Morphological and anatomical characterization of Actinidia kolomikta (Rupr. & Maxim.) Maxim. (C3) and Amaranthus tricolor L. (C4) leaves

Received: February 1st, 2022 ; Accepted: March 27th, 2022 ; Published: April 27th, 2022 ; Correspondence: [email protected] and anatomical features of new cultivars with photosynthesis of C3 (Actinidia kolomikta (Rupr. & Maxim.) Maxim. cv. ‘Narodnaya’) and C4 (Amaranthus tricolor L. cv. ‘Valentina’) were established by light and scanning electron microscopy, as well as energy-dispersive analysis. The leaf lamina of Actinidia kolomikta cv. ‘Narodnaya’ has a dorsoventral anatomical structure, anomocytic stomata on the abaxial epidermis and two types of trichomes: multicellular, uniseriate hairs and multicellular bristle-like protrusions, containing raphids. The needle-like raphides are located in subepidermal layers along the veins. A vascular system of petiole consists of two upper concentric bundles and the crescentic vascular strand. A starch sheat is present. Raphides (needle-shaped and rectangular) are located in phloem and cortical parenchyma cells, contain Ca, K, Mg, P and Si. The leaf lamina of Amaranthus tricolor cv. ‘Valentina’ have the kranz-anatomy, dorsiventral mesophyll and contain druses. Betacyanins are concentrated in the epidermis and mesophyll, but are not present in the bundle sheath. The number of vascular bundles in petioles is odd-numbered and variable (from 5 to 13). Trichomes are multicellular, uniseriate, ending in a large oval cell. Cells with betacyanins are present in the epidermis cortex, and, rarely, the collenchyma and phloem of the petiole. Cells with betaxanthins are absent. A starch sheat is brightly pigmented with betacyanins. The crystall sand is deposited in the parenchyma cells of the cortex and pith of the petiole and contains Ca (mainly) and K oxalates. Druses in the leaf lamina additionally contain Mg and P

К ВОПРОСУ ОБ АНТИОКСИДАНТНОМ МЕТАБОЛОМЕ ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР СЕЛЕКЦИИ ВНИИССОК

The antioxidant metabolome as a part of metabolome of  mbryophytes presents the total low molecular weight hydrophylic and hydrophobic metabolites with antioxidant activity which take part in protection and regulatory plant reactions. The main function of antioxidant metabolites is deactivation of active forms of oxygen and free radicals appearing ue to biotic and abiotic stresses. The level of resistance to oxidative stress of each plant is defined by total metabolome of antioxidants (content, speed of synthesis, accumulation, utilization) depending on genotype, but can be changed under the action of environment.Изучение антиоксидантного метаболома овощных растений, в том числе, интродуцированныхво ВНИИССОК, связано с развитием представления о месте антиоксидантного метаболома, который является частью метаболома высших растений, его функциях и роли в живом организме. Антиоксидантный метаболом представляет собой совокупность низкомолекулярных гидрофильных и гидрофобных метаболитов с антиоксидантной активностью, участвующих в защитных и регуляторных реакциях клетки. В задачу антиоксидантной метаболомики входит изучение состава и содержания метаболитов – антиоксидантов в ходе онтогенеза растений и при действии стрессоров и исследование влияния растительного антиоксидантного метаболома на функциональную активность организма человека. Основная функция низкомолекулярных метаболитов – антиоксидантов антиоксидантного метаболома в клетке заключается в обезвреживании активных форм кислорода и свободных радикалов, возникающих в большом количестве при действии абиогенных и биогенных стрессоров, различающихся по силе воздействия на растения. При этом уровень устойчивости каждого растения к окислительному стрессу определяется суммарным индивидуальным метаболомом антиоксидантов (составом, содержанием, скоростью синтеза, накопления и расходования) индивидуального растения, который формируется генотипом, но может изменяться под воздействием сопутствующих факторов среды

