Die Auswirkungen von Methyljasmonat und Salicylsäure auf das Wachstum von Kallusgewebe und die Saponinbildung bei Panax quinquefolius L. ist eine mehrjährige krautige Pflanze aus der Familie der Araliaceae. Ihre Hauptwirkstoffe sind Ginsenoside und Saponinverbindungen, und sie ist eines der am häufigsten verwendeten chinesischen Kräuter der Welt. Nach modernen Forschungsergebnissen hat sie eine bedeutende Wirkung bei der Senkung der Blutfette, der Verbesserung der Myokardischämie und der Vorbeugung von Krebs und hat einen extrem hohen medizinischen und kommerziellen Wert. Gegenwärtig ist Chinas amerikanischer Ginseng seit langem auf Importe angewiesen und hat mit der Knappheit der Wildbestände, hohen Produktionskosten und langen Wachstumszyklen zu kämpfen. Insbesondere der Gehalt an seltenen Saponinen in amerikanischem Ginseng ist extrem niedrig, was es schwierig macht, die Anforderungen der klinischen Anwendung zu erfüllen. Durch den Einsatz der Zellkulturtechnik für Arzneipflanzen kann in relativ kurzer Zeit eine große Menge an Biomasse und sekundären Stoffwechselprodukten aus amerikanischem Ginseng gewonnen werden, ohne dass dies durch Zeit, Region und Wachstumsperiode des Materials begrenzt ist. Es ist erwähnenswert, dass das etablierte amerikanische Ginseng-Kallus-Kultursystem immer noch das Problem der geringen Ginsenosid-Produktion hat, was die schnelle Entwicklung der amerikanischen Ginseng-Industrie beeinträchtigt.

Mit der kontinuierlichen Entwicklung und weit verbreiteten Anwendung von Induktoren ist es zu einem heißen Thema geworden, Induktoren als spezifisches Signal zu verwenden, um die Expression von Zielgenen in Zellen zu induzieren und dadurch die Synthese von Sekundärmetaboliten in Pflanzenzellen zu regulieren. Daher ist die Untersuchung der Verwendung von Induktoren zur Förderung der Akkumulation von Sekundärmetaboliten in Pflanzengewebekulturen besonders wichtig geworden. Methyljasmonat (MeJA) und Salicylsäure (SA) sind häufig verwendete Induktoren, die die Synthese verschiedener Metaboliten fördern. Sie wurden erfolgreich bei der Induktion von Sekundärmetaboliten in verschiedenen Heilpflanzen wie Tripterygium wilfordii, Färberdistel, Scutellaria baicalensis und Salvia miltiorrhiza eingesetzt. Derzeit gibt es nur wenige Berichte über die Verwendung von MeJA und SA zur Erhöhung des Saponingehalts in amerikanischem Ginseng-Kallusgewebe. Daher wurde in diesem Experiment amerikanisches Ginseng-Kallusgewebe als Material verwendet, um die Auswirkungen der Behandlung mit MeJA und SA auf das Wachstum, die damit verbundene Enzymaktivität und den Gehalt an chemischen Hauptbestandteilen, den Ginsenosiden, in amerikanischem Ginseng-Kallusgewebe zu untersuchen, was eine theoretische Grundlage für den Anbau von amerikanischem Ginseng-Kallusgewebe und die Produktion von Sekundärmetaboliten darstellt.

 

Obwohl Induktoren die gezielte Sekretion bestimmter sekundärer Produkte durch Pflanzenzellen fördern können, um den vom Menschen geforderten medizinischen Wert zu erreichen, können die erzeugten sekundären Produkte auch das Wachstum und die Entwicklung der Pflanzenzellen selbst schädigen und die Gesamtbiomasse der Pflanzenzellen verringern. Mao et al. führten orthogonale Experimente unter Verwendung von Induktoren unterschiedlicher Konzentrationen durch und stellten fest, dass unterschiedliche Konzentrationen von MeJA und Hefeextrakt unterschiedliche physiologische Auswirkungen auf das Wachstum von Zinnober-Kallusgewebe haben; außerdem verwendeten Miao et al. Miao et al. verwendeten HPLC, um den Cumaringehalt im Experiment zu bestimmen, und die Ergebnisse zeigten, dass SA und MeJA eine gewisse fördernde Wirkung auf das Wachstum von Kallusgewebe und Cumarin in Panax ginseng hatten; Wang et al. wiesen in ihrem Experiment darauf hin, dass MeJA in Konzentrationen von 50-100 μ mol/L die Akkumulation von Flavonoiden in Ginkgo biloba-Suspensionszellen fördert, während Konzentrationen von 150-200 μ mol/L ihre Synthese hemmen. Die in diesem Versuch verwendeten Induktoren MeJA und SA wirkten sich beide auf die Biomasse des amerikanischen Ginseng-Kallusgewebes aus und behinderten dessen Wachstum. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass hohe Konzentrationen von Induktoren verschiedene Stressreaktionen in Pflanzen auslösen können, die dazu führen, dass sich das Zellmembransystem ausdehnt, zusammenzieht oder bricht, wodurch die normale Struktur der Zellen gestört und das Wachstum des Pflanzengewebes gehemmt wird.

