Ваниль: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Фото на обложке:

Слева: Обработка зрелых стручков Vanilla planifolia © Michel Grisoni, CIRAD.

Справа: Vanilla planifolia в полном цвету © René Carayol, Région Réunion.

Предисловие

Ваниль – наследие Мексики, как и шоколад, один из основных мировых деликатесов. Она – компонент множества сладостей, мороженого и кола-напитков. Запах ванили ценится большинством людей во всем мире в любой концентрации. Это большой рынок, объемом почти полмиллиарда евро в год – и всего лишь несколько стран производят стручки этой тропической орхидеи. Орхидеи, с особыми требованиями к почве и климату, чувствительной к вредителям и болезням и имеющей мало генетических отличий в регионах выращивания из-за исключительно вегетативного размножения. При этом некоторые из основных регионов, такие как Мадагаскар, регулярно подвергаются тропическим штормам. Всё это делает ваниль уязвимой культурой и приводит к значительным ежегодным изменениям цен. Кроме того, зеленые стручки нуждаются в сложной процедуре обработки, в результате которой получается конечный продукт – стручки темного цвета, содержащие большое количество ванилина. Этот процесс до сих пор недостаточно изучен, хотя он имеет решающее значение для возникновения аромата ванили.

Проблема с поставками привела к усилиям по запуску производства в других регионах, и даже в теплицах, а также к поиску других источников ванилина. Поскольку основные потребители – пищевая промышленность и производство напитков, предпочтительным источником является природный, а значит, ванилин произведенный другими растениями или микроорганизмами, включая микробную биоконверсию предшественников ванилина. Поэтому ванилин, как природного, так и синтетического происхождения, доступен в чистом химическом виде. Однако, чистое соединение не дает того же аромата, что стручки ванили или их экстракты. Из-за большой разницы в цене между такими товарами – фальсификация не редкость.

Этот очень краткий очерк предваряет рассказ о существовании разнообразных исследований. Они включают в себя биотехнологию, направленную на поиск новых методов производства ванилина, агробиологические исследования для повышения урожайности и устойчивости растений к болезням, энтомологию для поиска возможных опылителей, необходимых в районах за пределами первоначальной среды обитания, исследования химии и биохимии процесса обработки и, к сожалению, продвинутую аналитическую химию, позволяющую идентифицировать фальсификации – стручки с добавлением ванилина и синтетический ванилин вместо натурального.

Книга же дает отличный обзор по этим темам. Все главы написаны экспертами, каждый из которых имеет многолетний опыт работы в своей области. Она показывает прошлое, настоящее и будущее ванили и, без сомнения, будет долгие годы служить исчерпывающим источником сведений и стандартным справочником для тех, кто интересуется этой деликатной культурой, включая производителей, флейвористов, исследователей и потребителей.

Роб Верпоорте

Кафедра фармакогнозии/метаболомики Лейденского университета

Лейден, Нидерланды

Глава 1. Ванилоидные орхидеи

Систематика и эволюция

Введение

Ваниль и её родственники – выжившие представители древней линии цветковых растений. Многие из них обитают в отдаленных районах, а некоторым угрожает исчезновение. Мы, конечно, много знаем о Vanilla planifolia – о методах выращивания, болезнях, поражающих окультуренные лианы, и способах обработки стручков – но фундаментальная естественная история всего рода Vanilla и его ближайших родственников все еще плохо известна. Систематическое изучение этих растений было и остается предметом споров. По этим причинам обнадеживает тот факт, что в последние годы возрос уровень знаний об их классификации и эволюции, что произошло в первую очередь благодаря широкому использованию данных на основе ДНК в систематических исследованиях (например, см. Cameron, 2003, 2004, 2006 г.).

Ванилоидные орхидеи оказалось трудно классифицировать в рамках какой-либо конкретной подтрибы, трибы или подсемейства семейства орхидные до конца двадцатого века. С одной стороны, у них есть полностью пригнутый, единственный пыльник, как у различных передовых линий орхидей. С другой стороны, они демонстрируют множество признаков, которые среди орхидей рассматриваются как примитивные. Ботаники теперь считают, что единственный пыльник на апексе колонки цветка ванили поднялся в результате эволюционного процесса, отличного от эволюционного процесса почти всех других орхидей (т.е. по этой и другим причинам, упомянутым ниже, ваниль и родственные ей орхидеи теперь классифицируются в рамках своего собственного уникального подсемейства Vanilloideae, как показано на рисунке 1.1.

РИСУНОК 1.1. Кладограмма, изображающая филогенетические взаимоотношения между подсемействами Orchidaceae и между родами Vanilloideae, на основе комбинации данных о последовательностях ядерной, митохондриальной и пластидной ДНК. Подсемейство делится на две трибы: Pogonieae и Vanilleae. Обратите внимание, что Vanilla имеет общего предка с кладой из четырех родов, включая Galeola и Pseudovanilla.

