UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
ŠTUDIJ EKOLOGIJE IN BIODIVERZITETE
Miha MEDVEŠEK
VSEBNOST FLAVONOIDOV V RAZLIČNIH DELIH TATARSKE AJDE
Magistrsko delo
Magistrski študij - 2. stopnja
Ljubljana, 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
ŠTUDIJ EKOLOGIJE IN BIODIVERZITETE
Miha MEDVEŠEK
VSEBNOST FLAVONOIDOV V RAZLIČNIH DELIH TATARSKE AJDE
Magistrsko delo Magistrski študij - 2. stopnja
FLAVONOID CONTENT IN DIFFERENT PARTS OF TARTARY BUCKWHEAT
M. Sc. Thesis Master Study Programmes
Ljubljana, 2021
Magistrsko delo je zaključek magistrskega študijskega programa 2. stopnje Ekologija in biodiverziteta. Delo je bilo opravljeno na Katedri za ekologijo in varstvo okolja Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani.
Komisija za študij 1. in 2. stopnje je za mentorico magistrskega dela imenovala prof. dr.
Matejo Germ in za recenzenta prof. dr. Ivana Krefta.
Komisija za oceno in zagovor:
Predsednik: doc. dr. Matevž Likar
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo Član: prof. dr. Mateja Germ
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo Član: prof. dr. Ivan Kreft
Inštitut za nutricionistiko, Tržaška cesta 40, 1000 Ljubljana Član: doc. dr. Aleksandra Golob
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
Datum zagovora:
Miha Medvešek
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ŠD Du2
DK UDK 581.5:633.12(043.2)
KG navadna ajda, tatarska ajda, rutin, kvercetin, flavonoidi, nadmorska višina AV MEDVEŠEK, Miha, dipl. biol. (UN)
SA GERM, Mateja (mentorica), KREFT, Ivan (recenzent) KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij ekologije in biodiverzitete, Magistrski študijski program druge stopnje
LI 2021
IN VSEBNOST FLAVONOIDOV V RAZLIČNIH DELIH TATARSKE AJDE TD Magistrsko delo (Magistrski študij - 2. stopnja)
OP XIII, 108 p., 27 tab., 35 fig., 167 ref.
IJ sl JI sl/en
Al Navadno ajdo (Fagopyrum esculentum Moench) in tatarsko ajdo (Fagopyrum tataricum (L.) Gaertn.) smo gojili na petih lokacijah z nadmorskimi višinami med 300 in 1200 metrov. Tekom rastne sezone smo izvedli štiri vzorčenja. V vzorcih prvega, pred cvetenjem, in drugega vzorčenja, med cvetenjem, smo izmerili optične (presevnost in odbojnost) in biokemijske lastnosti listov (vsebnost UV absorbirajočih snovi, klorofila a, klorofila b, karotenoidov, antocianov, rutina in kvercetina). V vzorcih 3. in 4. vzorčenja, ki smo ju izvedli v zamiku približno desetih dni, ob koncu rastne sezone, pa smo izmerili višino rastlin, suho maso stebel, listov in semen ter vsebnost rutina in kvercetina v listih in semenih. Vsebnost rutina v listih obeh vrst je visoka in primerljiva. Najvišjo vsebnost rutina v listih smo pri obeh vrstah izmerili v času cvetenja. Semena (oreški) tatarske ajde vsebujejo približno 50-krat več rutina na g suhe snovi od semen navadne ajde. Semena obeh vrst vsebujejo več rutina v notranjosti semena, manj pa v luščini. Vsebnost rutina in kvercetina v delih navadne in tatarske ajde je vsaj deloma pogojena z nadmorsko višino uspevanja. Z nadmorsko višino se višata količina UV-B sevanja ter, predvsem v zgodnje poletnem in jesenskem času, pojavnost nizkih temperatur. Rast rastlin v nižini je omejevala predvsem suša na vrhuncu poletja. Rastline tatarske ajde izkazujejo višjo stopnjo tolerance na sušne razmere od rastlin navadne ajde. Vsebnost rutina ob koncu rastne sezone (ob spravilu pridelka) v listih tatarske ajde se z nadmorsko višino zvišuje.
Enako velja za vsebnost rutina v listih navadne ajde iz poskusnih lokacij na 300, 600 in 850 metrih nadmorske višine. Na lokacijah z višjo nadmorsko višino je bila vsebnost rutina v listih nižja, kar nakazuje na to, da so okoljski dejavniki na visoko ležečih lokacijah (1085 in 1200 m n. m. v.) presegli zmožnost odziva (mejo tolerančnega območja) rastlin navadne ajde. Na vsebnost kvercetina v delih navadne in tatarske ajde pozitivno vplivajo nizke temperature. Na dvig vsebnosti kvercetina v listih tatarske ajde je vplivalo tudi objedanje srn.
KEY WORDS DOCUMENTATION ND Du2
DC UDK 581.5:633.12(043.2)
CX common buckwheat, Tartary buckwheat, rutin, quercetin, flavonoids, altitude AU MEDVEŠEK, Miha, Bachelor of biology
AA GERM, Mateja (supervisor), KREFT, Ivan (reviewer) PP SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Master Study Programme in Ecology and Biodiversity
PY 2021
TI FLAVONOID CONTENT IN DIFFERENT PARTS TARTARY BUCKWHEAT DT M. Sc. Thesis (Master Study Programmes)
NO XIII, 108 p., 27 tab., 35 fig., 167 ref.
LA sl AL sl/en
AB Common buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench) and Tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum (L.) Gaertn.) were grown on five locations with different elevations ranging between 300 and 1200 m above sea level. Plants were sampled four times during the growing season. On the leaves from first, pre-flowering period, and second sampling, flowering period, pigments content (UV absorbing compounds, Chlorophyll a, Chlorophyll b, carothenoids, anthocyanins, rutin and quercetin) and optical properties were measured. 3rd and 4th sampling were conducted in time span of roughly ten days at the end of growing period during harvesting.
Plants height, dry steam, leaves and seed (achenes) mass, rutin and quercetin concentration in leaves and seeds were measured. Rutin content in leaves of both Tartary and common buckwheat is high and does not differ much between the two species. The highest rutin content in leaves of both species was observed during the flowering period. Seeds of Tartary buckwheat contain roughly 50-times higher concentration of rutin than common buckwheat seeds. Rutin and quercetin content in different parts of common and Tartary buckwheat are, at least to certain extent, positively affected by altitude. Among all the environmental factors that vary with altitude, lower temperature, especially at the beginning and at the end of the season, and high radiation are the most important factors limiting the plants growth. In the low lands plant growth was decompromised by the lack of precipitation at the height of summer. Rutin concentrations also exhibit a role in plants reaction to dehydration stress. Tartary buckwheat plants seems to cope with drought conditions better that common buckwheat plants. At the end of the growing season, in the case of common buckwheat, sudden drop in rutin concentration was observed on locations with high altitude (1085 and 1200 m a. s. l.). This suggests that stress conditions on locations with high altitude exceeded plants ability to adapt to environmental stress.
KAZALO VSEBINE
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA III KEY WORDS DOCUMENTATION IV KAZALO VSEBINE V KAZALO SLIK IX KAZALO PREGLEDNIC XI OKRAJŠAVE IN SIMBOLI XIII