СОДЕРЖАНИЕ КРЕМНИЯ ВО ФРАКЦИЯХ РАСТИТЕЛЬНОГО БЕЛКА

Silicon is biologically important element that is necessary not only for plant, but for all living organisms. Silicon was discovered in all plant organs, where its much quantity accumulates in plan cell walls of leaf and root, giving them a mechanical durability and resistance against abiotic and biotic stresses. Earlier, it was supposed that the silicon was absorbed by plants in form of monosilicic acid and then being deposited as phytoliths or accumulated in epidermal plant cells. Moreover the silicon is not only a basic structural element, but it controls many biological and chemical processes. Water soluble monosilicic acid enters into reaction with metals, organic compounds, showing properties of weak acid. Gels of silicic acid can be a catalyst and a matrix, on which the inner cellular synthesis of organic compounds occurs. In the present study the method to determinate three forms of silicon in plants, such as free, easily hydrolyzed and tightly combined is given. Thus, the part of silicon, 0.5-0.7% was observed in protein preparation of leaves of amaranth. Protein was divided into two fractions, albumins and globulins by precipitation with ammonium sulfate. After that each protein fraction was divided into two by Sephadex, where one of which come out in inner volume of gel, and second one come out in outer volume of gel (G-75). The gel distribution into fractions was of the same type characteristics. The tightly combined silicon was absent in high molecular fraction of albumins and globulins. Most of the silicon was discovered in high molecular fraction of globulins, where 80% of the element was represented by an easily hydrolyzed form. The silicon combined with proteins apparently is in a form of orthosilicic ester of hydroxy-amino acids; however it cannot be excluded that there is the formation of SiN bonds with free amino groups. Biophile silicon is a part of plant silicon (organogenic), which is basically in the form of orthosilicic esters bonded with proteins, phospholipids and pectins that are the plant components being assimilated primarily by human’s organism. In our opinion, this fraction of silicon as a microelement should be taken into account in evaluation of nutritional, forage and pharmaceutical values of plant raw material.Кремний относится к биологически важным элементам, необходимым не только растениям, но и всем живым организмам. Кремний обнаружен во всех органах растений, в большом количестве накапливается в клеточных стенках листьев, стеблей и корня, обеспечивая их механическую прочность, защиту от внешних абиотических и биотических факторов. Ранее предполагали, что кремний поглощается растениями в форме моно- кремниевой кислоты и потом откладывается в виде различных фитолитов или аккумулируется в эпидермальных клетках. Но кремний является не только основным «каркасным» элементом в тканях живых организмов, но и контролирует многие биологические и химические процессы. Водорастворимая монокремниевая кислота вступает в реакции с металлами, органическими соединениями, проявляя свойства слабой кислоты. Гели кремниевой кислоты могут быть катализатором и матрицей, на которой может происходить внутриклеточный синтез органических соединений. В настоящей работе предлагается методика определения в растении трех форм кремния: свободной, легко гидролизуемой и прочносвязанной. При этом в листьях амаранта часть кремния 0,5-0,7% обнаруживалась в препаратах белка. Белок разделен на две фракции путем осаждения сульфатом аммония, на фракцию альбуминов и глобулинов. Затем каждая из этих фракций белка была разделена на сефадексе на белок, выходящий во внутреннем объеме геля G-75 и во внешнем объеме геля. Распределение геля по фракциям имело однотипный характер. В высокомолекулярных фракциях «альбуминов» и «глобулинов» прочно связанный кремний отсутствовал. Наибольшее количество кремния обнаружено в высокомолекулярной фракции «глобулинов», причём на 80% этот элемент был представлен его легко гидролизуемой фракцией. Связанный в белках кремний, по-видимому, представлен ортокремниевыми эфирами оксиаминокислот, однако, нельзя исключать и образование Si-N связей со свободными аминогруппами. Биофильный кремний – это та часть растительного (органогенного) кремния, которая химически (в основном в форме ортокремниевых эфиров) связана с белком, фосфолипидами и пектинами, то есть, с теми компонентами растительной ткани, которые в первую очередь усваиваются организмом человека. Эту фракцию кремния (как микроэлемент) по нашему мнению необходимо учитывать в числе показателей, определяющих пищевую, кормовую и фармацевтическую ценность растительного сырья.

СТАХИС – ПЕРСПЕКТИВНАЯ ОВОЩНАЯ КУЛЬТУРА С ЛЕКАРСТВЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ. ТЕХНОЛОГИЯ ВЫРАЩИВАНИЯ СТАХИСА

