Хотя экология опыления хорошо изучена, главным образом в морфологическом и анатомическом плане, биохимической стороне этого процесса уделялось до последнего времени недостаточно внимания. Применение современных инструментальных методов химического анализа позволяет идентифицировать микроколичества органических веществ и способствует углублению представлений о биохимическом составе нектара и его экологических функциях.
Медоносные растения, точнее их нектар и пыльца, служат важными компонентами природных и сельскохозяйственных экосистем, поскольку являются источниками питания для медоносных пчёл и большого числа других опылителей.
Знания о составе нектара растений и его экологическом значении для других групп организмов, в частности насекомых, птиц, микроорганизмов, по-прежнему весьма ограниченны, что делает необходимым продолжение эколого-биохимических исследований нектара. Исследование состава нектара медоносных растений важно для понимания эколого-биохимических процессов в ландшафтах и их планирования, для углубления представлений о процессах адаптации растений к опылению определенными группами или даже определенным видом насекомых.
Прикладное значение исследований видится нам в оценке пищевой ценности медоносных растений для пчёл, в установлении биохимической взаимосвязи состава нектара и монофлорных сортов мёда, что необходимо для подтверждения ботанико-географического происхождения мёда и выявления его фальсификаций. Данные, полученные нами, представляют определенный интерес для сравнительного анализа состава нектара других видов растений.
Материалы и методы исследований
Объектами исследований являлись цветки основных медоносных растений умеренного пояса (Kirk, Howes, 2012): клевер ползучий (Trifolium repens L.) (n=44); донник белый (Melilotus albus Medik.) (n=44); липа мелколистная (Tilia cordata L.) (n=44); ива белая (Salix alba L.) (n=44). Растения собраны в разных ландшафтно-географических зонах умеренного пояса весной и летом 2012-2014 гг. В Пермском крае (Россия) материал собирали в южно-таёжной подзоне тайги и подтаежной зоне. В федеральной земле Нижняя Саксония (Германия) материал собран в зонах смешанных и широколиственных лесов. Сбор материала проводился в экосистемах с разной степенью антропогенной нагрузки: урбанизированные участки, сельскохозяйственные угодья и особо охраняемые природные территории. Растительный материал, отобранный в экосистемах разных типов, в том числе в антропогенных участках, обладал однотипными морфолого-анатомическими признаками без патологических изменений (некрозы, мелколиственность и т.д.). Растения с явными признаками морфологических отклонений в исследованиях не использовались. Сбор материала проводили одинаковый период суток: в утреннее время (с 9.00 до 10.00 часов), в ясную погоду, за сутки до сбора погода была ясная, сухая.
Для выделения нектара из цветков медоносных растений использовали метод смывания, традиционно применяемый для определения сахаров в нектаре [1]. Навеску свежих цветков 0,5 г заливали 10 см3 дистиллированной воды с температурой 25 °С, интенсивно встряхивали в течение 30 минут и фильтровали экстракт через бумажный фильтр. Перед хроматографированием экстракты фильтровали через мембранный фильтр с диаметром пор 45 мкм. Всего проанализировано 176 проб нектара медоносных растений в 3-кратной аналитической повторности.
Химический состав нектара: содержание свободных аминокислот, водорастворимых витаминов, алифатических карбоновых кислот и фенольных соединений определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с ультрафиолетовым детектором (ВЭЖХ-УФ) на приборе Ultimate 3000 (Dionex, Германия). Тип хроматографической колонки - Acclaim® C18; 3 мкм; 120 Ǻ; 2,1×210 мм. В качестве подвижной фазы использовались элюенты: ацетонитрил (сорт 0 «ОСЧ» для ВЭЖХ) и фосфатный буфер в концентрациях от 25 до 40 мМ и с уровнем кислотности рН от 2,9 до 5,5 в зависимости от физико-химических свойств исследуемых веществ. Для оптимальной идентификации соединений были определены ультрафиолетовые спектры водных растворов исследуемых веществ на спектрофотометре СФ-2000 с диодной матрицей. Результаты химического анализа выражали в миллиграммах (мг) соответствующего вещества в нектаре в пересчете на 100 г цветков, далее мг/100 г цветков.
