Рослинництво та ґрунтознавство

Вплив поживних речовин на ріст і синтез метаболітів у культурах пагонів in vitro S. rebaudiana

Ірина Миколаївна Сметанська, Мамдох Діаа, Груда Назім, Микола Володимирович Патика, Оксана Тонха
Завантажити статтю
Анотація

Рослини стевії ребаудіани виробляють солодкі на смак сполуки – стевіозиди, які в 300 разів солодші за цукор і можуть використовуватися як натуральні підсолоджувачі. Крім того, листя стевії містить велику кількість антиоксидантів. Використання рослинних сполук як компонентів функціонального харчування та нутрицевтиків є надзвичайно актуальним на сьогоднішній день. Метою даної роботи було дослідити вплив підвищеного азотного живлення та сахарози на ріст і накопичення стевіозидів та антоціанів, а також антиоксидантну активність у швидкорослих культурах пагонів S. rebaudiana. Визначено морфологічні зміни листків, накопичення стевіозидів і антоціанів та антиоксидантні властивості екстрактів. Показано, що протягом трьох тижнів культивування пагонів in vitro на середовищі MS з подвійною концентрацією азоту біомаса збільшилася на 71,0 %, після застосування подвійної концентрації сахарози – на 133 %, а після збільшення азоту в поєднанні з подачею сахарози - на 162,0 % порівняно з контролем. Сахароза стимулювала накопичення біомаси. Антиоксидантний потенціал після внесення азоту був у 2,4 рази вищим за контроль, а при внесенні сахарози – у 2,7 рази. Пагони, оброблені підвищеною концентрацією азоту та сахарози, містили 50,7 та 57,8 мг/г-1 стевіозидів відповідно. Однак поєднання азоту та сахарози призводило до накопичення 73,4-1 мг/г-1 стевіозидів. Пагони, вирощені на середовищі MS, містили 26,0 мг/г-1 стевіозидів. Вміст антоціанів був в 1,7 рази більшим за умови внесення азоту та в 2,3 рази більшим за умови внесення азоту та сахарози. Оптимальні живильні середовища, розроблені індивідуально для кожної культури in vitro, збільшують продукцію цінних вторинних метаболітів рослин до 3 разів

Ключові слова

рослинна біомаса, культивування, поживне середовище, вторинні метаболіти, стевіозиди, антоціани, антиоксидантна активність

ЦИТУВАТИ
Smetanska, I., Diaa, M., Nazim, G., Patyka, M., & Tonkha, O. (2023). Impact of nutrient supply on growth and synthesis of metabolites of in vitro shoot cultures of S. rebaudiana. Plant and Soil Science, 14(2), 57-69. https://doi.org/10.31548/plant2.2023.57
Використані джерела

[1] Akbari, F., Arminian, A., Kahrizi, D., Fazeli, A., & Ghaheri, M. (2018). Effect of nitrogen sources on gene expression of Stevia rebaudiana (Bertoni) under in vitro conditions. Cellular and Molecular Biology, 64(2), 11-16. doi: 10.14715/cmb/2018.64.2.3.

[2] Al-Taweel, S., Azzam C., Khaled K., & Abdel-Aziz R. (2021). Improvement of stevia (Stevia rebaudiana Bertoni) and steviol glycoside through traditional breeding and biotechnological approaches. Ssabrao Journal of Breeding and Genetics, 53, 88-111.

[3] Alvarez, S., & Motos, J.R. (2023). Advances in plant physiology of abiotic stresses. Retrieved from https://www.mdpi.com/books/book/6646-advances-in-plant-physiology-of-abiotic-stresses.

[4] Amien, S., Maulana., H, Ruswandi, D., & Nurjanah, S. (2022). Stevia (Stevia rebaudiana b.) genotypes assessment for leaf yield stability through genotype by environment interactions, ammi, and gge biplot analyses. SABRAO Journal of Breeding and Genetics, 54, 767-779. doi: 10.54910/sabrao2022.54.4.8.