The technology of cultivation of stachys, the vegetable and officinal crop, in vitro and in vivo is presented in the article. There is a problem of cultivation of this crop on big areas in private farms duo to the lack of specialized machines. The main labor-intensive process of Stachys`s agrotechnology is harvesting of nodules in autumn (in October). In this period, the temperature drops below zero, and heavy rainfall is possible. This problem can be partially solved with the use of biotechnological methods. Stachys is susceptible to viral and fungal diseases. Diseasefree plants and nodules can be obtained through in vitro propagation. The multiplication ratio of Stachys, using method of clonal micropropagation, is very high (1:200). It shows the exploitability of method of tissue culture and plant cells for cultivation of stachys.В статье представлена технология выращивания овощной и лекарственной культуры стахиса in vitro и in vivo. Низкая рентабельность производства стахиса в личных подсобных хозяйствах в условиях Нечерноземной зоны России обусловлена отсутствием комплекса специализированных машин, что не позволяет выращивать эту культуру на больших площадях. Основным трудоемким приемом агротехники стахиса является уборка клубеньков осенью (в октябре). В этот период температура воздуха может опускаться ниже нуля, и возможны обильные осадки.Помимо этого, стахис подвержен вирусным и грибным заболеваниям, поэтому необходимо периодически оздоравливать клубеньки и размножать их с использованием биотехнологических методов. Показан высокий коэффициент размножения стахиса способом клонального микроразмножения (1:200), что свидетельствует о перспективности выращивания его с использованием метода культуры тканей и клеток растений

A new beamline for laser spin-polarization at ISOLDE

A beamline dedicated to the production of laser-polarized radioactive beams has been constructed at ISOLDE, CERN. We present here different simulations leading to the design and construction of the setup, as well as technical details of the full setup and examples of the achieved polarizations for several radioisotopes. Beamline simulations show a good transmission through the entire line, in agreement with observations. Simulations of the induced nuclear spin-polarization as a function of atom-laser interaction length are presented for $^{26,28}$Na, [1] and for $^{35}$Ar, which is studied in this work. Adiabatic spin rotation of the spin-polarized ensemble of atoms, and how this influences the observed nuclear ensemble polarization, are also performed for the same nuclei. For $^{35}$Ar, we show that multiple-frequency pumping enhances the ensemble polarization by a factor 1.85, in agreement with predictions from a rate equations model. [1] J. Phys. G: Nucl. Part. Phys./174408400

СОСТАВ И АНТИОКСИДАНТНАЯ АКТИВНОСТЬ АМИНОКИСЛОТ В ЛИСТЬЯХ AMARANTHUS TRICOLOR L. СОРТА EARLY SPLENDOR

Material for research was fresh leaves of Amaranthus tricolor L. varieties Early Splendor. They were grown in a greenhouse (Federal Scientific Vegetable Center, Moscow region). Using GC-MS, 8 and 11 amino acids were identified in extracts of hetero- and autotrophic leaves. One of the mechanisms that provide resistance to stresses of various natures is the accumulation of free amino acids; therefore, the total content of antioxidants can serve as an indicator of plant resistance. The amino acids found in amaranth leaves have pronounced functional activity in the human body. For example, tyrosine is the most important neurotransmitter, stimulates the brain, is involved in the control of stress. In humans, the precursor of tyrosine is the essential amino acid phenylalanine, while tyrosine is formed by hydroxylation of the phenyl group of phenylalanine. In this case, the lack of the latter in food leads to a deficiency of tyrosine in the body. Tryptophan controls the body's protective and adaptive functions. Amino acids valine, leucine, glutamine, proline - stimulate the growth of beneficial intestinal flora and biomass accumulation. Thus, the amino acid composition determines the nutritional and pharmacological value of amaranth leaf biomass. This indicates that amaranth leaves are a promising raw material for creating functional products and herbal remedies.Материалом служили свежие листья овощного амаранта (Amaranthus tricolor L.) сорта Early Splendor, который выращивали в пленочной теплице (ФНЦО, Московская обл.). С использованием ГХ-МС в экстрактах гетеро- и автотрофных листьев было идентифицировано 8 и 11 аминокислот. Одним из механизмов, обеспечивающих устойчивость к стрессам различной природы, является накопление свободных аминокислот, поэтому величина суммарного содержания антиоксидантов может служить индикатором устойчивости растений. Обнаруженные в листьях амаранта аминокислоты обладают выраженной функциональной активностью в организме человека. Например, тирозин является важнейшим нейромедиатором, стимулирует работу мозга, участвует в контроле за стрессом. В организме человека предшественником тирозина является незаменимая аминокислота фенилаланин, при этом тирозин образуется путем гидроксилирования фенильной группы фенилаланина. Отсутствие последнего в пище ведет к дефициту тирозина в организме. Триптофан контролирует защитно-приспособительные функции организма. Аминокислоты валин, лейцин, глутамин, пролин – стимулируют рост полезной кишечной флоры и накопление биомассы. Таким образом, аминокислотный состав определяет пищевую и фармакологическую ценность листовой биомассы амаранта. Это указывает на то, что листья амаранта являются перспективным сырьем для создания функциональных продуктов и фитопрепаратов

