Влияние метилжасмоната и салициловой кислоты на рост каллусной ткани и образование сапонинов у Panax quinquefolius L. Это многолетнее травянистое растение семейства Araliaceae. Его основными действующими веществами являются гинзенозиды и сапониновые соединения, и он является одной из наиболее часто используемых китайских трав в мире. Согласно современным исследованиям, он оказывает значительное влияние на снижение уровня липидов в крови, улучшение состояния при ишемии миокарда и профилактику рака и имеет чрезвычайно высокую медицинскую и коммерческую ценность. В настоящее время американский женьшень в Китае давно зависит от импорта и сталкивается с нехваткой диких ресурсов, высокой себестоимостью и длительным циклом роста. В частности, содержание редких сапонинов в американском женьшене крайне низкое, что затрудняет его клиническое применение. Используя технологию культуры клеток лекарственных растений, не ограничиваясь временем, регионом и периодом выращивания материала, можно получить большое количество биомассы американского женьшеня и целевых вторичных метаболитов за относительно короткий период времени. Стоит отметить, что устоявшаяся система культуры каллуса американского женьшеня все еще имеет проблему низкого производства гинзенозидов, что влияет на быстрое развитие индустрии американского женьшеня.

С непрерывным развитием и широким применением индукторов, актуальной темой стало использование индукторов в качестве специфического сигнала для индуцирования экспрессии целевых генов в клетках, тем самым регулируя синтез вторичных метаболитов в растительных клетках. Поэтому изучение использования индукторов для стимулирования накопления вторичных метаболитов в культуре растительных тканей стало особенно актуальным. Метилжасмонат (MeJA) и салициловая кислота (SA) - широко используемые индукторы, способствующие синтезу различных метаболитов. Они были успешно применены для индукции вторичных метаболитов в различных лекарственных растениях, таких как Tripterygium wilfordii, сафлор, Scutellaria baicalensis и Salvia miltiorrhiza. В настоящее время имеется мало сообщений об использовании MeJA и SA для увеличения содержания сапонинов в каллусной ткани американского женьшеня. Поэтому в данном эксперименте каллусная ткань американского женьшеня использовалась в качестве материала для изучения влияния обработки MeJA и SA на рост, активность соответствующих ферментов и содержание основного химического компонента гинзенозида в каллусной ткани американского женьшеня, что обеспечивает теоретическую основу для культивирования каллусной ткани американского женьшеня и производства вторичных метаболитов.

 

Хотя индукторы могут способствовать целенаправленному выделению растительными клетками определенных вторичных продуктов, чтобы удовлетворить потребности человека в лекарственных средствах, образующиеся вторичные продукты могут также нанести вред росту и развитию самих растительных клеток, снижая общую биомассу растительных клеток. Мао и др. провели ортогональные эксперименты с использованием индукторов различной концентрации и обнаружили, что различные концентрации MeJA и дрожжевого экстракта оказывают различное физиологическое воздействие на рост каллусной ткани киновари; кроме того, Мяо и др. использовали ВЭЖХ для определения содержания кумарина в эксперименте, и результаты показали, что SA и MeJA оказывают определенный стимулирующий эффект на рост каллусной ткани и кумарина в женьшене Panax; Wang et al. в своем эксперименте отметили, что MeJA в концентрации 50-100 мк моль/л способствует накоплению флавоноидов в суспензионных клетках гинкго билоба, а концентрация 150-200 мк моль/л ингибирует их синтез. Индукторы MeJA и SA, использованные в данном эксперименте, влияли на биомассу каллусной ткани американского женьшеня и препятствовали ее росту. Это может быть связано с тем, что высокие концентрации индукторов могут вызывать различные стрессовые реакции у растений, заставляя систему клеточных мембран расширяться, сжиматься или разрываться, нарушая нормальную структуру клеток и тормозя рост растительных тканей.

Когда растительные клетки, выращенные в нормальных условиях, стимулируются экзогенными индукторами, уровни реактивных форм кислорода в клетках будут иметь различную степень дисбаланса. Растительные клетки активируют собственную антиоксидантную ферментную систему, используя согласованную работу таких ферментов, как SOD, CAT и POD, для устранения избытка свободных радикалов в организме, тем самым защищая растение от повреждений в неблагоприятных условиях окружающей среды. МДА, как продукт перекисного окисления липидов клеточных мембран, может косвенно отражать степень повреждения клеточной мембраны растения и его стрессоустойчивость. Li et al. обнаружили, что SA и MeJA оказывают стимулирующее действие на активность SOD, POD, CAT, содержание МДА, накопление сирингола III и 3,6 '-синапирилсукрозы. Taimoor et al. обнаружили, что активность POD и SOD в каллусной ткани гречихи сначала увеличивалась, а затем уменьшалась с увеличением времени обработки SA, с самой высокой активностью на 7-й неделе. Marziyeh et al. обнаружили, что концентрации полиэтиленгликоля 4% и 6% значительно увеличивают содержание МДА в каллусной ткани Taxus chinensis, а концентрации полиэтиленгликоля 1%, 2%, 3% и 5% не оказывают никакого влияния на содержание МДА. В данном исследовании было установлено, что оба типа индукторов могут значительно активировать активность антиоксидантных ферментов SOD, CAT, POD и содержание МДА в каллусной ткани американского женьшеня при соответствующих концентрациях. За пределами диапазона концентраций активность соответствующих ферментов была ниже, чем в контрольной группе. Это может быть связано с тем, что индукторы имеют определенный предел активности антиоксидантных ферментов. Если предел превышен, активность ферментов сильно снижается, что приводит к большому накоплению реактивных форм кислорода в клетках, что вредит нормальному росту растительных клеток.