По мере того, как мы продвигаемся дальше в двадцать первый век и в эру геномики, нет никаких сомнений в том, что селекционеры будут стремиться улучшить ваниль как культурное растение, используя генетические модификации. При любых будущих генетических исследованиях структуры и развития цветка и/или плода ванили следует внимательно изучить другие роды Vanilloideae с общим происхождением, а не проводить прямые сравнения только с более отдаленными родственными орхидеями или другими цветущими растениями. Такие сравнения могут вводить в заблуждение предположением о гомологии. Этот момент лучше всего понять, если учесть, что за более чем 65 миллионов лет ванилоидные орхидеи адаптировались к различным специализированным средам обитания, опылителям и стратегиям распространения семян. Все они имеют общий фундаментальный геном, основанный на ныне вымершем предке, и всё же различия в экспрессии и регуляции генов в конечном итоге определяют – обитает ли данная ванилоидная орхидея в тропиках или выдерживает температуру значительно ниже нуля, растет ли она как прямостоячая трава или как лиана и даст ли она сухую безвкусную коробочку или ароматный мясистый плод. Поскольку геномная и протеомная технологии со временем применяются и к культурным растениям, имеющим меньшую экономическую ценность (по сравнению, например, с зерновыми и бобовыми), то исследования, направленные на улучшение ванили, могут также пожелать рассмотреть другие виды трибы Vanilleae или подсемейства Vanilloideae. К примеру, можно было бы создать более устойчивые к холоду и тени ванильные лианы, сначала изучив физиологию и генетический состав Cyrtosia, близкого родственника, который выживает в лиственных лесах Японии и Китая. На основе этих аргументов здесь представлен обзор систематики (научного изучения разнообразия и классификации) ванилоидных орхидей, чтобы подготовить почву для более полного понимания биологии V. planifolia и этих исключительных орхидей.

Эволюция ванилоидных орхидей

Среди биологов сохранилась необоснованная гипотеза о том, что семейство орхидей появилось сравнительно недавно по сравнению с другими цветковыми растениями. В поддержку этого мнения ботаники ссылаются на относительно низкий уровень генетического разнообразия среди родов и видов орхидей, многие из которых можно легко гибридизировать друг с другом. Они приводят в свидетельство то, что геологически молодые Анды в Южной Америке и высокогорья Новой Гвинеи являются центрами наибольшего разнообразия орхидей. Тесная связь между орхидеями и социальными пчелами, которые, как считается, эволюционировали намного позже, чем другие насекомые, также является доказательством, а тот факт, что большинство родов орхидей встречается либо в палеотропиках, либо в неотропиках, но редко в пантропиках, указывает некоторым, что Orchidaceae эволюционировала совсем недавно и определенно спустя долгое время после разделения сегодняшних континентов.

Молекулярно-филогенетические исследования Vanilloideae ставят под сомнение представление о том, что все семейство орхидей появилось недавно, и новые взгляды на систематику орхидных принижают или даже противоречат некоторым фактам, упомянутым выше. Например, Vanilla – один из немногих родов орхидей с трансокеанским распространением, которое не может быть полностью связано с распространением на большие расстояния. Существующие виды обитают в Северной и Южной Америке, Африке и Азии (см. рис. 1.2). Тот факт, что ванилоидные орхидеи выживают в районе Гайанского щита в Южной Америке, в тропической Австралии и Африке, на Мадагаскаре и на острове Новая Каледония (невулканический остров в Тихом океане со своеобразной древней флорой, отделившийся от Гондваны около 65 миллионов лет назад), может также свидетельствовать об их значительном возрасте и возможном статусе древних реликтов (Cameron, 1999, 2000).

РИСУНОК 1.2. Палеотропическое распространение Vanilla и оценки видового разнообразия в каждом географическом регионе.

Кроме того, подсемейство Vanilloideae расположено рядом с основанием генеалогического древа орхидей, а Orchidaceae является основным семейством в рамках большого отряда однодольных Asparagales (включая лук, агавы, гиацинты и семейство ирисов, среди прочего). При оценке эволюционного возраста этих растений с помощью молекулярных часов было подсчитано, что Orchidacaeae может прослеживать свое происхождение, по крайней мере, на 76–119 миллионов лет (Janssen and Bremer, 2004; Ramirez et al., 2007). Ванилоидным орхидеям, в свою очередь, не менее 62 миллионов лет. Молекулярные часы могут показывать только минимальный возраст, поэтому эти растения, вероятно, даже старше. Критическим для этого подхода является использование точки калибровки для «часов», которая, в случае Orchidaceae, была предоставлена ископаемым образцом пыльцы орхидей возрастом 15-20 миллионов лет, прикрепленным к вымершей пчеле, сохранившейся в янтаре (Ramirez et al., 2007).

