doi: 10.15389/agrobiology.2023.1.114rus
УДК 633.8:58.144:58.01:57.017.6:574.45:581.192
ОПЫТ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ЛЕВЗЕИ САФЛОРОВИДНОЙ Rhaponticum carthamoides (Willd.) Iliin В КАЧЕСТВЕ РЕСУРСНОГО ИСТОЧНИКА ЭКДИСТЕРОНА В УСЛОВИЯХ АРХАНГЕЛЬCКОЙ ОБЛАСТИ
Н.П. ТИМОФЕЕВ✉
Мировой рынок экдистерон-содержащих субстанций на 2021 год оценивался в 100 млрд долларов, и в ближайшие 5 лет потребность в таких субстанциях будет значительно возрастать. Для получения экдистерон-содержащих продуктов фармацевтического качества в первую очередь подходят надземные и подземные части левзеи сафлоровидной Rhaponticum carthamoides (Willd.) Iliin. Общепринятые технологии культивирования и изучение R. carthamoides в России и за рубежом не связаны с качеством получаемого лекарственного сырья. В настоящей работе впервые реализован альтернативный способ получения экдистерон-содержащей субстанции из листового материала левзеи сафлоровидной R. carthamoides. Предлагаемая технология проста, масштабируема в условиях агропопуляций Европейского Севера и соответствует ключевым требованиям, которые предъявляются международными экспертами и специалистами к источникам промышленного получения экдистерона. Нашей целью было проанализировать 32-летний опыт культивирования левзеи сафлоровидной в условиях промышленно эксплуатируемой плантации, расположенной на Европейском Северо-Востоке России (Архангельская обл.), выявить потенциал долголетия и продуктивности агропопуляции R. carthamoides по возрастным периодам, изучить закономерности накопления экдистерона в ежегодно отчуждаемой надземной фитомассе, а также оценить качество получаемого растительного сырья по содержанию нормируемых веществ. Исследования выполняли на юго-востоке Архангельской области, в подзоне средней тайги (Котласский р-н; 61°20'' с.ш., 47° в.д.), в агропопуляции R. carthamoides (единый участок площадью 1 га) в период с 1989 по 2022 годы. Семена были получены из Ботанического сада Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар). Исходное происхождение семян — Алтайская природная популяция; первичный сбор 1956 года. Посев с междурядьями 70 см, подзимний (в середине октября после начала осенних заморозков). Норма высева семян —2,7 кг/га при полевой всхожести 58 %; глубина заделки семян — 2-3 см. Минеральные удобрения (NPK60-90) вносили только в первые 3 года после посева; далее культивирование в онтогенезе вели по типу органического земледелия (минеральные и органические удобрения, гербициды, химические средства защиты и регуляторы роста растений не применяли). Отчуждение урожая надземных частей было ежегодным одноразовым (в фазу бутонизации). Применяли комплекс популяционных, агрохимических, анатомо-морфологических, биохимических и статистических методов анализа. На уровне агропопуляции изучали возрастные состояния в онтогенезе, плотность (численность), валовую продукцию надземных и подземных органов, урожайность семян, на уровне растений — рост, развитие, морфологическую структуру, продуктивность различных органов (корни, листья, семена). Изъятие образцов проводили в оптимальные фазы развития растений: надземной фитомассы — в фазу бутонизации (I и II декада июня), корневищ — осенью после завершения вегетации (октябрь) или ранней весной до начала вегетации (апрель). В надземной части выделяли морфологически разнородные органы — укороченные вегетативные (розеточные) и стеблевые генеративные (репродуктивные) побеги с соцветиями. Промышленный сбор растительного сырья осуществляли в конце мая—начале июня, в фазу бутонизации. Растительный материал (органы, элементы и фракции) высушивали при переменной температуре от 23-25 до 35-40 °С и относительной влажности воздуха 25-40 % в соответствии с правилами по заготовке и сушке лекарственного сырья. Из воздушно-сухого сырья методом квартования формировали образцы для дальнейшего определения содержания первичных и вторичных метаболитов. Количественное содержание экдистерона в сухих образцах определяли методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии с компьютерной обработкой данных по методу внутреннего стандарта. Использовали жидкостный микроколоночный хроматограф Милихром-5 (колонка 80×2 мм, сорбент Nucleosil C18 с размером частиц 5 мкм) (ООО «Медикант», Россия). Также проводили химические анализы сухих образцов на содержание потенциально опасных веществ. Длительность онтогенеза агропопуляции была близка к параметрам природных популяций на субальпийских лугах и составляла свыше 30 лет без перехода в сенильный возраст на 33-й