1 UVOD 1
1.1 NAMEN MAGISTRSKE NALOGE 1
1.2 DELOVNE HIPOTEZE 1
2 PREGLED OBJAV 3
2.1. NAVADNA AJDA (Fagopyrum esculentum Moench) IN TATARSKA AJDA (F.
tataricum (L.) Gaertn.) 3
2.1.1. Rod Fagopyrum 3
2.1.2. Fagopyrum tataricum (L.) Gaertn. 4
2.1.3 Fagopyrum esulentum Moench 4
2.2 RASTNI DEJAVNIKI IN NADMORSKA VIŠINA 6
2.2.1 Količina hranil 6
2.2.2 Temperatura 7
2.2.3 UV in nadmorska višina (lokacija) 10
2.3 NAVADNA IN TATARSKA AJDA TER NADMORSKA VIŠINA 13
2.4 RUTIN 14
2.4.1 Sekundarni metabolizem 14
2.4.2 Polifenolni sekundarni metaboliti 15
2.4.3 Izgradnja in razgradnja rutina 16
2.4.4 Vloga rutina v rastlini 17
2.4.5 Razporeditev rutina v rastlini 18
2.4.6 Rutin v prehrani 19
3 MATERIAL IN METODE 22
3.1 KAKO IN KJE SO BILI NASTAVLJENI POSKUSI? 22
3.2 KAJ SMO MERILI? 23
3.2.1 Optične lastnosti (presevnost in odbojnost) 23
3.2.2 Biokemijske meritve 24
3.2.3 Morfološke meritve 26
3.2.4 Analiza tal 27
3.2.5 Meteorološki podatki 27
3.2.6 Opis statističnih metod 27
4 REZULTATI 28
4.1 VSEBNOST RUTINA IN KVERCETINA V RAZLIČNIH DELIH NAVADNE IN
TATARSKE AJDE 28
4.1.1 Vsebnost rutina v različnih delih navadne in tatarske ajde 28 4.1.2 Vsebnost kvercetina v delih navadne in tatarske ajde 29
4.2 VREMENSKI PODATKI 29
4.2.1 Osončenost in nadmorska višina 30
4.3 VSEBNOST RUTINA IN KVERCETINA V RAZLIČNIH DELIH NAVADNE IN
TATARSKE AJDE Z RAZLIČNIH NADMORSKIH VIŠIN 31
4.3.1 Vsebnost rutina v listih navadne ajde z različnih nadmorskih višin 32 4.3.2 Vsebnost rutina v oluščenih semenih navadne ajde z različnih nadmorskih
višin 34
4.3.3 Vsebnost rutina v luščinah semen navadne ajde z različnih nadmorskih
višin 35
4.3.4 Vsebnost kvercetina v listih navadne ajde z različnih nadmorskih višin35 4.3.5 Vsebnost kvercetina v oluščenih semenih navadne ajde z različnih
nadmorskih višin 36
4.3.6 Vsebnost kvercetina v luščinah semen navadne ajde z različnih
nadmorskih višin 36
4.3.7 Vsebnost rutina v listih tatarske ajde z različnih nadmorskih višin 36 4.3.8 Vsebnost rutina v oluščenih semenih tatarske ajde z različnih nadmorskih
višin 38
4.3.9 Vsebnost rutina v luščinah semen tatarske ajde z različnih nadmorskih
višin 38
4.3.10 Vsebnost kvercetina v listih tatarske ajde z različnih nadmorskih višin 38 4.3.11 Vsebnost kvercetina v oluščenih semenih tatarske ajde z različnih
nadmorskih višin 39
4.3.12 Vsebnost kvercetina v luščinah semen tatarske ajde z različnih
nadmorskih višin 39
4.4 VSEBNOST RUTINA IN KVERCETINA V RAZLIČNIH DELIH NAVADNE IN
TATARSKE AJDE TEKOM RASTNE SEZONE 40
4.4.1 Vsebnost rutina in kvercetina v listih navadne in tatarske ajde tekom
rastne sezone 40
4.4.2 Vsebnost rutina v semenih navadne in tatarske ajde tekom rastne sezone 42 4.4.3 Vsebnost kvercetina v semenih navadne in tatarske ajde tekom rastne
sezone 43
4.5 ŽETEV 44
4.5.1 Pridelek navadne in tatarske ajde 44
4.5.2 Pridelek navadne ajde na različnih nadmorskih višinah 45
4.5.3 Delež nenapolnjenih semen navadne ajde 45
4.5.4 Pridelek tatarske ajde na različnih nadmorskih višinah 48 4.6 VSEBNOST BARVIL V LISTIH NAVADNE IN TATARSKE AJDE Z
RAZLIČNIH NADMORSKIH VIŠIN (PRED IN MED CVETENJEM) 49
4.6.1 Navadna ajda 49
4.6.2 Tatarska ajda 52
4.7 OPTIČNE LASTNOSTI 56
4.7.1 Odbojnost 56
4.7.2 Presevnost 59
4.8 VSEBNOST BARVIL IN OPTIČNE LASTNOSTI 62
4.8.1 Vsebnost barvil in optične lastnosti listov navadne ajde 62 4.8.2 Vsebnost barvil in optične lastnosti listov tatarske ajde 65
4.9 OPTIČNE LASTNOSTI IN KLOROIFILI 67
5 DISKUSIJA 68
5.1 VSEBNOST RUTINA IN KVERCETINA V RAZLIČNIH DELIH NAVADNE IN
TATARSKE AJDE 68
5.1.1 Vsebnost rutina v listih navadne in tatarske ajde 68 5.1.2 Vsebnost rutina v semenih navadne in tatarske ajde 68 5.1.3 Vsebnost kvercetina v različnih delih navadne in tatarske ajde 69 5.2 VSEBOST RUTINA IN KVERCETINA V RAZLIČNIH DELIH NAVADNE IN
TARASKE AJDE Z RAZLIČNIH NADMORSKIH VIŠIN 70
5.2.1 Vsebnost rutina v listih navadne ajde z različnih nadmorskih višin 70 5.2.2 Vsebnost rutina v semenih navadne ajde z različnih nadmorskih višin 71 5.2.3 Vsebnost kvercetina v listih in semenih navadne ajde z različnih
nadmorskih višin 72
5.2.4 Vsebnost rutina v listih tatarske ajde z različnih nadmorskih višin 72 5.2.5 Vsebnost rutina v semenih tatarske ajde z različnih nadmorskih višin 73
5.2.6 Vsebnost kvercetina v listih in semenih tatarske ajde z različnih
nadmorskih višin 73
5.3 VSEBNOST RUTINA IN KVERCETINA V RAZLIČNIH DELIH NAVADNE IN
TATARSKE AJDE TEKOM RASTNE SEZONE 74
5.3.1 Vsebnost rutina v listih navadne in tatarske ajde tekom rastne sezone 74 5.3.2 Vsebnost kvercetina v listih navadne in tatarske ajde tekom rastne sezone
74 5.3.3 Vsebnost rutina v semenih navadne in tatarske ajde po vzorčenjih 75 5.3.4 Vsebnost kvercetina v semenih navadne in tatarske ajde po vzorčenjih 76
5.4 PRIDELEK NAVADNE IN TATARSKE AJDE 76
5.5 PRIDELEK NAVADNE IN TATARSKE AJDE NA RAZLIČNIH
NADMORSKIH VIŠINAH 77
5.5.1 Pridelek navadne ajde na različnih nadmorskih višinah 77 5.5.2 Pridelek tatarske ajde na različnih nadmorskih višinah 78
5.6 BARVILA V LISTIH NAVADNE IN TATARSKE AJDE 78
5.6.1 Barvila v listih navadne ajde 78
5.6.2 Barvila v listih tatarske ajde 80
5.7 OPTIČNE LASTNOSTI LISTOV NAVADNE IN TATARSKE AJDE 81
5.7.1 Optične lastnosti listov navadne ajde 81
5.7.2 Optične lastnosti listov tatarske ajde 82
5.8 VSEBNOST BARVIL IN OPTIČNE LASTNOSTI LISTOV NAVADNE IN
TATARSKE AJDE 82
5.8.1 Vsebnost barvil in optične lastnosti listov navadne ajde 82 5.8.2 Vsebnost barvil in optične lastnosti listov tatarske ajde 85
6 SKLEPI 88
6 POVZETEK 94
7 VIRI 97
ZAHVALA
KAZALO SLIK
Sl. 1: Tatarska in navadna ajda na poskusni lokaciji Javorje, 1200 m nadmorske višine.
Foto: prof. dr. Ivan Kreft ... 6
Sl. 2: : Skeletna formula ogljičnega skeleta flavonoidov: 1. flavonoidi, 2. izoflavonoidi, 3. neoflavonoidi. ... 16
Sl. 3: (desno) Ogrodje flavonolov in substitucijska števila. ... 17
Sl. 4: (levo) Kataliza izgradnje in razgradnje rutina. ... 17
Sl. 5: Setev navadne in tatarske ajde na poskusni lokaciji Javorje. Foto: prof. dr. Ivan Kreft ... 22
Sl. 6: Rastline navadne ajde nabrane pri 2. vzorčenju. Foto: Miha Medvešek ... 23
Sl. 7: Napolnjena semena, prazna semena in ostanki cvetov petih rastlin. Foto: Miha Medvešek ... 26
Sl. 8: Vsebnost rutina v različnih delih navadne in tatarske ajde [mg/g ss] ob sptavilu pridelka. ... 28
Sl. 9: Vsebnost kvercetina v različnih delih navadne in tatarske ajde [mg/g ss]. ... 29
Sl. 10: Vsebnost rutina v listih navadne ajde [mg/g ss] pred cvetenjem (1. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 32
Sl. 11: Vsebnost rutina v listih navadne ajde [mg/g ss] med cvetenjem (2. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 33
Sl. 12: Vsebnost rutina v listih navadne ajde [mg/g ss] ob koncu restne sezone (3., 4. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 34
Sl. 13: Vsebnost rutina v oluščenih semenih navadne ajde [mg/g ss] (3., 4. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 34
Sl. 14: Vsebnost rutina v luščinah semen navadne ajde [mg/g ss] na nadmorski višini [m]. ... 35
Sl. 15: Vsebnost rutina v listih tatarske ajde [mg/g ss] pred cvetenjem (1. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 37
Sl. 16: Vsebnost rutina v listih tatarske ajde [mg/g ss] ob koncu rastne sezone (3., 4. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 38
Sl. 17: Vsebnost kvercetina v oluščenih semenih tatarske ajde [mg/g ss] (3., 4. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 39
Sl. 18: Vsebnost rutina v listih navadne ajde [mg/g ss] skozi rastno sezono. ... 40
Sl. 19: Vsebnost rutina v listih tatarske ajde [mg/g ss] skozi rastno sezono. ... 41
Sl. 20: Vsebnost rutina v semenih navadne ajde [mg/g ss] (3., 4. vzorčenje). ... 43
Sl. 21: Vsebnost rutina v semenih tatarske ajde [mg/g ss] (3. in 4. vzorčenje)... 43
Sl. 22: Masa nenapolnjenih semen petih rastlin navadne [g] (3. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 47
Sl. 23: Masni delež nenapolnjenih semen petih rastlin navadne ajde (3. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 48
Sl. 24: Vsebnost karotenoidov [mg/g ss] v listih navadne ajde pred cvetenjem (1. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 51
Sl. 25: Vsebnost karotenoidov [mg/g ss] v listih navadne ajde med cvetenjem (2. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 52
Sl. 26: Vsebnost klorofila b [mg/g ss] v listih tatarske ajde pred cvetenjem (1. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 54
Sl. 27: Vsebnost antocianov [rel. /g ss] v listih tatarske ajde pred cvetenjem (1. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 55 Sl. 28: Odbojnost svetlobe različnih barvnih spektrov na listih navadne ajde pred
cvetenjem (1. vzorčenje) na različnih nadmorskih višinah [m]. ... 57 Sl. 29: Odbojnost svetlobe različnih barvnih spektrov na listih navadne ajde med
cvetenjem (2. vzorčenje) na različnih nadmorskih višinah [m]. ... 58 Sl. 30: Odbojnost svetlobe različnih barvnih spektrov na listih tatarske ajde pred cvetenjem (1. vzorčenje) na različnih nadmorskih višinah [m]. ... 59 Sl. 31: Odbojnost svetlobe različnih barvnih spektrov na listih tatarske ajde med cvetenjem (2. vzorčenje) na različnih nadmorskih višinah [m]. ... 59 Sl. 32: Presevnost svetlobe različnih barvnih spektrov skozi liste navadne ajde pred
cvetenjem (1. vzorčenje) na različnih nadmorskih višinah [m]. ... 60 Sl. 33: Presevnost svetlobe različnih barvnih spektrov skozi liste navadne ajde med
cvetenjem (2. vzorčenje) na različnih nadmorskih višinah [m]. ... 61 Sl. 34: Presevnost svetlobe različnih barvnih spektrov skozi liste tatarske ajde pred
cvetenjem (1. vzorčenje) na različnih nadmorskih višinah [m]. ... 62 Sl. 35: Presevnost svetlobe različnih barvnih spektrov skozi liste tatarske ajde med
cvetenjem (2. vzorčenje) na različnih nadmorskih višinah [m]. ... 62
KAZALO PREGLEDNIC
Pregl. 1: Valovne dolžine svetlobe [nm] in energija fotonov (Hopkins in Hűner, 2009: 95).
