Молекулярно-биологические и экологические особенности растений высохшего дна Аральского моря

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. Одной из актуальных проблем в мире является определение биохимических и экологических особенностей растений, адаптированных к засушливым и засоленным почвам, а также на основании этого их использование в отрасли экономики. На сегодняшний день около 700 видов растений, устойчивых к засухе и засолению, широко используются в фармацевтике и фитомелиоративных работах1. С приобретением независимости Узбекистана в нашей республике особое внимание уделяется практическому применению растений малоизученных территорий, в частности, как фитомелиорантов, лекарственного сырья, а также их охране. На основании осуществленных программных мероприятий в данном направлении достигнуты конкретные результаты, в том числе определение возможностей биологических ресурсов высохшего дна Аральского моря - Аралкума, их использования в медицине, фармацевтике и различных отраслях химического производства, в частности, применения растений Аралкума как ресурса биологически активных соединений. В настоящее время в мире важное значение имеют классификация биологических ресурсов территорий, подверженных экологической катастрофе, выявление биохимических, физиологических и экологических основ адаптации растений к стресс-факторам в ходе восстановления деградированных земель. В частности, одной из актуальных проблем в этом направлении является обоснование биохимических, молекулярнобиологических и экологических особенностей растений высохшего дна Аральского моря, определение их ДНК-маркеров с использованием современных методов и применение. Исследования биохимических, молекулярно-биологических и экологических особенностей растений высохшего дна Аральского моря заключается в следующем: определение видов растений Южного Аралкума; проведение их ДНК баркодинга; доказательство биохимическими методами их приспособленности к окружающей среде; определение химического состава растений; определение антибактериальной активности выделенных веществ; подразделение видов растений на экологические группы для эффективной фитомелиорации; внедрение полученных результатов, с целью укрепления подвижных песков и солончаков. Данное диссертационное исследование в определенной степени послужит выполнению задач, предусмотренных в Постановлении №363 Кабинета Министров Республики Узбекистан от 24 декабря 2014 г. О мерах по реализации договоренностей, достигнутых в рамках Международной конференции «Развитие сотрудничества в регионе бассейна Аральского моря по смягчению последствий экологической катастрофы» и в Постановлении №ПП2731 Президента Республики Узбекистан от 18 января 2017 г. «О Государственной программе по развитию региона Приаралья на 2017-2021 годы», а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является определение биохимических, молекулярно-биологических и экологических особенностей растений высохшего южного дна Аральского моря, а также оценка их ресурсных возможностей. Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем: определено, что на территории Южного Аралкума произрастает 220 видов высших растений (130 из них выявлены впервые) и доказано, что возникновение растений на данной территории произошло на фоне Ирано-Туранской флоры; определено содержание 38 элементов в составе растений, 37 элементов -в составе почвы, в составе растений выявлен элемент рений, а также определено содержание свободных аминокислот в составе органов растений, распространенных на исследованной территории, и доказана роль фенилаланина и пролина в приспособлении растений к стрессовым факторам; выделены белково-пептидные компоненты из растений, распространенных на высохшем дне Аральского моря, и определен их антибиотический потенциал по отношению к бактериям, патогенным для человеческого организма; впервые определены различные фрагменты гена rbcL растения Atriplex pratovii, состоящие из 488, 537 и 811 пар нуклеотидов, гена тид/К - из 283, 403 и 804 пар нуклеотидов, регионы psb^-psbW - из 577 пар нуклеотидов и внесены в базу данных EMBL-EBI результаты секвенирования; впервые доказано молекулярно-генетическими методами отличие растения Atriplex pratovii от других видов рода Atriplex и разработана межвидовая и межродовая молекулярные филогении по генам rbcL, matK растения Atriplex pratovii’, виды растений разделены на экологические группы и обоснованы их биоиндикационные свойства. Выводы На основе проведенных исследований в ходе выполнения докторской диссертации на тему «Молекулярно-биологические и экологические особенности растений высохшего дна Аральского моря» представлены следующие выводы: 1. Установлено, что на территории Южного Аралкума произрастает 220 видов высших растений (130 из них выявлены впервые) и определены химический состав, свободные аминокислоты и белково-пептидные компоненты широко распространенных видов. Установлено, что на территории встречаются 5 редких видов растений - Rosa majalis, Tulipa biflora, T. huhseana, Crambe edentula, Artemisia austriaca и одно эндемичное -Atriplex pratovii. Доказано, что флора Южного Аралкума возникла на базе Ирано-Туранской флоры. 