Wenn Pflanzenzellen, die unter normalen Bedingungen gezüchtet werden, durch exogene Auslöser stimuliert werden, ist der Gehalt an reaktiven Sauerstoffspezies in den Zellen in unterschiedlichem Maße unausgewogen. Pflanzenzellen aktivieren ihr eigenes antioxidatives Enzymsystem, indem sie die koordinierte Koordination von Enzymen wie SOD, CAT und POD nutzen, um überschüssige freie Radikale im Körper zu eliminieren und so die Pflanze vor Schäden in ungünstigen Umgebungen zu schützen. MDA, ein Produkt der Peroxidation von Zellmembranlipiden, kann indirekt den Grad der Schädigung des pflanzlichen Zellmembransystems und die Stressresistenz der Pflanze widerspiegeln. Li et al. fanden heraus, dass SA und MeJA eine fördernde Wirkung auf die Aktivitäten von SOD, POD, CAT, den MDA-Gehalt und die Akkumulation von Syringol III und 3,6'-Sinapyrylsucrose haben. Taimoor et al. stellten fest, dass die Aktivitäten von POD und SOD im Buchweizenkallusgewebe mit zunehmender Dauer der SA-Behandlung zunächst ansteigen und dann abnehmen, wobei die höchste Aktivität in Woche 7 auftrat. Marziyeh et al. stellten fest, dass die Polyethylenglykol-Konzentrationen 4% und 6% den MDA-Gehalt im Kallusgewebe von Taxus chinensis signifikant erhöhten, während die Polyethylenglykol-Konzentrationen 1%, 2%, 3% und 5% keinen Einfluss auf den MDA-Gehalt hatten. In dieser Studie wurde festgestellt, dass beide Arten von Induktoren die Aktivitäten der antioxidativen Enzyme SOD, CAT, POD und den MDA-Gehalt im Kallusgewebe von amerikanischem Ginseng bei entsprechenden Konzentrationen signifikant aktivieren können. Außerhalb des Konzentrationsbereichs waren die entsprechenden Enzymaktivitäten niedriger als in der Kontrollgruppe. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass Induktoren einen bestimmten Grenzwert für die Aktivität der antioxidativen Enzyme haben. Wird dieser Grenzwert überschritten, wird die Enzymaktivität stark reduziert, was zu einer großen Ansammlung reaktiver Sauerstoffspezies in den Zellen führt, die das normale Wachstum der Pflanzenzellen beeinträchtigen.

Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass verschiedene Auslöser und Konzentrationen erhebliche Unterschiede in ihrer Wirkung auf dasselbe Pflanzenmaterial haben. So kann beispielsweise die Zugabe von Natriumacetat, SA und Cu2+ den Ertrag von Adventivwurzeln von Bupleurum chinense und den Gehalt an Saikosaponin in unterschiedlichem Maße steigern; niedrige Konzentrationen des Seltenerdelements Ce3+ können die Produktion von Flavonoiden in Suspensionszellen von Ginkgo biloba erhöhen, hohe Ce3+-Dosen können jedoch zum Zelltod führen. Die optimale Konzentration von Sekundärmetaboliten, die durch Induktoren induziert werden, variiert innerhalb ein und derselben Pflanze. Qi et al. fanden heraus, dass die optimalen Konzentrationen von MeJA, SA und Hefeextrakt, die der Haarwurzelkultur von Gynostemma pentaphyllum zugesetzt wurden, das Wachstum und den Gesamtsaponingehalt der Haarwurzeln in unterschiedlichem Maße erhöhten. In diesem Versuch wurde festgestellt, dass beide Arten von Induktoren die Anhäufung von Ginsenosiden im Kallusgewebe des amerikanischen Ginsengs erheblich fördern können. Die optimalen Konzentrationen von MeJA und SA, die Ginsenoside induzieren, betrugen 100 bzw. 200 μ mol/L, was 4,23 bzw. 2,49 Mal höher war als in der Kontrollgruppe. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass unterschiedliche Induktoren und Konzentrationen die Synthese monomerer Saponine im amerikanischen Ginseng-Kallusgewebe beeinflussen, wobei die Auswirkungen auf die monomeren Saponine Rg1, Re, Rb1, Rd, Rc und Rb2 erheblich variierten. Daraus lässt sich schließen, dass im Kallusgewebe des Amerikanischen Ginseng der Induktionseffekt MeJA>SA ist. In der Gewebekultur von amerikanischem Ginseng können Hefeextrakt, SA, Silbernitrat, Calciumchlorid, MeJA und Pilzinduktoren den Gehalt an Ginsenosiden erhöhen, was mit unseren Ergebnissen übereinstimmt. Dieses Ergebnis ist möglicherweise auf eine Kombination mehrerer Faktoren zurückzuführen, die mit den Arten und Mengen der Rezeptoren für die verschiedenen Induktoren zusammenhängen könnten. Obwohl niedrige Konzentrationen von Induktoren die Zellen weniger schädigen, induzieren sie die Pflanzenzellen möglicherweise nur teilweise, was zu einem geringeren Gehalt an Sekundärmetaboliten führt. Es könnte auch mit dem unterschiedlichen Gehalt an endogenen Cytokininen im Kallus des Amerikanischen Ginsengs zusammenhängen, der zu mehreren Synthesewegen und Reaktionsschritten führt, die an Sekundärmetaboliten in der Pflanze beteiligt sind, und mit verschiedenen Induktoren, die an verschiedenen Synthesewegen teilnehmen. Daher ist es besonders wichtig, geeignete Induktoren und die optimale Konzentration auszuwählen, um das Wachstum des amerikanischen Ginseng-Kallus und die Akkumulation von Ginsenosiden zu fördern.

Sekundärmetaboliten sind das Ergebnis der Anpassung der Pflanzen an die ökologische Umwelt während der langfristigen Evolution und haben eine wichtige Bedeutung für die Lebensaktivitäten der Pflanzen. Sie sind auch eine wichtige Quelle für viele Verbindungen wie Arzneimittel, Farbstoffe und Duftstoffe. Inducer sind eines der wirksamsten und am weitesten verbreiteten biotechnologischen Instrumente in der Pflanzengewebekultur, um neue Sekundärmetaboliten zu induzieren oder die Biosynthese und Akkumulation von Sekundärmetaboliten zu fördern. In diesem Versuch wurden die Auswirkungen von MeJA- und SA-Induktoren auf das Wachstum, die Enzymaktivität und den Ginsenosidgehalt von amerikanischem Ginseng-Kallusgewebe untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe geeigneter Konzentrationen von MeJA und SA zu amerikanischem Ginseng-Kallusgewebe die Enzymaktivität deutlich aktivieren und den Gehalt an Ginsenosidverbindungen erhöhen konnte. Obwohl MeJA das Wachstum hemmte, erreichten der Gesamtsaponingehalt und der Ertrag im Kallusgewebe ihre Höchstwerte bei einer MeJA-Konzentration von 100 μ mol/L. Der Gehalt der Ginsenoside Rg1, Re, Rb1 und Rc war am höchsten, was darauf hindeutet, dass MeJA die beste Wirkung auf die Induktion von Gesamtginsenosiden hatte. Dieser Artikel liefert eine Grundlage für die Verwendung von Induktoren zur Förderung der Synthese von Wirkstoffen in amerikanischem Ginseng. Der Mechanismus, durch den Induktoren die Akkumulation von Ginsenosiden im Kallus des Amerikanischen Ginsengs regulieren, und die Frage, wie Induktoren synergistisch eingesetzt werden können, um die Qualität des Kallus des Amerikanischen Ginsengs zu verbessern, sind jedoch Fragen, die in nachfolgenden Experimenten geklärt werden müssen.