... 12 Pregl. 2: Potek vzorčenj. ... 23 Pregl. 3: Vsebnost rutina [mg/g ss] in kvercetina [mg/g ss] v različnih delih navadne in tatarske ajde. ... 29 Pregl. 4: Preglednica podatkov z vremenskih postaj bližini poskusnih lokacij Biotehniška fakulteta, Podkoren in Vojsko (Agencija republike Slovenije za okolje, 2021). ... 30 Pregl. 5: Mesečni vremenski podatki s treh vremenskih postaj v bližini poskusnih lokacij za mesec september in oktober (Agencija republike Slovenije za okolje, 2021). ... 30 Pregl. 6: Preglednica linearnih zvez med hipotetično osončenostjo [kJ/m2 dan] na dan vzorčenj in nadmorsko višino [m]. ... 31 Pregl. 7: Srednje vrednosti in standardni odkloni meritev vsebnosti rutina in kvercetina na listih, oluščenih semenih in luščinah semen rastlin, gojenih na različnih nadmorskih
višinah. ... 31 Pregl. 8: Preglednica vzorčenj listov in semen ob koncu rastne sezone. ... 32 Pregl. 9: Vsebnost rutina v listih navadne in tatarske ajde [mg/g ss] iz vseh poskusnih lokacij skupaj, po vzorčenjih. ... 40 Pregl. 10: Vsebnost kvercetina v listih navadne in tatarske ajde [mg/g ss] iz vseh lokacij ajde po vzorčenjih. ... 42 Pregl. 11: Vsebnost rutina v semenih navadne in tatarske ajde (3., 4. vzorčenje). ... 42 Pregl. 12: Vsebnost kvercetina v semenih navadne ajde [mg/g ss] (3. in 4. vzorčenje)... 44 Pregl. 13: Morfološki podatki rastlin navadne in tatarske ajde iz vseh petih poskusnih lokacij, izmerjeni ob spravilu pridelka (3., 4. vzorčenje). ... 44 Pregl. 14: Morfološki podatki rastlin navadne ajde, izmerjeni ob spravilu pridelka (3., 4.
vzorčenje) na različni nadmorski višini. ... 45 Pregl. 15: Masa in masni delež nenapolnjenih semen navadne ajde. ... 47 Pregl. 16: Morfološki podatki rastlin tatarske, izmerjeni ob spravilu pridelka (3., 4.
vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 49 Pregl. 17: Vsebnost barvil (UV-B absorbirajoče snovi, UV-A absorbirajoče snovi, klorofil a, klorofil b, karotenoidi, antociani) v listih navadne ajde pred (1.vzorčenje) in med
cvetenjem (2. vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 49 Pregl. 18: Vsebnost barvil (UV-B absorbirajoče snovi, UV-A absorbirajoče snovi, klorofil a, klorofil b, karotenoidi, antociani) tatarske ajde pred (1.vzorčenje) in med cvetenjem (2.
vzorčenje) po nadmorski višini [m]. ... 53 Pregl. 19: Odbojnost svetlobe različnih barvnih spektrov na listih navadne ajde na petih nadmorskih višinah [m] pred (1. vzorčenje) in med (2. vzorčenje) cvetenjem. ... 57 Pregl. 20: Odbojnost svetlobe različnih barvnih spektrov na listih tatarske ajde na petih nadmorskih višinah [m] pred (1. vzorčenje) in med (2. vzorčenje) cvetenjem. ... 58 Pregl. 21: Presevnost svetlobe različnih barvnih spektrov na listih navadne ajde na petih nadmorskih višinah [m] pred (1. vzorčenje) in med (2. vzorčenje) cvetenjem. ... 60 Pregl. 22: Presevnost svetlobe različnih barvnih spektrov na listih tatarske ajde na petih nadmorskih višinah [m] pred (1. vzorčenje) in med (2. vzorčenje) cvetenjem. ... 61 Pregl. 23: Značilne korelacije med izmerjeno presevnostjo in odbojnostjo listov navadne ajde, pred in med cvetenjem, in vsebnostjo barvil. ... 63
Pregl. 24: Značilne korelacije med izmerjeno presevnostjo in odbojnostjo listov tatarske ajde, pred (1. vzorčenje) in med cvetenjem (2. vzorčenje), in vsebnostjo barvil. ... 65 Pregl. 25: Korelacije in p-vrednosti povezav med povprečno odbojnostjo in presevnostjo listov navadne in tatarske ajde (1., 2. vzorčenje) za vidno svetlobo in nadmorsko višino [m]. ... 66 Pregl. 26: Preglednica značilnih korelacij med odbojnostjo svetlobe barvnih spektrov na listih tatarske ajde in vsoto vsebnosti klorofila a in klorofila b. ... 67 Pregl. 27: Preglednica značilnih korelacij med presevnostjo svetlobe barvnih spektrov skozi liste navadne ajde in vsoto vsebnosti klorofila a in klorofila b. ... 67
OKRAJŠAVE IN SIMBOLI
Ant antociani
cor korelacijski koeficient
Ex absorpcija pri valovni dolžini x nm FSII fotosistem II
f3g flavonol 3-glukozidaza
HPLC tekočinska kromatografija visoke ločljivosti IR infra rdeča svetloba
Kl a klorofil a Kl b klorofil b
n. m. v. nadmorska višina
NIR bližnja infra rdeča svetloba
NPQ nefotokemični del gašenja klorofila a fotosistema II qP fotokemični del gašenja klorofila a fotosistema II rel. e. relativna enota
rpm število obratov na minuto
ss suha snov
sm(l) suha masa listov sm(s) suha masa semen sm(st) suha masa stebla UV abs UV absorbirajoče snovi UV ultravijolično
VIS vidna svetloba (390 - 700 nm)
ФPSII dejanska fotokemična učinkovitost fotosistema II
1 UVOD
Ajda, še posebej tatarska ajda, vsebuje veliko flavonoidov. Antioksidanti, kot so fenolne snovi, ščitijo rastline pred škodljivimi vplivi ultravijoličnega (UV) sevanja, rastlinskimi boleznimi (fungicid) in rastlinojedci. Za flavonoide je bilo ugotovljeno, da se njihova vsebnost v ajdi spreminja glede na genotip in razvojno fazo rastline ter okoljske dejavnike kot je UV sevanje. Na višjih nadmorskih višinah je UV sevanje bolj intenzivno in rastline se branijo pred morebitnimi negativnimi vplivi sevanja s sintezo flavonoidov. Flavonoidi absorbirajo UV sevanje, ki bi sicer lahko poškodovalo občutljiva mesta v rastlini, poleg tega pa delujejo kot antioksidanti. Tatarska ajda je bogat vir spojin z antioksidativnim delovanjem, ki ugodno vplivajo tudi na zdravje ljudi. Cenjena je zaradi visoke vsebnosti polifenolov, predvsem flavonoidov rutina in kvercetina. Zato je okus tatarske ajde tudi nekoliko grenak. Flavonoidi, ki delujejo kot antioksidanti, določajo kakovost uživane hrane in prispevajo k barvi, teksturi in okusu hrane.
1.1 NAMEN MAGISTRSKE NALOGE
Namen magistrske naloge je bil:
- Določiti vsebnost UV zaščitnih snovi, antocianov in drugih flavonoidov ter fotosinteznih barvil v različnih delih navadne in tatarske ajde z različnih nadmorskih višin.
- Določiti vsebnosti rutina, kvercetina in fotosinteznih barvil v listih navadne in tatarske ajde v različnih razvojnih fazah (pred cvetenjem, med cvetenjem, ob koncu rastne sezone).
- Primerjati odzive navadne in tatarske ajde na razmere, ki so na različnih nadmorskih višinah.
- Primerjati pridelka navadne in tatarske ajde na različnih nadmorskih višinah.
1.2 DELOVNE HIPOTEZE
Hipoteza 1: Pri obeh vrstah ajde pričakujemo najvišjo vsebnost rutina v listih, nižjo pa v semenih.
Hipoteza 2: Pričakujemo, da bo vsebnost rutina v delih navadne in tatarske ajde z nadmorsko višino naraščala.
Hipoteza 3: Največ rutina bodo vsebovali listi rastlin v času cvetenja in najhitrejše rasti.
Hipoteza 4: Semena zgodnejše žetve vsebujejo več rutina od semen kasnejše žetve.
Hipoteza 5: Vsebnosti klorofila v listih ajde se bo z višanjem nadmorske višine nižala.
Razmerje vsebnosti [klorofil a/klorofil b] v listih ajde se z nadmorsko višino povečuje.
Razmerje med vsebnostjo karotenoidov in klorofilov ([karotenoidi]/[ klorofil a + klorofil b]
se z nadmorsko višino povečuje.
Hipoteza 6: Pričakujemo, da se bosta presevnost in odbojnost listov navadne in tatarske ajde z nadmorsko višino poviševali.
Hipoteza 7: Listi rastlin iz višjih nadmorskih višin bodo vsebovali več UV-B absorbirajočih snovi. Pričakujemo, da se bo odbojnost listov za UV-B svetlobo se bo z nadmorsko višino zniževala.
2 PREGLED OBJAV
2.1. NAVADNA AJDA (Fagopyrum esculentum Moench) IN TATARSKA AJDA (F.
tataricum (L.) Gaertn.)