год жизни, плотность растений достигала оптимальных значений 28-23 тыс. шт/га, начиная с 3-4-го года жизни. Вегетативная надземная масса и корни с корневищами не поражались болезнями и вредителями. Усредненная масса корней с корневищами в период с относительно устойчивым продуцированием фитомассы (с 5-го по 32-й год жизни) составляла 246,3 г/растение, надземных частей — 223,4 г/растение. Среднегодовая расчетная продуктивность надземной части агропопуляции за этот же период составила около 5300 кг/га, подземной — около 6100 кг/га. Вегетативный тип размножения был наиболее ярко выражен для субсенильного возрастного состояния (с 13-го по 32-й год и далее), где затраты на продуцирование семян (1,3 кг/га) были крайне низкими. Семенной тип размножения был характерен для генеративного периода, начиная с 4-5-го года (8-30 кг/га) с пиком на 6-7-й годы (108 и 78 кг/га). В целом вклад генеративных побегов в величину фитомассы оказался незначителен на всем протяжении жизненного цикла. Биосинтез и накопление экдистерона были прямо связаны с вегетативным размножением: при анализе содержания экдистерона в розеточных побегах в зависимости от величины надземной массы коэффициент детерминации близок к 80 % (R2 = 0,768). Более 90 % ежегодно синтезируемого экдистерона (22 кг/га) накапливалось в надземной части растений в оптимальный уборочный возраст (с 5-го по 32-й годы), или около 600 кг экдистерона за 27 лет эксплуатации. Качественные показатели лекарственного сырья из листового материала R. carthamoides были высокими и соответствовали требованиям для изготовления фармацевтических препаратов с относительной чистотой экдистерона 97 %. Растительное сырье соответствовало всем нормативным требованиям надзорных органов: в нем не накапливались элементы первого и второго класса опасности (тяжелые металлы Hg, Cd, As, Zn; Ni, Cu, Cr) выше фонового уровня, отсутствовали запрещенные хлор- и фосфорорганические соединения, содержание радионуклидов 90Sr и 137Cs и нитритов было ниже допустимой нормы. Из субстанций на основе листового материала R. carthamoides экдистерон хорошо экстрагировался в водные и спиртовые растворы и хорошо сохранялcя в них без консервантов (на 93-98 % течение 1 сут). Применение кормовой добавки на основе этой субстанции в промышленном животноводстве приводило к значимому оздоровлению поголовья, анаболическому и экономическому эффектам.
Ключевые слова: фитоэкдистероиды, 20-гидроксиэкдизон, Rhaponticum carthamoides, левзея сафлоровидная, маралий корень, кормовые добавки, анаболические субстанции.
N.P. Timofeev✉
In 2021, the global market for ecdysterone-containing substances amounted to $100 billion and is expected to grow significantly in the next 5 years. The aboveground and underground parts of Rhaponticum carthamoides (Willd.) Iliin are primarily suitable to obtain ecdysterone-containing products of pharmaceutical quality. However, both in Russia and abroad, сommon technologies for R. carthamoides cultivation and study are not focused on the quality of the medicinal raw materials. In this paper, we have implemented for the first time an alternative technology for the production of ecdysterone-containing substance from the leaf parts of R. carthamoides. The technology is simple and can be scaled up in agropopulations of the Northern European Russia and meets the key requirements for industrial raw materials and end ecdysterone products set by international experts. Our goal was to summarize 32 years of experience in growing R. carthamoides on a plantation located in the European Northeast of Russia (Arkhangelsk Province). We assessed the potential for longevity and productivity of the agricultural population by life cycle stages and age, the regularities of ecdysterone accumulation in annually harvested aboveground plant parts, and the quality of obtained plant raw material for the content of standardized substances. The study was performed in the southeast of the Arkhangelsk Province (the Middle Taiga subzone, Kotlass District; 61°20¢¢N, 47°E) in an agropopulation of R. carthamoides (the field area of 1 ha) in 1989-2022. The seeds obtained from the Botanical Garden of the Komi Scientific Center, UB RAS (Syktyvkar) were initially originated from the Altai natural population (first collected in 1956). Autumn sowing was performed in mid-October after the beginning of autumn frosts (row spacing of 70 cm, seed embedding depth of 2-3 cm, seed rate of 2.7 kg/ha; 58 % field germination of seeds). Mineral fertilizers (NPK60-90) were applied during the