2. Определено содержание 38 элементов в составе 24 видов растений, относящихся к различным систематическим единицам. Установлено накопление редких химических элементов, в часности элемента рения, в органах растений. Определено содержание 37 элементов в составе почвы. На основе этих данных показано, что биологическое разнообразие и жизненные циклы в экосистеме находятся в тесной связи с изменением количества химических элементов в составе почвы в течение сезонов и годов и регулируются адаптационными процессами. 3. Определено содержание свободных аминокислот в составе органов 15 видов растений, распространенных на изучаемой территории, и исследована их роль в приспособлении растений к стрессовым факторам. Выявлено, что концентрация свободного фенилаланина и пролина в растениях Tamarix hispida, Limonium otolepis, Halostachys belangeriana, Haloxylon aphyllum и Artemisia diffusa, распространенных на территории Аралкума, значимо выше, чем в популяциях Нижней Амударьи и Устюрта. 4. Подтвержден экологическими характеристиками растений адаптационный механизм увеличения количества определенных макроэлементов, свободных аминокислот и вторичных метаболитов, выявленных биохимическими методами. 5. Установлено, что белково-пептидные компоненты, выделенные из растений высохшего дна Аральского моря, обладают антибактериальным потенциалом на условно патогенные микроорганизмы человека. Растения Tamarix ramosissima, Alhagi pseudalhagi, Limonium otolepis, Peganum harmala. Nitraria schoberi рекомендованы в качестве источников лекарственных средств нового поколения. 6. Впервые просеквенированы участки маркерных генов для ДНК баркодинга растения Atriplex pratovii’, установлена нуклеотидная последовательность фрагментов генов rbcL, состоящих из 488, 537 и 811 пар нуклеотидов; фрагментов matK, состоящих из 283, 403 и 804 пар нуклеотидов; региона psbB-psbH , состоящего из 577 пар нуклеотидов. 7. Впервые доказано молекулярно-генетическое отличие вида Atriplex pratovii от других видов данного рода. Впервые разработана межвидовая и межродовая молекулярная филогения растения Atriplex pratovii по генам rbcL, matK. Определено, что изученный вид очень близок к видам A.canescens, A.spongiosa, A.laciniata, близок по отношению к видам A.glauca, A.centralasiatica, A.rosea, A.coriace, A.leucoclada (различие по одному полиморфизму), имеет резкое различие (8 полиморфизмов по гену rbcL, 40 полиморфизмов по гену matK) с видом A.voucher. По гену rbcL доказана большая близость вида A. pratovii, в том числе рода Atriplex среди других родов семейства Chenopodiaceae, с семейством Cremnophyton (С. lanfrancoi). Рекомендовано использование гена /ид/К в качестве гена кандидата для ДНК баркодинга данного рода и видов близких к нему родов. 8. Проведено разделение 66 видов растений, широко распространенных на территории Южного Аралкума, на экологические группы по отношению к механическому составу, уровню засоленности почвы, чувствительности к уровню влажности почвы, требовательности к воде. 9. Доказано, что покрытие площадей засоленных почв растениями происходит за счет природных закономерностей, обусловливающих поэтапное заселение псаммофильными растениями почв, освоенных ранее галофитами. Ландшафт, в том числе и степень формирования растительного покрова (количественный состав и разнообразие) в направлении от бывшего коренного берега моря к воде (Аральского моря) уменьшается. 10. Установлены и рекомендованы перспективные для геологических разведочных работ виды растений Аралкума: представители галофитов Limonium otolepi, Salsola dendroides - индикаторы никеля; представители псаммофитов Carex physodes, Alhagi pseudalhagi - индикаторы золота; представители гипсофитов Atraphaxis spinosa, Anabasis salsa,Camphorosma monspeliaca - индикаторы европия. Выявлен ряд видов рода Salsola (семейство Chenopodiaceae), накапливающих в органах растений химический элемент рений. 11. Обоснованы биохимические особенности растений в их приспособлении к своеобразным условиям внешней среды. Перспективные виды растений (Climacoptera aralensis, Limonium otolepis, Atriplex pratovii, Salsola dendroides, S.orientalis, S.richteri, Kalidium capsicum, Halostachys belangeriana, Tamarix ramosissima, T.hispida, Nitraria schoberi, Lycium ruthenicum, Haloxylon aphyllum) рекомендованы к использованию в фитомелиоративных работах.