2.1.1. Rod Fagopyrum
Družino Polygonaceae, ki je ime dobila po mnogih nabreklih kolencih, ki jih imajo nekatere njene predstavnice, na stikih med nodiji, sestavlja okoli 50 rodov z več kot 1100 vrstami zelišč, grmov in manjših dreves (Freeman in Reveal, 2021). Razširjene so po vsem svetu z nekaj tropskimi predstavniki in z največjo pestrostjo v severnih zmernih legah. Bolj znani rodovi so na primer: Rumex (kislice), Polygonum (dresni), Rheum (rabarbara) in Fagopyrum (ajda).
Fagopyrum je rod s približno petnajstimi (vsaj osemnajstimi (Campbell, 2003)), večinoma v vzhodni Aziji avtohtonimi, vrstami z mnogimi podvrstami in ekotipi. Znanstveno ime je rod, zaradi podobnosti ajdovih plodov z žirom, dobil po bukvi. Fagus v latinščini pomeni bukev, pyrus, pa, iz grščine, žito.
Rod sestavljajo predvsem zeli enoletnice z nerazvejanim koreninskim sistemom. Njihova stebla so pokončna, gola ali odlačena. Celorobi do valoviti, pecljati ali sedeči, trikotasti, srčasti do suličasti stebelni listi so razvrščeni premenjalno (spiralasto). Dno listnega peclja je poudarjeno. Prilista sta zrasla v listno škornjico (=ohrea), ki nad kolencem obdaja steblo.
Pecljati cvetovi so eno ali dvospolni, somerni in združeni v obstranska (lateralna) ali ovršna (terminalna) in obstranska, grozdasta (racemozna) ali pakobulasta (cimozna) socvetja.
Rastline so lahko eno- ali dvodomne, redko poligamne. Perigon sestavlja 5 drobnih, svetlo rožnatih ali zelenkastih, široko zvonasto zraslih, perigonovih listov. Trije zunanji so manjši, notranja dva pa sta povečana in podobna venčnim listom (=čašni krili). Plodnica je 1, nadrasla, s tremi vratovi in dvokrpimi brazdami. Prašnikov je 8 z izrazitimi prostimi, golimi filamenti. Antere so bele, rožnate ali rdeče, ovalne do eliptične. Enostavni suhi plodovi ahene so izraziti, gladki ali nagubani, trirobi, črni, rjavi, sivi ali zeleni (Martinčič in sod., 2007;
Gondola in Papp, 2010). Poleg navadne ajde (Fagopyrum esculentum) in tatarske ajde (Fagopyrum tataricum), ki sta ekonomsko najpomembnejši predstavnici rodu, je v človekovi uporabi še zlata ali visoka ajda (Fagopyrum cymosum), ki je uporabljena v kitajski tradicionalni medicini, v prehrani, kot krmna in okrasna rastlina (PFAF, 2021). Ostale divje vrste iz rodu Fagopyrum so potencialno zanimive kot vir željenih lastnosti pri žlahtnjenju navadne oziroma tatarske ajde (Campbell, 2003).
Navadna in tatarska ajda sta hitrorastoči enoletnici. Sejemo ju pozno spomladi, v drugi polovici maja ali junija, in taki ajdi pravimo prašna ajda. Kmetje pa predvsem navadno ajdo radi sejejo tudi po žetvi glavnega posevka, ječmena ali pšenice, to je v drugi polovici julija;
tej ajdi pravimo strniščna ajda. Ajda s svojo hitro rastjo in izgradnjo alelopatskih snovi, zavira rast plevelov, zlasti tistih, ki se razmnožujejo s semeni in tako ohranja njive čiste (Vombergar in sod., 2018). Zaradi s škrobom napolnjenih semen, ki so v prehrani, uporabljena na podoben način kot zrna žit, obe vrsti ajde pogosto uvrščajo v skupino psevdo- žit ali nepravih žit.
2.1.2. Fagopyrum tataricum (L.) Gaertn.
Rastline tatarske ajde so navadno nižje in bolj razvejane od rastlin navadne ajde, čeprav obstajajo tudi višje sorte tatarske ajde.
Listi so bolj suličasti kot pri navadni ajdi. Cvetovi so drobni in neopazni, belkasti do zelenkasti homomorfni, samooprašni in kleistogamni, kar pomeni, da pride do samooprašitve in samooploditve v zaprtem cvetu (Campbell, 2003; Vombergar in sod, 2018). Tatarsko ajdo klub temu obiskujejo nekatere manjše žuželke. Samooprašnost vrste močno vpliva na genetsko strukturo znotraj populacije in med njimi. Med osebki ni genske izmenjave kar se odraža v hitrem delovanju selekcije.
Naši tatarski ajdi je genetsko najbolj podobna tatarska ajda, ki jo kultivirajo v osrednjem Tibetu in severnem Pakistanu. Od tam naj bi, preko svilne poti, tudi prišla v naše kraje.
Najbolj sorodne divje podvrste uspevajo na vzhodu Nepala in na severo-zahodu pokrajine Yunnan na Kitajskem (Tsuji in Ohnishi, 2000). Natančnih podatkov o tem, kdaj so na slovenskih tleh začeli pridelovati tatarsko ajdo ni, jo je pa pred približno 200 leti že širil baron Žiga Zois, ki je zanjo verjetno zvedel od brata, botanika, Karla Zoisa. Tatarska ajda je bila, v letih po izbruhu indonezijskega vulkana Tambora in še nekaterih drugih, ko je nastopilo obdobje hladnejših poletij, ena redkih kulturnih rastlin, ki je kljub ostrim okoljskim razmeram dala zadovoljiv pridelek (Vombergar in sod., 2018). Tatarska ajda velja za nezahtevno rastlino, ki uspeva na s hranili revnih tleh, ima kratko rastno dobo in je bolj odporna na zmrzal od navadne ajde (Kump in sod., 2002).
Pridelava tatarske ajde je v Sloveniji, zaradi nepopularnosti njenega grenkega okusa in majhnih semen, ki jih je težko oluščiti (Jiang in sod., 2006), do leta 1980 povsem zamrla.
Tatarski ajdi daje grenak okus velika vsebnost flavnoidov, ki so antioksidanti, kar je danes eden glavnih razlogov, da se vse več kmetov zanima za njeno pridelavo. Tatarska ajda izvira iz visokih predgorij Himalaje. Pogosto uspeva na višini nad 2000 m, v Tibetu jo je moč najti vse do višine 4500 m nad morjem (Kump in sod., 2002; Wang, 1989, cit. po Ohnishi, 1993).
V teh okoljih kljubuje ostrim vremenskim razmeram. Rastline so vajene nizkih temperatur in močnega sevanja v UV delu spektra sončne svetlobe. Tatarska ajda v svojih delih, predvsem v cvetovih, listih in steblu, manj v semenih, predvsem v testi in v kličnih listih izgrajuje in shranjuje flavonoide, ki delujejo kot svetlobni ščit (Kreft in sod., 2002). 82 % vseh flavonoidov v rastlinah tatarske ajde je rutin (Jiang in sod., 2006).
Rastline tatarske ajde so bolj trdožive in bolj odporne na zmrzal, sušo in druge stresorje od rastlin navadne ajde (Campbell, 2003).
2.1.3 Fagopyrum esulentum Moench
Navadna ajda je pokončna, enoletna, heterostilna diploidna vrsta. Rastline so navadno visoke med 60 in 130 cm. Navadna ajda ima eno glavno, žlebasto steblo, iz katerega izhajajo stranski poganjki. Pri mladih rastlinah so stebla zelena, ki se kasneje v razvoju na osončeni strani, obarvajo rdečkasto. Kadar rastejo v strnjenem nasadu, so rastline navadno nerazvejane. Stebla so votla, zato so rastline ob močnem vetru pogosto podvržene poleganju.
Hude poškodbe lahko povzroči tudi toča, ki polomi stebla. Kadar se zlomi mlada rastlina, si
ta opomore in rast iz glavnega poganjka preusmeri v nižje ležeče stranske poganjke. Srčasti do suličasti listi so razporejeni premenjalno. Njihova konica je priostrena. Zgornji listi so mlajši, manjši in sedeči, spodnji pa starejši, večji in pecljati. Koreninski sistem navadne ajde sestoji iz kratke glavne (30-50 cm) in tankih stranskih korenin (25-30 cm) in predstavlja 3- 4 % celotne mase rastline. Takšna razrast rastlini omogoča preživetje v izredno sušnih razmerah (Campbell, 1997).
Cvetovi navadne ajde so združeni v terminalna in lateralna racemozna; češuljasta ali grozdasta socvetja. Cvetno odevalo navadne ajde je sestavljeno iz petih belih, rožnatih ali rdečkastih perigonovih listov (Mala flora Slovenije, 2007). Nekatere rastline imajo dolge prašnike in kratke pestiče (thrum), druge, na istem polju, pa dolge vratove pestičev in kratke prašnike (pin). Ta lastnost je monogenska (Dahlgren, 1922 in Garber in Quisenberry, 1927, cit. po Ganders, 2012). Na polju sta oba tipa rastlin pomešana in samo rastline z različnim tipom cvetov se lahko medsebojno oplodijo. Nezmožnost samooploditve avtorji razlagajo z pelodno inkompatibilnostjo in ne z morfološko nezdružljivostjo. Pelod prenašajo iz rastline na rastlino čebele in druge žuželke, ko nabirajo medičino. Možna je tudi oprašitev s pomočjo vetra (Marshall, 1969, cit. po Campbell, 1997). Pestič sestavljajo enocelična, nadrasla plodnica in 3-je pokončni vratovi z brazdami. Cvet ima 8 prašnikov, ki so razporejeni v dveh krogih. 3-je notranji in 5 zunanjih. Semena navadne ajde so oreški, gladki, trirobi, svetlo sive do srebrne barve, včasih imajo siva semena podolgovate ali nepravilne temnejše pege, zrna so lahko rjava ali redkeje črna. Plodovi so več kot dvakrat tako dolgi kot široki (Campbell, 1997). Mesto geografskega izvora navadne ajde je gorato območje med kitajskima provincama Yunnan in Sichuan (Ohnishi in Yasui, 1998).
2.1.3.1 Heterostilija in križanci
Žlahtnjenje navadne ajde je šlo med drugim tudi v smer vzgojitve samooprašne sorte.
