessment of the hormetic effect of arsenic on growth and physiology of two cultivars of maize (Zea mays L.). Plants. 2022; 11: 3433; https:// doi.org/10.3390/plants11243433.
Roychoudhury A., Chakraborty S., Chapter 10. Cobalt and molybdenum: deficiency, toxicity, and nutritional role in plant growth and development, Editor(s): V. Kumar, A. Kumar Srivastava, P. Suprasanna. Plant Nutrition and Food Security in the Era of Climate Change. Academic Press. 2022: 255–270; https://doi.org/10.1016/B978-0-12-822916-3.00021-4.
Saud S., Wang D., Fahad S., Javed T., Jaremko M., Abdelsalam N.R., Ghareeb R.Y. The impact of chromium ion stress on plant growth, developmental physiology, and molecular regulation. Front. Plant Sci. 2022; 13: 994785. DOI: 10.3389/fpls.2022.994785.
Sharifivash R., Shokrpour M. Physico-chemical evaluation pf some wormwood (Artemisia absinthium) under salt stress condition J. Plant Physiol. 2017; 7(2): 81−90.
Wang Y., Yu J., Xia P. Artemisia dominant species succession relating to the soil moisture decrease in abandoned land of the Loess Plateau (China); comparative study of drought-adaptive characteristics. Springer Plus, 2016; 5(1): 992; https://doi.org/10.1186/s40064-016-2678-3.
Wright C.W. in R. Hardman (ed.) Artemisia in medicinal and aromatic plants (V. 18) NY, London. Taylor&Fransis Inc. 2002