Статистическую обработку данных проводили в программе SigmaPlot 11.0 с использованием методов вариационной статистики и дисперсионного анализа. Оценивали характер распределения данных, достоверность средних значений, стандартное отклонение. Варианты сравнивали между собой с применением критерия Фишера и показателя наименьшей существенной разности на 5%-ном уровне значимости (НСР05).
Результаты и их обсуждения
Исследованные виды относятся к основным медоносным растениям умеренной природной зоны, обеспечивая опылителей нектаром и пыльцой в разные периоды вегетационного сезона [7].
Полученные средние величины по содержанию свободных аминокислот, водорастворимых витаминов, алифатических карбоновых кислот и фенольных соединений подчинялись закону нормального распределения. Большое количество проб нектара, отобранных у цветков из разных природных зон и в разных экологических условиях, позволяет считать полученные данные характерными видовыми показателями биохимического состава на 5%-ном уровне значимости.
В нектаре растений обнаруживают 12 аминокислот: аргинин, гистидин, лизин, триптофан, фенилаланин, метионин, треонин, лейцин, изолейцин, валин, глутаминовая и аспарагинова кислоты. Нами изучен аминокислотный состав медоносных растений на примере четырех наиболее часто присутствующих в нектаре и мёде аминокислот.
Как показали результаты, нектар клевера ползучего отличался повышенным содержанием аминокислот: фенилаланина, гистидина, аргинина. В нектаре липы мелколистной отмечено максимальное содержание лейцина. Нектар донника белого характеризовался низким содержанием аргинина и лейцина. В минимальных количествах в нектаре липы мелколистной содержался гистидин, в нектаре ивы белой - фенилаланин (табл. 1).
Аминокислоты в нектаре растений служат важным источником азота для насекомых-опылителей. По некоторым данным, в 0,4 мл нектара содержится около 840 мМ аминокислот, что обеспечивает суточную потребность организма насекомых азотом. Имеется некоторая взаимосвязь между эволюционным развитием растений и их аминокислотным составом.
Таблица 1
Содержание аминокислот в нектаре медоносных растений, мг/100 г цветков
|
Аминокислота |
Вид растения |
НСР05 |
|||
|
Ива белая n=44 |
Клевер ползучий n=44 |
Липа мелколистная n=44 |
Донник белый n=44 |
|
|
|
Фенилаланин |
4,76±0,54 |
8,93±1,25 |
5,78±0,76 |
7,89±1,31 |
0,98 |
|
Гистидин |
1,23±0,11 |
3,45±0,23 |
1,09±0,10 |
2,76±0,76 |
0,59 |
|
Аргинин |
8,77±1,05 |
9,34±0,76 |
6,76±0,54 |
3,48±0,45 |
0,51 |
|
Лейцин |
2,45±0,65 |
1,24±0,18 |
3,45±0,34 |
0,98±0,26 |
0,75 |
|
Примечания. 1. НСР05 - наименьшая существенная разница; 2. ± - стандартное отклонение; 3. n - количество проб. |
|||||
В нектаре цветков древесных растений содержание аминокислот существенно ниже, чем в цветках травянистых растений. По мнению некоторых исследователей, развитие растений происходило по пути повышения содержания аминокислот в нектаре, что связано, возможно, с коэволюцией питательной потребности насекомых [8]. Сумма 4 аминокислот в нектаре исследованных нами древесных растений (липа мелколистная, ива белая) была ниже, чем у травянистых растений (клевер ползучий, донник белый). Таким образом, полученные нами данные подтверждают установленную ранее филогенетическую закономерность формирования состава нектара.
Недавно было показано, что аминокислоты по сравнению с сахарами имеют меньшее значение в качестве пищевых аттрактантов для некоторых насекомых, главным образом для пчёл [6]. Однако авторами приведенной работы отмечается тот факт, что аминокислота фенилаланин в сочетании с сахарами все же играет определенную роль в привлечении пчёл к цветку. Как отмечалось выше, для других опылителей, например бабочек, не получающих азотистые соединения из пыльцы, аминокислоты нектара имеют большее значение в питании и пищевом поведении, чем для других опылителей, например пчёл и птиц.