[5] Berlin, J.,  Kukoschke, KG., & Knobloch, KH. (1981). Selection of tobacco cell lines with high yields of cinnamoyl putrescines. Planta Medica, 42(6), 173-180. doi: 10.1055/s-2007-971622.

[6] Convention on Biological Diversity (1992). Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/995_030#Text.

[7] Dai, Zh., Meddar, M., Renaud, Ch., Merlin, I., Hilbert, Gh., Delrot, S., & Gomès, E. (2014). Long-term in vitro culture of grape berries and its application to assess the effects of sugar supply on anthocyanin accumulation. Journal of Experimental Botany, 65(16), 4565-4577. doi: 10.1093/jxb/ert489.

[8] El-Dawayati, M.M., & Zayed, Z.E. (2017). Controlling hyperhydricity in date palm in vitro culture by reduced concentration of nitrate nutrients. In Date palm biotechnology protocols (pp. 175-183). New York: Humana Press. doi: 10.1007/978-1-4939-7156-5_15.

[9] Emergen Research. (2022). Retrieved from https://www.emergenresearch.com/industry-report/stevia-market.

[10] Fidemann, T., Pereira, G, Heluy, T., Gallego, R., Bertão, M., Silva, R., & Fernández, E. (2018).Handling culture medium composition for optimizing plant cell suspension culture in shake flasks. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 133, 137-146. doi: 10.1007/s11240-017-1368-3.

[11] Hassanein, A. (2022). Application of tissue culture techniques to improve the productivity of medicinal secondary products from medicinal plants. Retrieved from https://www.intechopen.com/online-first/82048.

[12] Ibrahim, K., & Musbah, H. (2018). Increasing poly phenols in Coleus blumei at the cellular and intact plant levels using PEG stress. Research Journal of Pharmacy and Technology, 11(1), article number 321. doi: 10.5958/0974-360X.2018.00059.8.

[13] Jawad, M., Rizwan, B., Jawad, M., Khalid, F., & Ishaq, A. (2022). A nutraceutical and therapeutic potentials of stevia rebaudiana bertoni: Nutraceutical and therapeutic potentials of stevia. Pakistan BioMedical Journal, 5(1), 10-22. doi: 10.54393/pbmj.v5i1.143.

[14] Kikowska, M., Thiem, B., Szopa, A., & Ekiert, H. (2022). Accumulation of valuable secondary metabolites: Phenolic acids and flavonoids in different in vitro systems of shoot cultures of the endangered plant species Eryngium alpinum L. Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC), 141, 381-391. doi: 10.1007/s11240-020-01795-5.

[15] Kim, D.J., & Chang, H.N. (1990). Enhanced shikonin production from Lithospermum erythrorhizon by in situ extraction and calcium alginate immobilization. Biotechnology and Bioengineering, 36(5), 460-466. doi: 10.1002/bit.260360505.

[16] Knobloch, K.H., & Berlin, J. (1980). Influence of medium composition on the formation of secondary compounds in cell suspension cultures of Catharanthus roseus L. Naturforschung, 35(7), 551-556. doi: 10.1515/znc-1980-7-805.

[17] Król, A., Kokotkiewicz, A., Szopa, A., Ekiert, H., & Łuczkiewicz, M. (2021). Bioreactor-grown shoot cultures for the secondary metabolite production. In Plant cell and tissue differentiation and secondary metabolites. Reference Series in Phytochemistry (pp. 187-247). Springer: Cham. doi: 10.1007/978-3-030-30185-9_34.

[18] Magangana, T.P., Stander, M.A., & Makunga, N.P. (2018). Effect of nitrogen and phosphate on in vitro growth and metabolite profiles of Stevia rebaudiana Bertoni (Asteraceae). Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC), 134, 141-151. doi: 10.1007/s11240-018-1407-8.