Подсемейство Vanilloideae среди орхидей

Как уже упоминалось, ванилоидные орхидеи, Vanilloideae, были признаны подсемейством Orchidaceae только в последнее десятилетие, поскольку для переоценки взаимосвязей между всеми орхидеями использовались данные ДНК. Кэмерон представил подробный обзор этой ДНК-управляемой революции в систематике орхидей с 1997 по 2007 год (Cameron, 2007). Существующие системы классификации орхидей делят орхидные на пять подсемейств (например, Chase et al., 2003). Самое крупное из них, насчитывающее около 650 родов и 18 000 видов – это Epidendroidae, в котором преобладают тропические эпифиты и орхидеи, наиболее высоко ценимые как декоративные растения. Orchidoideae, второе по величине подсемейство, состоит почти исключительно из наземных видов, относящихся примерно к 200 родам. Оба подсемейства характеризуются однотычинковыми цветками (то есть имеют только один пыльник). Все виды подсемейства Vanilloideae также обладают цветками с одним пыльником, но считается, что это состояние развилось независимо от Orchidoideae и Epidendroidae и является результатом уникального способа развития цветков (Freudenstein et al., 2002). Другими словами, уменьшение количества тычинок/пыльников с нескольких (вероятно, с шести до трех и, в конечном итоге, до одного) произошло внутри Orchidaceae как минимум два раза. Считается, что в процессе эволюции цветки орхидей претерпели значительные структурные изменения, в результате которых появились цветы с выраженной двусторонней симметрией, потерей тычинок и слиянием оставшихся тычинок с пестиком, с образованием центральной колонки. Ключ к объяснению начала этого гипотетического эволюционного континуума можно найти сегодня, исследуя живых представителей четвертого подсемейства орхидей, Apostasioideae, которое включает два рода: Neuwiedia и Apostasia. Виды Neuwiedia обладают цветками с тремя пыльниками. Они лишь частично срослись с основанием пестика, а околоцветник цветка лишь слегка двусторонний по симметрии. Апостазиоидные орхидеи во многих отношениях могут рассматриваться как наиболее «примитивные» из всех орхидей, поскольку они показывают наименьшее количество модификаций по сравнению с основным планом гипотетического предка однодольного растения до орхидеи. Диандрозные цветы (то есть с двумя пыльниками) определяют пятое подсемейство орхидей Cypripedioideae. Эту группу, насчитывающую около 120 видов, обычно называют «орхидеями башмачками». По относительным размерам Cypripedioideae более разнообразно, чем Apostasioideae (15 видов), но менее разнообразно, чем Vanilloideae (200 видов), которые будут рассмотрены ниже.

До того, как они были классифицированы как собственное подсемейство Orchidaceae, большинство ванилоидных орхидей считались примитивными членами моноандрозного подсемейства Epidendroidae, но это было несколько неубедительно. Фактически, в домолекулярной системе классификации орхидей Дресслера (1993) многие из ванилоидных орхидей были перечислены под категорией insertae sedis (что означает «неопределенный статус»). Одно время даже высказывалось предположение, что их лучше всего рассматривать как отдельное самобытное семейство Vanillaceae, тесно связанное с Orchidaceae, но отдельное от него (Lindley, 1835). Отчего неопределенность? Смесь ванилоидных орхидей, которые характеризуются как примитивными, так и продвинутыми признаками у цветков, может считаться источником величайшей путаницы. Их точное положение среди орхидей в конечном итоге было выяснено путем сравнения информации о последовательностях ДНК, и одним из самых неожиданных результатов первых молекулярно-филогенетических исследований орхидей было перемещение ванили и её родственников из положения среди других орхидей с единственным пыльником, к месту у основания генеалогического древа орхидей (Cameron et al., 1999). Признание Vanilloideae как монофилетического подсемейства помогло решить одну из наиболее сложных загадок систематики орхидей.

Видовое разнообразие внутри Vanilla

Внутри Vanilloideae насчитывается не менее 15 родов, но Vanilla – самый разнообразный из них. Формальная монография этого рода еще не опубликована, но существует таксономическая трактовка Vanilla, в которой учитывались все виды, известные в то время (Portères, 1954). К сожалению, этот трактат был написан более 50 лет назад.

Совсем недавно, посмертно, был опубликован таксономический синопсис Vanilla, основанный на работе покойного мексиканского ботаника Мигеля А. Сото Аренаса (Soto Arenas and Cribb, 2010). В рамках этой важной предварительной работы представлены ключи к видам, информация о географическом распространении и списки избранных экземпляров. Это стало значительным шагом на пути к обновлению систематической трактовки этого рода. Более подробно 15 видов мексиканских и центрально-американских видов были рассмотрены в другой посмертно опубликованной работе Сото Аренаса (Soto Arenas and Dressler, 2010). В этой статье можно найти подробные описания, иллюстрации и информацию о молекулярных характеристиках мезоамериканских видов.