Адаптивные стратегии и накопление вторичных метаболитов растениями

    Многообразие экологических функций вторичных метаболитов связано и с тем, что эти вещества обладают различными механизмами действия: одни - снижают доступность растительного материала для поедания (горечи, ингибиторы пепсина и трипсина, кутикулы), другие направлены на подавление «противника» – ингибируются ключевые ферменты «проникновения» (целлюлазы фитопатогенов), нарушается онтогенез и, в частности, репродуктивная функция насекомых через синтез ювенильных гормонов, известны случаи прямого влияния на дифференциальную экспрессию генов.

          Итак, вторичные метаболиты играют адаптивную роль в развитии растений: росте, развитии, симбиозе, репродукции. Кроме того, ВМ участвуют в формировании локальной или системной защиты от фитопатогенов и фитофагов (Kutchan, 2001). Вышеперечисленное дает основание включить вторичные метаболиты в пространство признаков, рассматриваемых в рамках концепции  адаптивных стратегий.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ НАКОПЛЕНИЯ ВТОРИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ

     Накопление вторичных метаболитов в значительной степени определяется условиями среды. Этот контроль осуществляется как на уровне макроэкологических различий местообитаний (широта, долгота, аридность, высотная поясность), так и на уровне ландшафтных флуктуаций типов почв, содержания питательных веществ и микроэлементов.

      Под влиянием условий среды меняется как количественный, так и качественный состав вторичных метаболитов. Давно известны факты, интерпретируемые как «географичность природных веществ» (Георгиевский и др., 1990). Так, синтез некоторых веществ (кумарины, фенольные соединения и др.) зависит от «солярных зон», сменяющихся по широтам от зон ультафиолетового дефицита (высокие широты) до зон УФ-избытка на юге. Вторичные метаболиты образуются в ответ на изменения температуры (тепловой и холодовой стресс), влажности, наличии/отсутствии эдафических факторов, включая микроэлементы (табл.1). Как видно из таблицы, под влиянием экологических факторов может меняться и количество, и качественный спектр веществ. Т.о., накопление вторичных метаболитов возрастает с нарастанием стресса и S-свойств у растений. Т.о., по отношению к вторичным метаболитам применим принцип множественности ПАР.

         Реализация принципа независимости ПАР видна на рис. 2, где две группы ВМ – флаваниоды и халконы по-разному реагируют в градиентах веществ, характеризующих почвы разных местообитаний. Важно отметить, что в разных градиентах (рН, Сu, Zn и т.д.) накопление вторичных метаболитов в экологических градиентах носит, как правило, нелинейный характер. Данные, приведенные на рис. 2 можно интерпретировать как результат действия множества разных регуляторов синтеза каждого из ВМ, что приводит к реализации эффекта независимости проявления ПАР.

       На рис.3 показана дифференциация оптимумов 12 различных параметров растений: накопление биомассы, ВМ и микроэлементов. Из рис. 3 видно, что оптимумы накопления разных фракций существенно дифференцированы, и распределения вторичных метаболитов также подчинены принципу дифференциации оптимумов.

       Итак, синтез различных типов ВМ подчиняется общим закономерностям формирования адаптивных стратегий:

1-имеется четкая тенденция преимущественного накопления ВМ растениями с выраженной S-стратегией;

2-появление или непоявление того или иного вещества в растении зависит от конкретной комбинации стимулирующих и ингибирующих отдельные ПАР факторов.

      Следствием принадлежности систем синтеза ВМ к основным положениям КАС является резкое расширение типов зависимостей накопления ВМ от условий среды. Так, закономерность «чем сильнее стресс, тем больше ВМ» можно рассматривать лишь как одну из тенденций. Нами в таких ситуациях зарегистрированы как увеличение, так и снижение количества и качественного состава ВМ (Аминева и др., 2001; Нигматуллин и др., 2001). Аналогично, в процессе интродукции растения могут как утрачивать наборы ВМ, характерные для природных ареалов, так и сохранять их при существенных различиях старых и новых местообитаний  (Баширова и др.,2000).

Проблемы функциональной гомологии ВТОРИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ

        Распространение вдоль одного из глобальных экологических градиентов (градиенты «север-юг», аридности и континентальности) не отменяет для растений необходимости адаптироваться ко всему комплексу экологических факторов: так, приспосабливаться  к содержанию элементов минерального питания в почве, фитофагам и фитопатогенам растениям необходимо как на средних, так и южных широтах, в разных «солярных» или иных зонах. В этом случае возможны следующие варианты динамики ВМ в растениях:

1-растения имеют универсальный набор ВМ, который обеспечивает частные приспособления в любых экосистемах. Именно этим  допущением руководствуются многие при интродукции растений в новые местообитания. Часто эти попытки заканчиваются неудачей;

2- в растениях могут синтезироваться какие-то функциональные аналоги тех соединений, синтез которых затруднен дефицитом УФ-света или иных факторов среды.