СТАХИС – ПЕРСПЕКТИВНАЯ ОВОЩНАЯ КУЛЬТУРА С ЛЕКАРСТВЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ. БИОХИМИЧЕСКИЕ И ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

The biochemical content of stachys nodules is provided: dry matter -30,5%, among which proteins - 2,2%, amides - 1,7%, lipids- 0,2%, carbohydrates- 19 % (reducing sugars - 1,8%, cellulose - 2,1%, pectin - 1,9%. Stachys has big amount biologically active substances and antioxidants such as vitamin C, stachyose, phenolic compounds, flavonoids, and glycosides. Stachys also has micro- and macro-elements and mineral compounds, which play important role in physiological and metabolitic processes of plant and human.Показано, что клубеньки стахиса содержат до 30,5% сухого вещества, из которого до 2,2% приходится на белковые вещества, до 1,7% – на амиды, до 0,2% – жиры, до 19 % – углеводы. В составе углеводов содержатся редуцирующие сахара – 1,8%, клетчатка – 2,1%, пектиновые вещества – 1,9%. При этом следует отметить, что в составе углеводов до 60% содержится редкий тетрасахарид – стахиоза, обладающий инсулиноподобным действием. Присутствие в клубеньках стахиса помимо стахиозы целого комплекса биологически активных веществ и антиоксидантов: витамина С, фенольных соединений, в том числе флавоноидов, природных гликозидов, обуславливают высокую биологическую активность и лечебные свойства этой культуры. Наряду с органическими веществами в стахисе содержатся химические соединения в виде микрои макроэлементов и минеральных соединений, которые выполняют важную физиологическую функцию в работе биологических систем растений и человека в составе ферментов и белков и принимают участие в различных звеньях метаболизма

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ КРАСЯЩЕГО ЭКСТРАКТА ИЗ СОЦВЕТИЙ И ЛИСТЬЕВ АМАРАНТА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

The peculiarities of accumulation and sustainability of the betacyanins's pigment of antioxidant Amaranthin in the inflorescences of different species of amaranth have been discussed. The method of extraction of the betacyanins's staining pigment from inflorescences of amaranth (cv. Valentina) has been proposed. The optimal storage conditions of the betacyanins's staining pigment have been found.

ХАРАКТЕРИСТИКА СОРТОВ АМАРАНТА СЕЛЕКЦИИ ВНИИССОК ПО УСТОЙЧИВОСТИ К ПОНИЖЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ И ДЕФИЦИТУ ВЛАГИ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ В МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ И РЕСПУБЛИКЕ ЭКВАДОР

Analysis of morphological and physiological characters of amaranth varieties of VNIISSOK and Ecuador breeding grown under optimal conditions, as well as at low temperature and precipitation deficit showed a reduction in height, number of leaves and inflorescence length to different extents. It points to the different resistance of varieties to the unfavorable environmental factors.Анализ морфофизиологических показателей растений амаранта сортов селекции ВНИИССОК и Эквадора, выращенных в оптимальных условиях, а также при пониженной температуре и дефиците осадков, выявил снижение высоты, числа листьев и длины соцветий в неодинаковой степени, что указывает на различный уровень устойчивости сортов к действию неблагоприятных факторов среды. Наиболее полное представление об устойчивости сорта можно получить при многолетней оценке морфофизиологических показателей при выращивании растений в открытом грунте при меняющихся из года в год неблагоприятных факторах среды. Помимо этого, дополнительную информацию об устойчивости сортов амаранта дает сопоставление элементов продуктивности растений, выращенных в разных географических зонах (Россия, Эквадор). Важные морфофизиологические параметры растений (высота, количество листьев, длина соцветия) использовали для более полной характеристики устойчивости сортов к действию абиогенных стрессоров. Внутрисортовая и межсортовая специфичность растений амарантпо показателям «высота», «число листьев» и «длина соцветий» четко проявилась при их выращивании в России и Эквадоре. Пониженная температура (13,9°С) и дефицит влаги являются стрессовым фактором для амаранта, задерживающим рост и нарастание листьев и соцветий у всех исследованных сортов за исключением сортов Неженка и Кизлярец, устойчивых к действию стрессоров. Представленные в работе данные свидетельствуют, что ростовые реакции растений амаранта изученных сортов более чувствительны к действию пониженной температуры, чем к дефициту влаги

СОДЕРЖАНИЕ И ПИГМЕНТНЫЙ СОСТАВ АВТОТРОФНОЙ И ГЕТЕРОТРОФНОЙ ТКАНИ ЛИСТЬЕВ АМАРАНТА ВИДА A. TRICOLOR L.