Količina semen, ki ga proizvede ajda, je nepredvidljiva. Veliko cvetov na rastlini ostane praznih in ne obrodijo semena. To naj bila v veliki meri posledica pelodne nekompatibilnosti, ki v prvi meri preprečuje samooploditev, in ne dejstva da cvetovi ostanejo neoprašeni. Abortiranje semen je lahko tudi posledica pomanjkanja asimilatov v času intenzivnega cvetenja. Rastline navadne ajde imajo bodisi moške ali ženske cvetove, thrum (Ss- dolge prašnične niti, kratek vrat pestiča) in pin (ss- kratke prašnične niti in dolg vrat pestiča) (Wang in sod. 2004; Hirose in sod., 1993).
Nomura s sodelavci je leta 2002 vzgojil samooprašno navadno ajdo. Sorte, ki so jih razvili iz naravnih mutantov in iz mutantantov, ki so bili izpostavljeni ionizirnemu sevanju, a se, zaradi težav povezanimi s parjenjem v sorodstvu, niso obnesle. Vse rastline so bile thrum (Campbell, 2003). Leta 1995 je Campbell uspešno izvedel križanje (medvrstna hibridizacija) na diploidnem nivoju med navadno ajdo in divjo samooprašno vrsto Fagopyrum homotropicum. Dobil je samooprašne plodne potomce, s katerimi je uspešno izvedel povratno križanje z vrsto F. esculentum (Campbell, 1995). Cyrus Samimy in sodelavci so, z vzgojo skrbno izbranih starševskih rastlin navadne ajde, uspešno izvedli križanje na diploidnem nivoju med tatarsko in navadno ajdo. Križanci so bili sterilni (Samimy in sod., 1996).
2.2 RASTNI DEJAVNIKI IN NADMORSKA VIŠINA
Slika 1: Tatarska in navadna ajda na poskusni lokaciji Javorje, 1200 m nadmorske višine. Foto: prof. dr. Ivan Kreft
V grobem velja, da z višjo nadmorsko višino pade temperatura zraka, zračni tlak, količina hranil v prsti, poveča pa se količina padavin, izpostavljenost spremenljivemu vetru in trajanje in debelina snežne odeje (Kofidis in sod., 2003). Pojav slednjega se za primer ajde, ki je enoletnica, lahko odraža le v smislu skrajšane rastne sezone. Z nadmorsko višino se hitro povečuje količina UV-B sevanja. Celokupno dnevno sončevo sevanje se, vzdolž višinskega gradienta, navadno ne spreminja oziroma so spremembe zelo majhne (Caldwell in sod., 1980).
Okoljske omejitve, ki jih prinaša visoka nadmorska višina, se odražajo v spremenjeni morfologiji in anatomiji rastlin, njihovem zunanjem videzu (habitus), spremenjeni fiziologiji in nižji produktivnosti (Kofidis, 2003). Večino sprememb lahko pojasnimo s povišano količino UV-B svetlobe (Roblek in sod., 2008) in nižjo temperaturo (Mooney in Ehleringer, 1997).
Temperatura vpliva na večino pomembnih procesov v ogljikovem ciklu, tudi na fotosintezo (Mooney in Ehleringer, 1997).
2.2.1 Količina hranil
Navadna in tatarska ajda veljata za nezahtevni rastlini. Uspevata lahko na z dušikom revnih kamnitih in peščenih tleh. Pretirano gnojenje in visoka količina dušika v tleh lahko pri ajdi
povzročita poleganje. Ajda je sicer učinkovita pri izkoriščanju fosforja v tleh, vendar zmerno dodajanje fosforja v prst lahko izboljša pridelek (Kreft, 1989).
Od makroelementov imajo na rast in razvoj ajde in tudi ostalih rastlin največji vpliv dušik (N), fosfor (P) in kalij (K) (Yazaki, 1994, cit. po Hayashi, 2001). Med njimi na rast in pridelek najbolj vpliva fosfor. N, P in K v različni meri vplivajo na višino rastlin in sicer: 53
% P, 20 % N in 12 % K. N in P imata še večji vpliv kot na višino rastlin, na njihovo biomaso (N: 84 %, P: 27 %). K ima vpliv predvsem na značilnosti, ki zadevajo razrast in obliko rastlin, ne pa tudi na količino pridelka. Pomanjkanje dušika privede do zmanjšanja fotosintezne aktivnosti in prezgodnje senescence (Hayashi, 2001).
2.2.1.1 Mikoriza
Ajda je bila, klub temu, da sta Virant in Kajfež Bogataj leta 1988 opazila mikorizne glive na koreninah navadne ajde, označena za vrsto brez mikoriznih povezav. Šele v zadnjem času so raziskovalci dokazali, da sta navadna in tatarska ajda mikorizni vrsti.
Koreninski sistem navadne in tatarske ajde poseljujeta dve skupini mikoriznih gliv; temni septirani endofiti in arbuskularne glive, ki pa so redkejše (Likar in sod., 2008).
Mikorizne glive rastlini pomagajo pri privzemu mineralnih hranil, posebno fosforja, rastlina pa jim v zameno vrača ogljikove spojine in ji nudi zaščito pred biotskim in abiotskim stresom.
Temni septirani endofiti pogosto naseljujejo korenine rastlin v ekstremnih okoljih in rastlini pomagajo pri privzemu dušika in fosforja iz tal (Read in Haselwandter, 1981, cit. po Väre in sod., 1997).
2.2.2 Temperatura
Temperatura vpliva na večino procesov, ki so udeleženi v rasti in razvoju rastline, ti so:
fotosinteza, respiracija, transpiracija, razporeditev mase, rast korenin in nadzemnih delov (Ahad in Reshi, 2015; Gray in Brady, 2016; Hasanuzzaman in sod., 2013; Rezaei in sod., 2015).
Večina fizioloških procesov v rastlinah teče nemoteno v temperaturnem razponu med 0 in 40 °C. Sorta navadne ajde Siva, pri osvetlitvi 25 k lux-ov in 70 % zračni vlažnosti, dosega najvišjo raven neto fotosinteze pri temperaturi 20 °C. Optimalno temperaturno območje (neto fotosinteza presega 90 % maksimalne) za uspevanje navadne ajde je med 17 in 24 °C.
Neto fotosinteza je pozitivna v temperaturnem razponu med malce pod 0 in 45 °C (Kajfež- Bogataj, 1987). Rastline v tem poskusu so bile izpostavljene razmeram le krajši čas med opravo meritev. Temperaturo so postopno zviševali.
Zelo nizke ali visoke temperature rastlini povzročijo poškodbe, ki se tako kot pri izpostavljenosti drugim stresnim dejavnikom, navadno v rastlini odražajo v obliki oksidativnega stresa (Fahad in sod., 2017). Občutljivost rastline na visoke in nizke temperature je odvisna od genotipa rastline, ki po navadi odraža vremenske razmere mesta
izvora vrste in zgodovino njene kultivacije in selekcioniranja (Tayade in sod., 2018; Ye in sod., 2009). Na temperaturne ekstreme so najbolj občutljive rastline v reproduktivni in manj v vegetativni fazi razvoja (Rezaei in sod., 2015; Satake, 1976). Vročina v času reproduktivnega razvoja lahko privede do abortivnosti cvetov, zmanjšane fertilnosti cvetov, napak pri oprašitvi in oploditvi in do slabše napolnjenosti semen (Rezaei in sod., 2015).
Preživetje rastline v stresnih razmerah je odvisno od njene sposobnosti zaznave stresnih okoliščin, posredovanja tega signala na mesto odziva ter sprožitve primernih fizioloških in biokemijskih odzivov (Hasanuzzaman in sod., 2013).
Na primeru riža so ugotovili, da nizka temperatura v času kalitve vpliva na delež in hitrost kalitve semen, kar se lahko kasneje odrazi v zmanjšani moči kalic in neenaki rasti posevka, kar privede do nižjega pridelka (Ye in sod., 2009; Cruz in sod., 2006). Rastline, ki rastejo pri temperaturah, ki so nižje od optimalnih, so nižje, imajo manjšo biomaso, manj listov, ki se razvijajo počasneje in so manjši, rast stranskih poganjkov je zakasnjena. Fertilnost njihovih cvetov je okrnjena, kar ima za posledico manjše število semen, ki so tudi manjša in lažja (Ye in sod., 2009).
Rast celic, posebno elongacija celic, ima visoko Q10 vrednost (1), kar z drugimi besedami pomeni, da je proces, bolj kot s fizikalnimi, uravnavan s kemijskimi dejavniki.
Q10 = (R1/R2)10 °C/(T1- T
2) …(1)
R- hitrost procesa
T- temperatura [°C ali °K]
Na respiracijo temperatura vpliva podobno kot na večino kemijskih reakcij (Q10= 2-3, do temperature 30 °C). Pri višjih temperaturah je proces zaradi denaturacije protoplazemskih proteinov upočasnjen.
Na primeru paradižnika je bila ugotovljena povezava med najnižjo nočno temperaturo in prerazporejanjem produktov fotosinteze iz listov v ostale dele rastline (Went, 1944). Proces se pri temperaturah nad 2 °C linearno upočasnjuje (Went in Hull, 1949). Ta podatek se sicer med različnimi avtorji in poskusi malenkost razlikuje.
Čajevec in jagode, gojene na višji nadmorski višini in pri nižji temperaturi, vsebujejo več aromatskih spojin (Nanninga, 1913, cit. po Saleh, 1970). Pri rastlinah, ki rastejo pri nižji temperaturi, je pogosto moč opaziti višjo vsebnost enostavnih sladkorjev, ki prispevajo k odpornosti rastline na zmrzal (Levitt, 1951). Nizka temperatura zavira izgradnjo inhibitorja encima fosforilaza, ki sodeluje v razgradnji škroba v molekule saharoze (Meeuwse B. J. D., 1943, cit. po Went, 1953).
Pri nižjih temperaturah je razmerje med fotosintezo (F) in respiracijo (R) v rastlini visoko (>
10). Z zviševanjem temperature se poveča raven respiracije in razmerje F/R se zniža.