Подробных данных по содержанию витаминов в нектаре отдельных видов растений в литературе последнего времени относительно немного. Известно, что в нектаре растений содержится аскорбиновая кислота (витамин С), которая выполняет функцию естественного антиоксиданта и предотвращает окисление многих важных органических веществ. Имеются данные о содержании в нектаре других витаминов: B3, B5, B6, A, E [7].
В результате наших исследований были выявлены видовые особенности содержания трех витаминов в нектаре медоносных растений (табл. 2).
Таблица 2
Содержание водорастворимых витаминов в нектаре медоносных растений, мг/100 г цветков
|
Витамин |
Вид растения |
НСР05 |
|||
|
Ива белая n=44 |
Клевер ползучий n=44 |
Липа мелколистная n=44 |
Донник белый n=44 |
|
|
|
С |
0,45±0,09 |
1,15±0,23 |
0,98±0,21 |
1,55±0,71 |
0,38 |
|
В3 |
0,23±0,07 |
1,23±0,75 |
0,65±0,12 |
0,98±0,32 |
0,12 |
|
В6 |
0,15±0,06 |
0,28±0,11 |
0,20±0,10 |
0,59±0,14 |
0,25 |
|
Примечания. 1. НСР05 - наименьшая существенная разница; 2. ± - стандартное отклонение; 3. n - количество проб. |
|||||
Как видно из таблицы 2, нектар донника белого обладал повышенным содержанием витаминов С и В6. Максимальное содержание витамина В3 отмечено в нектаре клевера ползучего. Минимальным содержанием трех витаминов характеризовался нектар ивы белой. Результаты свидетельствуют, что нектар цветковых растений, вероятно, отличается более высоким содержанием витаминов, в отличие от древесных растений, как и в случае с аминокислотами. Таким образом, прослеживается некоторая корреляция витаминного состава нектара с филогенетическим положением растений, что требует отдельного более глубокого исследования.
Витамины играют важную роль в питании и функционировании организма насекомых. Установлено, что добавка витаминов С и Е в подкормку медоносных пчёл (Apis mellifera) повышает их устойчивость в зимний период и увеличивает силу пчелиных семей [3]. Видовой состав растительных сообществ будет сказываться на обеспеченности насекомых витаминами и влиять, таким образом, на их устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды.
Было изучено содержание карбоновых кислот в нектаре медоносных растений. Результаты показали, что содержание карбоновых алифатических кислот имеет достоверные межвидовые отличия в нектаре медоносных растений. Повышенное содержание яблочной, лимонной и фумаровой кислот установлено в нектаре ивы белой, минимальное - у клевера ползучего и донника белого. Повышенное содержание щавелевой кислоты отмечено в нектаре клевера ползучего, а минимальное содержание - в нектаре липы мелколистной. Кроме того, нектар липы мелколистной отличался пониженным содержанием яблочной и лимонной кислот, а также отсутствием фумаровой кислоты (табл. 3).
Таблица 3
Содержание карбоновых алифатических кислот в нектаре растений, мг/100 г цветков
|
Карбоновая кислота |
Вид растения |
НСР05 |
|||
|
Ива белая n=44 |
Клевер ползучий n=44 |
Липа мелколистная n=44 |
Донник белый n=44 |
|
|
|
Щавелевая |
0,65±0,08 |
1,22±0,41 |
0,37±0,25 |
0,87±0,12 |
0,31 |
|
Яблочная |
10,73±2,25 |
4,05±0,73 |
1,04±0,23 |
4,98±0,23 |
2,45 |
|
Лимонная |
34,76±7,34 |
4,18±0,62 |
0,31±0,09 |
2,15±0,31 |
2,15 |
|
Фумаровая |
1,24±0,04 |
0,09±0,02 |
н.о. |
0,07±0,03 |
0,75 |
|
Примечания. 1. НСР05 - наименьшая существенная разница; 2. ± - стандартное отклонение; 3. n - количество проб; 4. н.о. - не обнаружено, ниже предела обнаружения метода, т.е. менее 1,0 мг/100 г. |
|||||
Карбоновые алифатические кислоты в нектаре растений выполняют важные функции в роли феромонов, придающих аромат и привлекающих насекомых к цветку. За счёт поддержания кислой среды кислоты нектара предотвращают его бактериальное поражение [5].