At present there is numerous evidence of the antioxidant positive role in the defensive reaction that is capable to protect not only plants, but also humans against oxidative stress. Plant pigments such as natural dyes from leaves, flowers and fruits are known to have high antioxidant activity. Amaranth species A. tricolor L. cultivar ‘Early Splendor’ is a convenient model for the comparative studying of the formation processes of differently colored pigment composition in leaf tissues that differs in the ability to photosynthesize. Leaves of amaranth cultivar ‘Valentina’ were as a standard. The aim of the experiment was a comparative studying of the pigments content: amaranthine, chlorophyll a and b, carotenoids in the cauline leaves of amaranth cultivars ‘Valentina’ and ‘Early Splendor’, as well as in the red and green areas of the leaves. Analysis of the aqueous extract of red Early Splendor amaranth apical leaves showed the presence of betacyanin pigment - amaranthine, in the absorption spectrum in which peak was seen in the green region at 540 nm. In addition to the antioxidant amaranthine there are  also antioxidants which might be phenolic glycosides, and ascorbic acid in the extract, the total content of which is almost twice as small as in the leaves of amaranth cauline of this cultivar. Yellow fraction was found in the ethanolic extract of red leaves. Its absorption spectrum had peaks in the blue region at 445 nm and 472 nm and a shoulder at 422 nm that indicated the presence of betaxanthin, betalamic acid or carotenoids. Water-soluble antioxidants - amaranthine and ascorbic acid were found in  auline leaves of studied species. Their content in the leaves of Valentina cultivar was higher than in the leaves of cultivar ‘Early Splendor’, and the maximum level of photosynthetic pigments was found in ‘Early Splendor’ leaves. The obtained results showed that the amaranth is a promising source of pigments with the antioxidant  activity that can be used for production of food dyes.В настоящее время получены многочисленные доказательства позитивной роли антиоксидантов в защитных реакциях, способных защитить от окислительного стресса не только растения, но и человека. Известно, что природные красящие вещества листьев, цветков и плодов – растительные пигменты проявляют высокую антиоксидантную активность. Удобной моделью для сравнительного изучения процессов формирования пигментного состава в гетерогенных тканях листа, различающихся по способности к фотосинтезу, являются растения амаранта вида A. tricolor L. сорта Early Splendor. В качестве стандарта служили листья амаранта вышеуказанного вида сорта Валентина. Целью работы является сравнительное исследование содержания пигментов: амарантина, хлорофиллов a и б, каротиноидов в стеблевых листьях амаранта сорта Валентина и Early Splendor, а также в красной и зеленой зонах верхушечных листьев последнего. Анализ водного экстракта красных верхушечных листьев амаранта Early Splendor показал наличие бетацианинового пигмента амарантина, в спектре поглощения которого обнаружен пик в зеленой области при длине волны 540 нм. Помимо антиоксиданта амарантина в экстракте содержатся антиоксиданты, вероятно, гликозиды фенольных соединений иаскорбиновая кислота, суммарное содержание которых почти в 2 раза меньше по сравнению со стеблевыми листьями амаранта этого сорта. Спиртовой экстракт красных листьев окрашен в желтый цвет. Его спектры поглощения имели в синей области пики при 445 нм и 472 нм и плечо при 422 нм, что указывает на присутствие бетаксантина, беталамовой кислоты или каротиноидов. В стеблевых листьях изученных видов обнаружены водорастворимые антиоксиданты – амарантин и аскорбиновая кислота, содержание которых в листьях сорта Валентина превыша-ло их количество в листьях сорта Early Splendor, в то время как в листьях последнего было обнаружено максимальное количество фотосинтезирующих пигментов. Полученные данные свидетельствуют о том, что амарант как перспективный источник красящих пигментов с антиоксидантной активностью может использоваться для получения пищевых красителей