Vpliv temperature na rast in razvoj rastline je zelo kompleksen. V razvoju rastline se mora v zaporedju odviti več morfoloških in fizioloških procesov, vsak od njih pa ima svoj temperaturni optimum.
Na temperaturni optimum za rast rastline vpliva tudi intenziteta svetlobe. Optimalne temperature so višje pri večji intenziteti svetlobe (Went, 1945).
Navadna ajda za kalitev potrebuje relativno visoke temperature. Vzkali pri temperaturi približno 10 °C, optimalna temperatura za kaljenje pa je okoli 20 °C. Ob primerni vlagi lahko vzkali v dveh do treh dnevih po setvi. Med rastjo je optimalna temperatura za rast relativno nizka, dobro pa prenaša tudi ohladitve (Kajfež-Bogataj in Gaberščik 1986). Vrsta ni odporna na zmrzal, poškodbe v rastlini se pojavijo pri temperaturi nižji od -2 °C (Gaberščik in sod., 1986).
Lauranne Aubert (2020) je s sodelavci izvedla eksperiment, pri katerem je preverjala odziv navadne in tatarske ajde na povišane temperature. Rastline so gojili pri konstantni temperaturi 21 in 27 °C. Vrsti sta se na povišano temperaturo odzvali različno. Pri obeh vrstah je pod vplivom visoke temperature prišlo do produkcije večjega števila listov, ki pa so bili manjši, in so tvorili manjšo površino. Sprememba v številu listov je bila bolj očitna pri rastlinah tatarske ajde, ki so, po 71 dnevih rasti pod različnima temperaturnima tretmajema, v povprečju imele 56 in 127 listov, medtem ko je imela navadna ajda, 41 in 48 listov. Manjša velikost listov je rezultat manjšega števila celic v listu in manjše elongacije celic. Prav tako se je s temperaturo zmanjšala biomasa listov na posamezni rastlini; pri navadni ajdi 12 do16-krat in pri tatarski 4,5-krat. Razvoj večjega števila listov ob povišani temperaturi je med rastlinskimi vrstami pogosta lastnost. Rastline s tem navadno povečajo listno površino, s čimer se poveča transpiracija in s tem učinkovitost hlajenja listov. Povišano transpiracijo je bilo moč opaziti pri rastlinah obeh vrst, ki so rasle pri temperaturi 27 °C.
Večje število odprtih listnih rež lahko vpliva na izmenjavo plinov in stopnjo fotosinteze.
Podatki o neto fotosintezi, stomatalni prevodnosti in učinkovitosti rabe vode, ki so se tekom razvoja rastlin spreminjali, na koncu poskusa pa razlike med tretmajema ni bilo moč zaznati, kažejo na dejstvo, da so se rastline po nekem času prilagodile na povišano temperaturo.
Pri tretmaju z visoko temperaturo je pri obeh vrstah prišlo do zamika cvetenja. Temperatura je imela vpliv na časovni potek rasti in razvoja cvetov. Ob koncu eksperimenta je bila suha masa cvetov med vrstama višja pri navadni ajdi, med temperaturnima tretmajema pa pri višji temperaturi. Visoka temperatura je imela pri obeh vrstah negativen vpliv na receptivnost stigme za pelodno zrno. Vpliv temperature na razvoj pelodnih zrn je bil med vrstama nasproten. Tatarska ajda je proizvedla večje število pelodnih zrn pri nižji temperaturi, navadna ajda, še posebno thrum rastline (75 %, pin: 15 % več pelodnih zrn), pa obratno.
Viabilnost pelodnih zrn je bila visoka (>90 %). Temperatura je imela vpliv na delež abortivnih cvetov, ki se je bil višji pri visoki temperaturi (Aubert in sod. 2020).
Med tem ko je povišana temperatura negativno vplivala na vsebnost vode v steblih in listih rastlin tatarske ajde, razlike pri rastlinah navadne ajde ni bilo moč zaznati.
Razlik v vsebnosti klorofila, med različnima temperaturnima tretmajema, ni bilo.
Temperatura je imela vpliv predvsem na delovanje fotosistema II. Vročina povzroči večjo tekočnost tilakoidnih membran in moti metabolne procese ki spremljajo prenos elektronov.
Ob koncu eksperimenta so avtorji pri rastlinah, ki so rasle pri 27 °C, zasledili upad v parametrih, ki opisujejo delovanje fotosistema II (ФPSII, qP in NPQ) (Aubert in sod., 2020).
Pri obeh vrstah je prišlo do povišane antioksidativne aktivnosti. Vsebnost hidrofobnih antioksidantov v socvetjih je bila ob koncu eksperimenta višja pri obeh vrstah pri rastlinah, ki so rasle pri višji temperaturi. Pri tatarski ajdi se je njihova vsebnost povečala tudi v listih.
Pri obeh vrstah se je s temperaturo povišala vsebnost polifenolov v listih (Aubert in sod., 2020).
2.2.3 UV in nadmorska višina (lokacija)
Svetloba je elektromagnetno sevanje pri različnih valovnih dolžinah oziroma frekvencah.
Kadar nas zanimata njen prenos energije in reakcija s snovjo, jo opisujemo z lastnostmi delcev. Zemljo osvetljuje in segreva valovanje, ki nastaja kot posledica gorenja Sonca.
Sestavljajo ga žarki z različnimi valovnimi dolžinami oziroma frekvencami nihanja, ki se med seboj razlikujejo v količini energije (2). Več energije nosijo fotoni z nižjo valovno dolžino (Gibson, 2000).
Zveza med valovno dolžino in energijo fotona je:
W= fv=h/ λ, …(2)
pri čemer je h Planckova konstanta (6.626*10-26 J s-1), f je frekvenca in λ valovna dolžina žarka (Mohanakumar, 2008).
Delu svetlobnega spektra, med približno 380 in 750 nm, ki ga zazna človeško oko, pravimo vidna svetloba (International Lighting Vocabulary. št. 17/04, 1987). Senzacija, ki jo povzroči pristanek fotona na retini človeškega očesa, v nas vzbudi videnje barv. Območje vidne svetlobe, ki je tudi fotosintezno aktiven del spektra (PAR: 400-700 nm) (Rozema, 1997), zato razdelimo na vijolično, modro, zeleno, rumeno, oranžno in rdečo svetlobo.
Biološko pomembni sta še ultra-vijolična (UV, 100-400 nm) in infra-rdeča (IR, >740 nm) svetloba (Hopkins in Hüner, 2009).
UV svetlobo razdelimo na UV-A, UV-B in UV-C svetlobo. UV-C svetloba predstavlja 0,5
% sončevega sevanja in vključuje žarke z valovno dolžino med 100 in 280 nm. Večino teh (99 %), sicer za organizme zelo nevarnih žarkov, absorbira stratosferski ozon in ne dosežejo Zemljinega površja (Gibson, 2000). UV-B svetloba z valovno dolžino žarkov med 280 in 320 nm, se v stratosferi le delno (90 %) absorbira. Žarki, ki pridejo do Zemljinega površja, lahko v organizmih povzročijo poškodbe. V rastlinah so vzrok poškodbam molekul DNA, membran in fotosinteznega aparata, pri ljudeh pa eden glavnih povzročiteljev kožnega raka (Allen, 2001; Rozema in sod., 1997). Rastline so tekom evolucije kot odgovor na sevanje, že med prehodom na kopno razvile sintezne poti za izgradnjo polifenolnih molekul, ki jih ščitijo pred ionizirno UV svetlobo, njihova izgradnja pa je z njo tudi, vsaj delno, regulirana (Rozema in sod., 1997). Rastline so sicer dobro prilagojene na vrednosti UV sevanja v svojem okolju, razlog za skrb pa v zadnjih desetletjih predstavlja tanjšanje ozonske plasti, posledica onesnaženja z klorofluoroogljikovodiki (tudi freoni ali CFC) (McFarland in Kaye, 1992), in s tem, na nekaterih območjih, povečana količina UV sevanja. Podatki zadnjih dveh desetletij kažejo, da povečano UV sevanje negativno vpliva (nižje rastline z manjšo biomaso) kar na polovico proučevanih rastlinskih vrst. Bolj občutljive so nižinske vrste (Hopkins in Hűner, 2009).
Rastline posedujejo mehanizme za zaznavo UV svetlobe, informacija iz okolja pa v njih sproža odzive, kot so npr. iskanje sence s spremenjeno arhitekturo rasti (Hayes in sod., 2014;
Fraser in sod., 2016), izgradnja barvil in antioksidantov, ki delujejo preventivno, ali pa aktivacija popravljalnih mehanizmov, ki blažijo nastalo škodo (Jackson, 1987). Med dobro poznanimi odzivi rastlin na povišano UV sevanje so fotomorfogeneza, inaktivacija avksina, degradacija ATP-aze pod vplivom prostih radikalov, poškodbe na fotosinteznem aparatu in, najbolj splošen med njimi, aktivacija sinteze flavonoidov (Stapleton, 1992).
Fotomorfogeneza je s sevanjem inducirana sprememba v morfologiji rastline, ki ne privede do bistvene spremembe v biomasi (Barnes in sod., 1990). Je odziv rastline na obsevanost s svetlobo jakosti, ki ne presega njenega tolerančnega območja. . UV-B svetloba je udeležena pri inhibiciji rasti hipokotila (Ballare et al., 1991), pri promociji ekspanzije celic kličnih listov, kodranja kličnih listov (Wilson in Greenberg 1993) in rasti korenin. Na UV-B sevanje so najbolj občutljive svetlobi izpostavljene celice v lag fazi celične delitve. Odzivi so najbolj očitni pri mladih rastlinah v obdobju hitre rasti z visoko meristemsko aktivnostjo. Rastline UV-B svetlobo zaznavajo s pomočjo fotoreceptorjev fitokrom A (phyA), fitokrom B (phyB).