     В последнем случае должны существовать специфические механизмы адаптивного замещения одних вторичных метаболитов другими. Такое адаптивное замещение существует, но изучено для очень небольшой группы вторичных метаболитов. По-видимому, можно думать о своеобразных «гомологических рядах» физиологически эквивалентных вторичных метаболитах. Однако сведений о том, как именно будет меняться тот или иной тип молекул в экологических градиентах, очень мало.

        Таким образом, появление веществ специализированного обмена, с одной стороны, детерминировано таксономическим положением рода (вида), с другой – влиянием экологических факторов в зоне распространения конкретной популяции. Кроме того, можно думать и о неэкологических причинах появления вторичных метаболитов. В силу этого возможны следующие механизмы появления качественно новых веществ специализированного обмена как результатов построения все новых ответвлений от основных метаболических путей:

1.Новые белки-ферменты и целые метаболические пути могут появляться в результате классических трансформаций генетического материала (Жученко, 1994). Параллельно нельзя исключать возможность проявления признаков неклассической генетики: нейтралистские механизмы молекулярной эволюции (Кимура, 1985), обратимых генетических механизмов динамической наследственности (Tchuraev, 2000) или горизонтальный перенос генов (Айала, Кайгер, 1988). На табл.2 приведены возможности участия различных генетических и онтогенетических процессов в появлении новых молекул ВМ. Не вдаваясь в подробное обсуждение этих концепций отметим, что реализация описанных в них механизмов легко позволяет расширить число видов молекул ВМ. Как было отмечено выше, число описанных ВМ достигает 45 000 (Kutchan, 2001). Оценка соотношения уже известных и потенциально возможных ВМ позволяет считать, что число открытых в 102 … 1010     раз меньше еще неоткрытых ВМ (Усманов и др.,2000).

2.Закрепление новых молекул в общем адаптивном комплексе популяции произойдет в случае их реального участия в повышении выживаемости растений в конкретных местообитаниях. В связи с этим можно предположить, что число новых ПАР будет тем больше, чем разнообразнее действующие внешние факторы адаптации.

         Важно отметить, что даже небольшие изменения молекул ВМ в гомологических рядах могут кардинально менять биологическое действие и лекарственные свойства ВМ (Носов, 1994). Поэтому интерес представляют любые модификации ВМ.

       Следствием этих положений является утверждение: чем выше видовое разнообразие, внутривидовая гетерогенность и разнообразие экологических и биотических факторов среды, тем выше вероятность появления в растениях новых химических соединений. В то же время нельзя заранее предсказать, в какой популяции при каких условиях какой тип вторичных метаболитов может синтезироваться. В силу этого на современном уровне знаний можно прогнозировать лишь общие, «стратегические» направления и территории поиска новых ВМ. Эмпирическая составляющая еще долго будет оставаться основным методом поиска новых ВМ.

ЦЕНТРЫ БИОРАЗНООБРАЗИЯ ВТОРИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ

И  Химические эндемики

       В наибольшей степени видовое биоразнообразие и разнообразие местообитаний сосредоточено в горных регионах. Н.И.Вавилов рассматривал горные экосистемы центры наибольшего генетического разнообразия (Реймерс, 1991). Сочетание эколого-почвенных, микроклиматических и биологических факторов в горных изолированных (частично изолированных) местообитаниях  часто создает уникальные комбинации, которые требуют адекватной «настройки» адаптивного комплекса, включая появление вторичных метаболитов. Горные регионов можно рассматривать как «центры разнообразия лекарственных веществ растительного происхождения»: ранее было констатировано: чем выше биоразнообразие, а также разнообразие экологических и биотических факторов среды, тем выше вероятность появления в растениях новых химических соединений.

      На территории Российской федерации имеется несколько горных систем, где видовое γ-разнообразие весьма высоко (Малышев, 1994): на Кавказе среднее число видов на 100 кв.км. составляет 500-900, на Сихоте-Алине – 500-800, на Алтае – 500-700  и на Южном Урале – 500-600 видов на 100 кв.км. Это является результатом проникновения северных видов на юг, восточных – на запад и наоборот. Горный рельеф способствует формированию смешанных флор.

        Рассмотрим некоторые предпосылки формирования вторичных метаболитов в горных системах на примере Урала.