Многочисленные исследования показали, что различные индукторы и их концентрации существенно отличаются по своему воздействию на один и тот же растительный материал. Например, добавление ацетата натрия, SA и Cu2+ может эффективно увеличить урожай придаточных корней Bupleurum chinense и содержание сайкосапонина в разной степени; низкие концентрации редкоземельного элемента Ce3+ могут увеличить производство флавоноидов в суспензионных клетках Ginkgo biloba, но высокие дозы Ce3+ могут привести к гибели клеток. Оптимальная концентрация вторичных метаболитов, индуцируемых индукторами, варьирует в пределах одного и того же растения. Ци и др. обнаружили, что оптимальные концентрации MeJA, SA и дрожжевого экстракта, добавленные в культуру волосистых корней Gynostemma pentaphyllum, в разной степени увеличивают рост и общее содержание сапонинов в волосистых корнях. В этом эксперименте было установлено, что оба типа индукторов могут значительно способствовать накоплению гинзенозидов в каллусной ткани американского женьшеня. Оптимальные концентрации MeJA и SA, индуцирующие образование гинзенозидов, составили 100 и 200 мк моль/л соответственно, что в 4,23 и 2,49 раза превышало показатели контрольной группы. Кроме того, было обнаружено, что различные индукторы и концентрации влияют на синтез мономерных сапонинов в каллусной ткани американского женьшеня, причем влияние на мономерные сапонины Rg1, Re, Rb1, Rd, Rc и Rb2 значительно различается. Из этого можно сделать вывод, что в каллусной ткани американского женьшеня индукционный эффект MeJA>SA. В культуре ткани американского женьшеня дрожжевой экстракт, SA, нитрат серебра, хлорид кальция, MeJA и грибковый индуктор могут увеличить содержание гинзенозидов, что согласуется с нашими результатами. Такой результат может быть вызван сочетанием множества факторов, которые могут быть связаны с типами и количеством рецепторов для различных индукторов. Хотя низкие концентрации индукторов вызывают меньшее повреждение клеток, они могут лишь частично индуцировать растительные клетки, что приводит к более низким уровням вторичных метаболитов; это также может быть связано с различными уровнями эндогенных цитокининов в каллусе американского женьшеня, что приводит к множеству синтетических путей и этапов реакции, вовлеченных во вторичные метаболиты в растении, и к различным индукторам, участвующим в различных синтетических путях. Поэтому особенно важно выбрать подходящие индукторы и оптимальную концентрацию для стимулирования роста каллуса американского женьшеня и накопления гинзенозидов.

Вторичные метаболиты являются результатом адаптации растений к экологической среде в ходе длительной эволюции и имеют важное значение в жизнедеятельности растений. Они также являются важным источником многих соединений, таких как лекарства, красители и ароматизаторы. Индукторы являются одним из наиболее эффективных и широко используемых биотехнологических инструментов в культуре тканей растений для индуцирования новых вторичных метаболитов или усиления биосинтеза и накопления вторичных метаболитов. В данном эксперименте изучалось влияние индукторов MeJA и SA на рост, активность ферментов и содержание гинзенозидов в каллусной ткани американского женьшеня. Результаты показали, что добавление соответствующих концентраций MeJA и SA к каллусной ткани американского женьшеня может значительно активизировать активность ферментов и увеличить содержание гинзенозидных соединений. Хотя MeJA ингибировал рост, общее содержание сапонинов и выход в каллусной ткани достигали максимальных значений при концентрации MeJA 100 мк моль/л. Содержание гинзенозидов Rg1, Re, Rb1 и Rc было самым высоким, что указывает на то, что MeJA оказывает наилучший эффект на индуцирование общего количества гинзенозидов. Данная статья дает основание для использования индукторов для стимулирования синтеза активных ингредиентов в американском женьшене. Однако механизм, с помощью которого индукторы регулируют накопление гинзенозидов в каллусе американского женьшеня, и способы более эффективного синергетического использования индукторов для улучшения качества каллуса американского женьшеня - это вопросы, которые необходимо рассмотреть в последующих экспериментах.