V signalni verigi sta v nadaljevanju udeležena fotomorfogena represorja COP1 in DET1 (Kim in sod., 1998). Rastline so najbolj odzivne na spremembe v količini sevanja pri valovni dolžini okoli 300 nm in manj, to je v območju, na katerega imajo spremembe v količini stratosferskega ozona največji vpliv (Wellmann, 1983). Prav tako imajo zaščitni flavonoidni pigmenti optimalno absorpcijo pri valovni dolžini približno 295 nm. Slednje, ob tem, da so fotoni pri teh valovnih dolžinah, od teh, ki pridejo do Zemljinega površja, nosilci največje količine energije, in lahko v organizmih povzročajo poškodbe, nakazuje na dejstvo, da flavonoidi ščitijo nižje ležeča tkiva pred morebitnimi poškodbami zaradi UV sevanja.
Izgradnja barvil je hipen odgovor po obsevanju z UV svetlobo, stopnja odgovora pa je v linearnem odnosu s močjo sevanja. Barvila se kopičijo predvsem v epidermidi (povrhnjici), ki je najbolj izpostavljena sevanju (Wellmann, 1983). V epidermidi z vakuolami, v katerih so UV absorbirajoči flavonoidi se lahko, odvisno od vrste in dela rastline, absorbira več kot 98 % vse svetlobe (Caldwell, 1981). Spremembe v rasti in metabolizmu rastline so pri obsevanju z običajnimi vrednostmi UV svetlobe, povratne.
Vrednosti, ki presegajo zmožnost odziva rastline, v njej povzročijo poškodbe. Te so posledica zmanjšane fotosintezne aktivnosti ali motenj v drugih, za rastlino bistvenih procesih in jih lahko opazimo v obliki nepravilne rasti in rjavenja listov, ki ju spremlja povečana izgradnja flavonoidov in sorodnih barvil (predvsem antocianov)(Wellmann, 1983).
Na primeru vrste navadni repnjakovec (Arabidopsis thalina) so ugotovili, da morfogenezo povzroča UV-B sevanje s tokom med 0,01-0,1 µmol/m2s. Svetlobni tok med 0,1 in 1 µmol/m2s privede do saturiranega odziva rastlin, UV-B sevanje s tokom višjim od 1 µmol/m2s pa v rastlini povzroči poškodbe (Wellmann, 1983).
Energija delcev sevanja UV-A, ki predstavljajo 7 % sončevega sevanja in za organizme niso tako nevarni, je nižja. Specifični odzivi na UV-A svetlobo v rastlinskem svetu niso poznani.
Je pa UV-A svetloba, kot pomemben dejavnik, udeležena v vseh procesih ki, so odvisni od količine modre svetlobe, to sta npr. fotoreaktivacija (popravljalni mehanizem, pri katerem
se fotoliaza veže na lezije v DNA molekuli in jih, pri tem, ko absorbira svetlobo z valovno dolžino med 300 in 600 nm, odstrani (Kimura in sod., 2004)) in s strani kriptokroma uravnavana fotomorfogeneza (Wellmann, 1983) (zaustavitev rasti hipokotila, akumulacija antocianov, pretvorba etioplastov v kloroplaste) (Wang in sod., 2014).
Preglednica 1: Valovne dolžine svetlobe [nm] in energija fotonov (Hopkins in Hűner, 2009).
barva valovna dolžina [nm] povprečna energija [kJ mol-1 fotonov]
Ultravijolična 100-400
UV-C 100-280 471
UV-B 280-320 399
UV-A 320-400 332
Vidna 400-740
vijolična 400-425 290
modra 425-490 274
zelena 490-550 230
rumena 550-585 212
oranžna 585-640 196
Bližnja rdeča 640-700 181
Daljna rdeča 700-740 166
IR >740 85
Količina UV-svetlobe (svetloba z valovno dolžino med 200 in 400 nm), ki doseže zemljino površje se, zaradi manjšanja količine delcev, ki UV-svetlobo absorbirajo ali sipajo, na njeni poti skozi atmosfero do površja, z nadmorsko višino navadno povečuje. UV-svetlobo na poti skozi atmosfero prestrezajo npr. oblaki, aerosoli in molekule zraka. Vsi ti dejavniki imajo vpliv na specifične valovne dolžine svetlobnega sevanja, v splošnem pa zanje velja, da imajo večji vpliv pri nižjih valovnih dolžinah (Koepke in sod., 2002). Pozitivno na količino UV svetlobe, ki zadane merilno napravo ali na primer list vpliva albedo, ki je v praksi v povprečju na višjih nadmorskih višinah večji, kar je posledica večje verjetnosti snežne odeje in premika od obraslosti površja z rastlinjem k bolj skalnatemu svetu.
Učinek nadmorske višine na obsevanost merimo s sledečo mero: učinek nadmorske višine (AE), z enoto [%/km], ki nam pove, kakšna je sprememba v količini svetlobe v določenem spektru, ki zadane zemljino površje, pri povišanju nadmorske višine za en kilometer. Meritev se opravlja v jasnem vremenu, podatek pa je zaradi udeleženih dejavnikov, specifičen za kraj in čas meritve (Pfeifer in sod., 2006).
Avtorji za Alpe navajajo vrednosti za AE za celokupno UV svetlobo, vključno z učinkom oblačnosti, med 11 in 40 % in med 5 in 25 % na km n. m. v. za meritve, opravljene v jasnem vremenu (Pfeifer in sod., 2006). Roblek in sodelavci navajajo, da se UV-B sevanje krepi z nadmorsko višino, od 6 do 8 % na 1000 m nadmorske višine (Roblek in sod., 2008).
2.3 NAVADNA IN TATARSKA AJDA TER NADMORSKA VIŠINA
Predniki obeh vrst ajde, navadne in tatarske, izvirajo z goratih območji, kar se kaže tudi v tem, da se obe relativno uspešno soočata z zaostrovanjem rastnih razmer, ki jih prinaša visoka nadmorska višina (Gondola in Papp, 2010; Kump in Javornik, 2002). Listi obeh vrst vsebujejo relativno veliko rutina, ki nudi zaščito pred močnim UV sevanjem (Kreft S. in sod., 2002; Suzuki in sod., 2005).
Lastnost, po kateri se vrsti očitno razlikujeta, je način razmnoževanja. Za prenos peloda iz brazde na pestič so pri navadni ajdi odgovorne žuželke, samooprašitev pa preprečuje pelodna inkompatibilnost, med tem ko so cvetovi tatarske ajde samooprašni (Đukić in sod., 2004;
Vombergar in sod., 2018).
Samooprašnost, ki predstavlja večjo možnost za oprašitev v okoljih, kjer je manj žuželk, lahko razumemo tudi kot lastnost, ki omogoča, da se v danem okolju ugodne lastnosti v populaciji hitro uveljavijo.
Tatarska ajda ima nizko genetsko pestrost znotraj populacije a veliko heterogenost med populacijami, ki pa jo, skoraj v celoti, pojasni oddaljeni dogodek iz začetkov kultivacije tatarske ajde, ko so v Tibetu in Shaanxi-u ter Yunnan-u in Sichuan-u uporabili različne divje prednike (Kump in Javornik, 2002; Zhou in sod., 2017; Zhang in sod., 2021 ). Raven ugodnih mutacij, ki se zaradi samooprašnosti sicer hitro uveljavijo, je relativno nizka.
Pomemben del strategije vrste je čas, ki ga rastlina potrebuje od vzklitja iz semena do tega, da na njej dozorijo semena naslednje generacije. Ta verjetno sledi optimalni izrabi rastne sezone okolja, v katerem so uspevale njene prednice. Tatarska ajda za izpeljavo življenjskega kroga potrebuje nekoliko manj časa kot navadna ajda. Semena njenih rastlin so manjša in številčnejša od semen rastlin navadne ajde. Ob morebitni poškodbi ima navadna ajde do izpolnitve rastne sezone več časa za regeneracijo in preusmeritev energijskih tokov v neprizadete dele kot tatarska ajda. Semena tatarske ajde dozorevajo bolj sinhrono od semen navadne ajde. Tveganje za drastične izgube semen tatarska ajda znižuje z aktivnim vlaganjem v njihovo zaščito. Stik med rutinom iz notranjosti semena in encimom za njegovo razgradnjo, ki je v testi, povzroči nastanek kvercetina, ki je grenkega okusa in služi odvračanju herbivorov (Suzuki in sod., 2015).
Biomasa rastlin navadne ajde je višja od biomase rastlin tatarske ajde (Preglednica 13).
Minimalna koncentracija hranil v pomanjkanju je navadno višja pri rastlinah z višjo stopnjo rasti, ki kažejo nižjo stopnjo tolerance na njihovo pomankanje (Niinemets in Valladares, 2008).
Omejitve okolja rastline doživljajo kot stres, ki ga Levit (1960) deli na dva razreda; eustres in distres. Pri prvem gre za raven stresa, ki je sicer za nekatere osebke škodljiva, a povzroča adaptacijo in dolgoročno povišanje fitnesa vrste, pri drugem pa omejitve okolja postajajo vse bolj destruktivne in imajo v končni fazi za posledico izumrtje populacije.
Pri poskusu nas zanima predvsem mejno območje med prvim in drugim, kjer bi ob določenih razmerah ena od vrst doživljala eustres, druga pa distres.
Razmere goratih območji, v katerih je potekla glavnina poznejše evolucije tatarske ajde, so spremenljive in favorizirajo osebke, ki zadostno količino virov namenjajo preventivni zaščiti pred izrednimi pojavi.
Vrsta, ki vlaga vire v zaščito in infrastrukturo za hiter odziv na spremembe v okolju in regeneracijo po nastalih poškodbah, je v nestanovitnih gorskih okoljih na dolgi rok v selekcijski prednosti v primerjavi z vrsto, ki vire vlaga v hiperprodukcijo. Navadna ajda je v svetu bolj razširjena in se z njo dalj časa, bolj intenzivno kmetuje. Trenutne sorte zagotavljajo obilen pridelek predvsem v kmetijskih krajinah.