Фенольные соединения представляют собой многочисленный и интересный в эколого-биохимическом плане класс вторичных метаболитов растений. Вторичные метаболиты выполняют ряд важных экологических функций, необходимых для нормального развития растений, ведущих прикрепленный образ жизни. Пищевые аттрактанты и детергенты насекомых изучались очень интенсивно в 60-70-е годы ХХ столетия [10]. Известно, что вторичные метаболиты растений почти всех классов относятся к пищевым аттрактантам и детергентам для разных групп насекомых: тлей, жуков, бабочек, молей и др. Заслуживает внимания тот факт, что химическая природа аттрактантов существенным образом влияет на пищевое поведение насекомых. Видовые, сезонные и прочие особенности в составе нектара необратимо должны влиять на его пищевые достоинства и очень четко определять круг насекомых-опылителей, посещающих цветок того или иного вида растений.
В разных частях цветка фенольные соединения выполняют специфические функции. Фенольные соединения образуют большую группу соединений, обуславливающих окраску лепестков цветка и интенсивно пигментированных структур цветка, так называемых указателей нектара [2]. В составе нектара фенольные соединения нектара играют роль в создании запахов цветка, привлекающих опылителей или, напротив, отпугивающих насекомых-расхитителей нектара. Антимикробные, фунгицидные, антиоксидантные свойства фенольных соединений предотвращают поражение нектара и цветка патогенными организмами [5].
Медоносные пчёлы, как, очевидно, и другие опылители, используют биологически активные свойства фенольных соединений для нормальной жизнедеятельности, борьбы с возбудителями болезней и повышения устойчивости к неблагоприятным абиотическим условиям.
В таблице 4 представлены данные по содержанию некоторых наиболее распространенных представителей фенольных соединений в нектаре растений.
Таблица 4
Содержание фенольных соединений в нектаре медоносных растений, мг/100 г цветков
|
Фенольные соединения |
Вид растения |
НСР05 |
|||
|
Ива белая n=44 |
Клевер ползучий n=44 |
Липа мелколистная n=44 |
Донник белый n=44 |
|
|
|
Галловая кислота |
16,78±1,03 |
19,15±2,15 |
14,54±1,65 |
17,91±2,13 |
1,54 |
|
Кофейная кислота |
12,45±1,48 |
5,67±0,56 |
1,23±0,45 |
8,53±1,04 |
2,92 |
|
Салициловая кислота |
3,45±1,05 |
7,98±1,35 |
0,89±0,11 |
6,34±1,98 |
2,04 |
|
Кверцетин |
0,15±0,06 |
2,12±0,54 |
4,34±1,11 |
1,98±0,34 |
1,22 |
|
Примечания. 1. НСР05 - наименьшая существенная разница; 2. ± - стандартное отклонение; 3. n - количество проб. |
|||||
Данных по видовым особенностям состава фенольных соединений в нектаре растений относительно немного. Наши исследования показали, что нектар медоносных растений проявляет достоверные видовые отличия по содержанию фенольных кислот (галловой, кофейной, салициловой) и флавоноида (кверцетина).
Ряд исследований состава натуральных монофлорных медов, проведенных разными авторами в последние годы, свидетельствует о тесной связи между содержанием фенольных соединений и ботаническим происхождением монофлорного мёда, т.е. и с видовыми особенностями состава нектара. Исследование состава нектара представляет интерес для дальнейших эколого-биохимических исследований медоносных растений и для установления закономерностей формирования состава мёда как источника пищи пчёл и других животных.
Анализ данных многолетних исследований британских авторов [7] позволил оценить значение изученных нами видов медоносных растений для разных групп насекомых. В таблице 5 обобщены сведения о пищевом значении медоносных растений для медоносных пчёл, одиночных пчёл, короткохоботных (средняя длина хоботка 7,5 мм) и длиннохоботных видов шмелей (средняя длина хоботка более 7,5 мм, иногда до 13 мм у Bombus hortorum).