first three years after sowing followed by organic farming without use of mineral and organic fertilizers, chemical pesticides, and plant growth regulators. The aboveground parts were annually harvested during budding. A set of population, agrochemical, morphoanatomical, biochemical and statistical methods were used to asses parameters of the plant population (age states in ontogenesis, population density, gross production of above-ground and under-ground organs, seed yield) and individual plants (growth, development, morphological structure, productivity of roots, leaves, and seeds). Samples were collected at optimal phases of plant development, the aboveground phytomass during budding (I-II decade of June), rhizomes in autumn, after the end of vegetation (October), or in early spring, before the beginning of vegetation (April). Shortened vegetative (rosette) and stem generative (reproductive) shoots with inflorescences were morphologically heterogeneous organs separated in the aboveground part. Industrial harvesting of plant raw materials was carried out in late May-early June, during budding. Plant material (organs, elements and fractions) was dried at 23-25 to 35-40 °С and relative humidity of 25-40 % in accordance with the procedure for harvesting and drying medicinal raw materials. The samples of air-dry raw materials for further determination of the content of primary and secondary metabolites were formed by quartering method. The amount of ecdysterone in dry samples was determined by reverse phase high performance liquid chromatography with the internal standards (a liquid microcolumn chromatograph Milichrom-5, column 80½2 mm, Nucleosil C18 sorbent with a particle size of 5 μm; LLC «Medicant», Russia). Potentially dangerous substances were also assessed. Duration of agropopulation ontogenesis was close to parameters of natural populations in subalpine meadows and is more than 30 years without transition to senile age on the 33rd year of life, plant density reached optimum values of 28-23 thousand pcs/ha, starting from the 3-4 years of life. Diseases and pests did not affect vegetative aboveground mass and roots with rhizomes. The average root mass with rhizomes during the period of relatively stable mass production (from the 5th to the 32nd year of life) was 246.3 g/plant, aboveground mass was 223.4 g/plant. Calculated annual productivity of the agropopulation during the same period averaged approximately 5300 kg/ha for aboveground parts, and approximately 6100 kg/ha for underground parts. Vegetative type of reproduction was most pronounced for subsenile age state (from the 13th to the 32nd year and onwards), when seed production was extremely low, 1.3 kg/ha. The seed type of reproduction was characteristic of the generative period from years 4-5 (8-30 kg/ha) with a peak during years 6-7 (108 and 78 kg/ha). In general, the percent of generative shoots in total plant biomass was insignificant throughout the life cycle. Ecdysterone biosynthesis and accumulation in the leaves of rosellate shoots were directly related to vegetative reproduction, namely to the aboveground mass value (R2 = 0,768, or close to 80 %). More than 90 % of annually synthesized ecdysterone (22 kg/ha) was concentrated in the aboveground part of plants at optimal harvesting age (from year 5 to year 32), or about 600 kg of ecdysterone for 27 years of operation. Qualitative indicators of medicinal raw materials from leaves of R. carthamoides were high and met the requirements for the manufacture of pharmaceuticals with a relative purity of ecdysterone 97 %. The plant material met all the regulatory requirements of the supervisory authorities. The levels of heavy metals (Hg, Cd, As, Zn; Ni, Cu, Cr) did no exceeded the permissible level, there were no prohibited organochlorine and phosphorus compounds, the content of radionuclides 90Sr and 137Cs and nitrites were below the permissible limit. Ecdysterone from the dried flour of the R. carthamoides leaves was well extracted into aqueous and alcohol solutions and was well preserved (up to 93-98 % within 24 hours) without preservatives. Its use significantly improved animal health (a 1.6-2.5-fold decrease in mortality), had an anabolic and economic effects (i.e., a 24-33 % higher daily weight gain and a decrease in feed consumption by 11-17 %).
Keywords: phytoecdysteroids, 20-hydroxyecdysone, Rhaponticum carthamoides, Leuzea safflower, maral root, feed additives, anabolic substances.
КХ «БИО», |
Поступила в редакцию |