V praksi delovanje različnih stresorjev privede do podobnih sprememb v delovanju rastlin, zato se te, na delovanje različnih stresorjev, najprej odzovejo s takoimenovanim enotnim stresnim odzivom (Beck in sod., 2007). Tako lahko rastlina, ki izvira iz območja z visoko n.
m. v. in je prilagojena na nizke temperature in občasno zmrzal, dobro prenaša poletno vročino in sušo nižinskih okolij.
Poljedelstvo na visoki nadmorski višini je specifično. Razmere tam večkrat presežejo meje tolerančnega območja večine, drugod sicer uveljavljenih gojenih rastlin. Tolerančno območje populacije je okoljski razpon, v katerem sta stopnja rasti populacijske gostote in stopnja preživetja posameznikov večji od nič (Niinemets in Valladares, 2008).
Stopnja tolerance rastlin tatarske ajde na pomanjkanje, oziroma presežek določenih dejavnikov, je relativno visoka.
Ekološko in agronomsko vrednotenje uspešnosti vrste se v primeru ajde, ki jo navadno gojimo zaradi njenih semen, delno prekrivata. Ekološka cenilka za uspešnost vrste je reproduktivna uspešnost agronomska pa količina pridelka. V našem poskusu bomo opazovali število in suho maso semen na rastlinah .
Znotraj tolerančnega območja obeh vrst pričakujemo linearen odnos med zaostrovanjem razmer, predpostavljamo, da se rastne razmere zaostrujejo z naraščanjem nadmorske višine, in cenilko uspešnosti vrste (v našem primeru suho maso semen). Pričakujemo, da bodo razmere na visokoležečih poskusnih lokacijah presegle mejo tolerančnega območja vsaj ene od proučevanih vrst in na ta način omogočile vpogled v medvrstne razlike v rabi virov in stopnji tolerance.
2.4 RUTIN
2.4.1 Sekundarni metabolizem
Skupku vseh kemijskih reakcij, ki potekajo v organizmu, pravimo metabolizem. Nadalje metabolizem pri rastlinah delimo na dva dela, primarni in sekundarni. Del primarnega metabolizma so vse energijske pretvorbe, ki omogočajo delovanje organizma in kemijske reakcije, v katerih nastajajo molekule, primarni metaboliti, ki so osnovni gradniki celic in so
skupne vsem celicam v organizmu in tudi organizmom na splošno. Te molekule so na primer: lipidi, proteini, nukleinske kisline in ogljikovi hidrati (Hopkins in Hüner, 2009).
Z razliko od živali, rastline velik del energije in ogljika namenjajo izgradnji molekul, ki za osnovno celično delovanje sicer niso nujno potrebne, a kljub temu v organizmu opravljajo pomembne vloge in služijo rastlini npr. pri zaščiti pred mikrobnimi infekcijami, napadi insektov ter drugih herbivorov, ipd. Tem snovem, ki nastajajo v kemijskih reakcijah sekundarnega metabolizma, pravimo sekundarni metaboliti. Ločnica med primarnimi in sekundarnimi metaboliti ni vedno jasna, saj se v izgradnji enih in drugih pojavljajo enaki intermediati, ki so produkt istih metabolnih poti. V sekundarnem metabolizmu nastajajo najrazličnejše snovi z najrazličnejšimi vlogami, ki pa še niso dobro raziskane. Zanje je značilno, da po večini nastajajo in učinkujejo v majhnih količinah. Mnoge izmed njih imajo veliko uporabno vrednost v medicini in v gospodarstvu. Uporabne so v proizvodnji dišav in eteričnih olj. Glede na kemijsko strukturo in način nastanka, jih ločimo v štiri glavne skupine:
-terpeni (hormoni, pigmenti, esencialna olja, steroidi, guma),
-fenolne spojine (kumarini- uporabljeni kot antikoagulanti, flavonoidi, lignin in tanini), -glikozidi (saponini, in glukozinolati) in
-alkaloidi (Hopkins in Hüner, 2009).
2.4.2 Polifenolni sekundarni metaboliti
Fenolne spojine (fenil propanoide) delimo na enostavne fenole in polifenole. Polifenole pa nadalje delimo na ne-flavonoide (lignini, stilbeni in tanini), fenolne kisline in flavonoide (Basheer in Kerem, 2015).
Flavonoidi v rastlini delujejo kot intramolekularni protonski prenašalci, tvorijo zaščito pred UV svetlobo ali pa rastlini dajejo obarvanost, sodelujejo v obrambnih procesih, ki ščitijo rastlino pred vdori patogenov, ali pa kot antioksidanti ščitijo rastlino pred oksidativnim stresom (Nakabayashi in sod., 2014). Dietrych-Szostak in Oleszek (1999) sta v zrnih navadne ajde izolirala šest flavonoidov (rutin, orientin, viteksin, kvercetin, izoviteksin in izoorientin).
Delitev flavonoidov:
Flavonoidi [flavus- rumen]: skelet iz petnajstih atomov ogljika
1. Flavonoidi ali bioflavonoidi- osnovna struktura je 2-fenilkroman-4- on (2 fenil-1,4-benzopiran)
Flavoni Izoflavoni
Flavan-3-oli in antociani
2. Izoflavonoidi- osnovna struktura je 3-fenilkroman-4-on (3-fenil-1,4- benzopiran)
3. Neoflavonoidi- osnovna struktura je 4-fenilkumarin (4-fenil-1,2- benzopiran)
1. 2. 3.
Slika 2: Skeletna formula ogljičnega skeleta flavonoidov: 1. flavonoidi, 2. izoflavonoidi, 3. neoflavonoidi (Wikipedia, 2021).
Kvercetin je rastlinski sekundarni metabolit, ki ga uvrščamo v skupino flavonoidov. Nadalje ga uvrščamo med antoksantine in flavonole.
2.4.3 Izgradnja in razgradnja rutina
Rutin je glikozid flavonola kvercetina (3,3',4',5,7-pentahidroksi-2-fenilkromen-4-on) in disaharida rutinoze in je sintetiziran z 3-O-glikozidacijo kvercetina, ki ji sledi ramnozilacija izokvercitrina, ki jo katalizira ramnoziltransferaza (RT) (Barber in sod., 1991). Rutinozo hidrolizira encim rutin-glikozidaza (Suzuki in sod., 2005). Glikolizacijo flavonoidov pri večini poznanih primerov (npr. koruza, ječmen in grozdje) katalizira encim flavonoid glikoziltransferaza, ki do vseh flavonolov izkazuje podobno afiniteto. Glikoziltransferaza, izolirana iz semen navadne ajde, pa ima afiniteto za vezavo rutina vsaj 6 krat višjo od afinitete za vezavo ostalih flavonolov. Encim je najbolj aktiven pri nevtralnem pH. Najboljši donor sladkorne komponente je nukleotidni sladkor uridin difosfat glukoza (UDP-Glc) (Suzuki, 2015).
Rutinozidaza katalizira hidrolizo 3-glikozidne enote rutina. Pri tatarski ajdi so odkrili dve vrsti encimov: RDE (rutin degrading encime) (Yusada in Nakagawa, 1994) in f3g (flavonol 3-glukozidaza) (Suzuki in sod., 2002). Vendar Suzuki in sodelavci poročajo, da gre verjetno v resnici za en in isti encim in da so razlike v ugotovitvah posledica razlik med kultivarijema in različnimi rastnimi razmerami v katerih so gojili testne rastline. Domnevo razlagajo z dejstvom, da so iz semen tatarske ajde, po enaki metodi kot Yusada in Nakagava, izolirali le encima f3gI in f3gII. Za izocima, f3gI in f3gII, velja, da poleg hidrolize rutina, katalizirata tudi hidrolizo izokvercitrina, za katerega pa je Vmax (maksimalna hitrost reakcije) 9 krat nižja. To dejstvo lahko priča o njuni vlogi v encimski kontroli količine rutina v rastlinskih delih. Encima, in vitro, dosegata najvišji nivo aktivnosti pri 40 °C in pH= 5 (Suzuki in sod., 2002).
Slika 3: (desno) Ogrodje flavonolov in substitucijska števila (Wikipedia, 2021).
Slika 4: (levo) Kataliza izgradnje in razgradnje rutina (Suzuki in sod., 2015).
Dejavniki, ki pozitivno vplivajo na sintezo rutina so UV-sevanje, zmrzal, odsotnost svetlobe in izsuševanje.
2.4.4 Vloga rutina v rastlini
- Grenak okus- zaščita pred herbivorijo (Suzuki in sod., 2015). Rutinozidaza ob stiku z rutinom katalizira reakcijo, v kateri nastane kvercetin, ki je grenkega okusa.
Odvrača divjad in ličinke nekaterih vrst žuželk (Simmonds, 2003)
- Antioksidant (in vitro: Yang in sod., 2008; Suzuki in sod 2015, Harborne in Williams, 2000.)
- 3,4-dihidrobenzojska kislina s proti glivnim delovanjem v porjavelih lističih čebule je produkt od peroksidaze odvisne oksidacije kvercetina (Takahama in Hirota, 2000).
Pri tatarski ajdi bi lahko prvi korak pri pripravi izhodne molekule za izgradnjo snovi za protimikrobno zaščito opravljal encim f3g. V obeh vrstah ajde je v listih in semenih moč zaslediti peroksidazno aktivnost. Rutin in rutinozidaza sta v rastlini prostorsko ločeni. Pri kalitvi semena se rutin nahaja v celicah epidermisa kličnih listov, medtem ko se rutinozidaza nahaja predvsem na njihovi površini (izkazuje približno 25 % rutinozidazne aktivnosti teste). Suzuki in sodelavci domnevajo, da se rutinozidaza na površino kličnih listov transportira iz teste. V kolikor pride do poškodb kličnega lista pri prodiranju skozi tla prideta encim in substrat v stik in rutin se pretvori v kvercetin (Suzuki in sod, 2015).
- Iz luščin semen navadne ajde so izolirali 3,4-dihidrobenzojsko kislino in azelaično kislino z znatnim antibakterijskim delovanjem na gram+ in gram- bakterije (Cho in sod., 2000).
- Zaščita pred UV-svetlobo (Suzuki in sod., 2002; Suzuki in sod., 2005).