Таблица 5
Значение медоносных растений для разных групп насекомых-опылителей
|
Вид растения |
Пищевой ресурс |
Значение для групп насекомых |
|
Ива белая |
Источник пыльцы, частично нектара |
Медоносные пчёлы - высокое, одиночные пчёлы - высокое, короткохоботные шмели - высокое, длиннохоботные шмели - высокое |
|
Липа мелколистная |
Источник нектара
|
Медоносные пчёлы - высокое, одиночные пчёлы - низкое, короткохоботные шмели - высокое, длиннохоботные шмели - среднее |
|
Клевер ползучий |
Источник нектара, частично пыльцы |
Медоносные пчёлы - высокое, одиночные пчёлы - среднее, короткохоботные шмели - высокое, длиннохоботные шмели - высокое |
|
Донник белый |
Источник нектара, частично пыльцы |
Медоносные пчёлы - высокое, одиночные пчёлы - среднее, короткохоботные шмели - высокое, длиннохоботные шмели - высокое |
Исследованные нами медоносные растения отличаются своим значением для разных групп насекомых. Цветки ивы посещаются активно многими группами насекомых, поскольку этот вид растений является одним из самых ранних весенних источников пыльцы и нектара для многих насекомых. Липа мелколистная, в качестве источника нектара, посещается главным образом медоносными пчёлами и шмелями с коротким хоботком, в то время как для шмелей с длинным хоботком этот вид имеет среднее значение, а для одиночных пчёл - низкое. Клевер ползучий и донник белый, относясь к одному семейству бобовых (Fabaceae), имеют равное значение для рассматриваемых 4 групп насекомых.
Клевер ползучий и донник белый активно посещаются медоносными пчёлами и шмелями и в меньшей степени опыляются одиночными пчёлами. Последняя группа насекомых посещает цветки клевера, донника и некоторых других видов бобовых для сбора пыльцы [7].
Посещаемость цветков зависит не только от состава нектара, но и от многих других факторов, таких как количество нектара, окраска и анатомические особенности цветка и насекомого и т.д.
Целенаправленные исследования взаимосвязи растений с определенными видами насекомых-опылителей с эколого-биохимических позиций представлены незначительным числом работ и посвящены, главным образом, роли окраски и запаха. Пищевые вещества, как пищевые аттрактанты и детерренты, изучены в основном в вегетативных частях растений с оценкой их роли для растительноядных насекомых [2].
Исследование пищевых предпочтений отдельных видов насекомых в комплексе с изучением состава нектара растений является перспективным в плане разработки биологических методов регуляции видового состава ландшафтов, в частности агроландшафтов.
Выводы
В результате исследований определены характерные видовые показатели содержания представителей четырех классов органических веществ: витаминов, аминокислот, карбоновых кислот и фенольных соединений, входящих в состав нектара важнейших медоносных растений умеренной природной зоны. Анализ источников литературы и собственных данных показал взаимосвязь состава нектара с систематическим положением растений, а также продемонстрировал коэволюционный аспект между биохимическим составом нектара и пищевыми предпочтениями насекомых. Исследованные соединения выполняют важные экологические функции в нектаре растений, привлекая насекомых-опылителей и обеспечивая их питанием, предотвращая окисление и микробное поражение нектара.
Продолжение исследований видится нам в расширении числа идентифицируемых органических веществ в составе нектара, увеличении числа видов растений, а также в исследованиях пищевых предпочтений насекомых и эколого-биохимической адаптации растений и опылителей друг к другу при разных экологических условиях. Решение эколого-биохимических вопросов антэкологии параллельно с морфолого-анатомическими исследованиями видится нам весьма перспективным для понимания сложных взаимоотношений между насекомыми и растениями в экосистемах, что необходимо для рационального планирования ландшафтов.
Работа выполнена при финансовой поддержке задания 2014/153 государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России (проект 144, № гос. рег. 01201461915).
Рецензенты:
Боронникова С.В., д.б.н., профессор, заведующая кафедрой ботаники и генетики растений, ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», г. Пермь;
Ерёмченко О.З., д.б.н., профессор, заведующая кафедрой физиологии растений и микроорганизмов, ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», г. Пермь.
Библиографическая ссылка
Кайгородов Р.В., Кулешова Т.С., Кайгородов Р.В. ВИДОВЫЕ ЭКОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НЕКТАРА МЕДОНОСНЫХ РАСТЕНИЙ // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 3. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=19477 (дата обращения: 02.04.2025).