       Урал – старые горы. Здесь имеется достаточно большое количество реликтовых и эндемичных видов растений (минимум 70-80 видов: см.: Красная книга БАССР, 1987). Иначе говоря, у растительности Урала было достаточно времени для глубоких адаптивных перестроек, вплоть до видообразования. По аналогии можно предположить, что могли сформироваться таксоны более низкого, чем вид, ранга – расы и экоформы. Эти химические расы на Урале искали на единичных видах и по очень узкому спектру веществ. Поэтому полное описание химических характеристик 150 оффицинальных видов и более чем 250 видов народной медицины – дело будущего.

          В горных системах России, как правило, высока сохранность многих экосистем. На базе слабонарушенных территорий высока концентрация Особо Охраняемых Природных Территорий (заповедники и др.). Поэтому у вновь возникавших «химических рас» была высока вероятность выжить именно в силу высокой сохранности разнообразных природных комплексов.

       При оценке условий накопления вторичных метаболитов в растениях обязательным является учет «режима неблагоприятствования» экологических факторов. Еще средневековые авторы многообразие погодных режимов в Волго-Уральском регионе образно называли «семь климатов» (Усманов, 1972). Климат горных систем РФ оценивается как континентальный, т.е. высоки перепады температуры и влагообеспеченности как по годам, так и по сезонам и в течение суток. Кроме того, у нас существует специфический погодный режим -  «флуктуирующий режим неблагоприятствования». Годы с устойчивым доминированием какого-то одного режима (только засуха, или только переувлажнение) скорее исключение, чем правило. Часто неблагоприятные периоды чередуются непредсказуемо, в стохастическом режиме. Иначе говоря, смены «режимов неблагоприятствования» носят случайный характер, и не имеют устойчивых циклов, периодов и т.п. Сейчас в литературе «непредсказуемость» колебаний погодных условий рассматривается как существенный погодный фактор, который ранее незаслуженно оставался вне поля зрения растениеводов. ФРН исследуется для самых разных местообитаниях, включая даже пустыни (Fisher, 1994), и подчеркивается влияние непредсказуемых изменений условий среды на развитие растительности. Поскольку вторичные метаболиты часто образуются именно в ответ на «режимы неблагоприятствования», то многообразию климатических режимов должно соответствовать многообразие вторичных метаболитов.

      Если исходить их гипотез постепенного накопления признаков (эволюционные гипотезы), то вероятность появления новых продуктов метаболизма максимальна в тех экосистемах, к которым эти виды растений приспосабливались в течение сотен и тысяч поколений. Многообразие почвенно-климатических режимов еще в большей степени повышает вероятность появления новых адаптивных форм, в том числе и химических. Горные системы Росси, и в том числе Южный Урал следует исследовать как «центры разнообразия лекарственных веществ растительного происхождения», по аналогии с центрами происхождения культурных растений С.И.Вавилова именно в силу высокого разнообразия условий, а также видового и генетического разнообразия.

     Поскольку существуют растения - эндемики, т.е. растения, которые растут только в конкретной почвенно-климатической зоне, то логично считать, что существуют и «химические соединения – эндемики», которые могут синтезироваться только в ответ на влияние специфической для конкретной местности комбинации эколого-климатических факторов. В других условиях эти вещества могут и не синтезироваться. Именно эти «химические вещества – эндемики» могут быть мощными регуляторами метаболизма, в том числе и при коррекции патологических состояний человека и животных.

      Нами получены предварительные данные существования «химических эндемиков». Так, эндемик Южного Урала – солодка Коржинского (Glizirriza korshinskyi) содержит новые формы глицирризиновой кислоты (Муртазина и др.,2001), а в популяциях эхинацеи пурпурной (Echinacea purpurea), выращенных на Южном Урале, появляются формы алкиламидов, которых нет в популяциях с Северного Кавказа (Баймухаметова и др.,2001). Аналогичные результаты получены на популяциях тысячелистников (Achillea millifolia) (Аминева и др.,2001).  Таким образом, в популяциях из разных местообитаний Южного Урала формируются качественнные различия спектров разных групп вторичных метаболитов.

Итак, процессы синтеза и экологического контроля количественного и качественного состава ВМ подчиняется закономерностям, лежащим в основе концепции адаптивных стратегий. Это дает дополнительные инструменты исследователям вторичных метаболитов.

1.Адаптивная роль ВМ в наибольшей степени проявляется у растений с выраженной S-стратегией. Это определяет вектор поиска новых ВМ.  Универсальность типов адаптивных стратегий делает более вероятным поиск новых ВМ в экосистемах с гомологичными эколого-климатическими условиями.

2.Концепция адаптивных стратегий указывает на относителную независимость формирования отдельных ПАР, включая и накопление ВМ. В связи с этим изменения синтеза одного из ВМ не означает изменений синтеза других типов ВМ. Это положение увеличивает число возможных комбинаций ВМ, но также увеличивает объем экспериментальных работ по поиску новых ВМ.