[19] Mohdaly, A., Smetanska, I., Ramadan, F.R., Sarhanb, M.A., & Mahmoud, A. (2011). Antioxidant potential of sesame (Sesamum indicum) cake extract in stabilization of sunflower and soybean oils. Industrial Crops and Products, 34(1), 952-959. doi: 10.1016/j.indcrop.2011.02.018.

[20] Mohdaly, A.A., Sarhan, M.A., Smetanska, I., & Mahmoud, A. (2010). Antioxidant properties of various solvent extracts of potato peel, sugar beet pulp and sesame cake. Journal of the Science of Food and Agriculture, 90(2), 218-226. doi: 10.1002/jsfa.3796.

[21] Mordor Intelligence. (2022). Retrieved from https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/stevia-market.

[22] Nguyen, T., Seo, C., Kwak, S.H., Kim, J., Kang, H.K., Kim, S.B., & Kim, D. (2019). Enzymatic production of steviol glucosides using β-glucosidase and their applications. In Enzymes in Food Biotechnology (pp. 405-418). Cambridge: Academic Press. doi: 10.1016/B978-0-12-813280-7.00023-2.

[23] Nguyen, Y., & Tan, Q.L.P. (2021). Chemical composition of dried Stevia rebaudiana Bertoni leaves and effect of ultrasound-assisted extraction on total steviosides content in extract. Herba Polonica, 67(1), 1-7.doi: 10.2478/hepo-2021-0003.

[24] Nshimiyimana, D.S., & He, Q. (2010). Radical scavenging capacity of Rwandan CTC tea polyphenols extracted using microwave assisted extraction. Pakistan Journal of Nutrition, 9(6), 589-593. doi: 10.3923/pjn.2010.589.593.

[25] Olgunsoy, P., Ulusoy, S., & Akçay, U. (2017). Metabolite production and antibacterial activities of callus cultures from Rosa damascena Mill. petals. Marmara Pharmaceutical Journal, 21(3), 590-597. doi: 10.12991/marupj.319331.

[26] Ramírez-Mosqueda, M., Iglesias, A.L., Ramírez-Madero, G., & Hernández-Rincón, E.U. (2016). Micropropagation of Stevia rebaudiana Bert. in temporary immersion systems and evaluation of genetic fidelity. South African Journal of Botany, 106, 238-243. doi: 10.1016/j.sajb.2016.07.015.

[27] Raspe, D.S., & Silvio, C.C. (2022). Compounds from Stevia rebaudiana Bertoni leaves: An overview of non-conventional extraction methods and challenges. Food Bioscience, 46, article number 101593. doi: 10.1016/j.fbio.2022.101593.

[28] Sae-Lee, N., Kerdchoechuen, O, & Laohakunjit, N. (2014). Enhancement of phenolics, resveratrol and antioxidant activity by nitrogen enrichment in cell suspension culture of Vitis vinifera. Molecules, 19(6), 7901-7912. doi: 10.3390/molecules19067901.

[29] Sakamoto, K., Iida, K., Sawamura, K., Hajiro, K., Asada, Y., Yoshikawa, T., & Furuya, T. (1994). Anthocyanin production in cultured cells of Aralia cordata Thunb. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 36, 21-26. doi: 10.1007/BF00048311.

[30] Sharma, N., Gauchan, D., Dhakal, A., Luitel, A., Shakya, S., & Shakya, R. (2015).Establishment of regenerative callus, cell suspension system and molecular characterization of Stevia rebaudiana Bertoni for the production of stevioside in in vitro. International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology, 3, 133-144

[31] Shevchenko,Y., Wendt, A., & Smetanska I. (2010). Sprout culture of Stevia rebaudiana Bertoni. In Stevia science, no fiction (pp. 5-26). Euprint Heverlee: Leuven.

[32] Shibasaki, N., Hirose, K., Yonemoto, T., & Tadaki, T. (2007). Suspension culture of Nicotiana tabacum cells in a rotarydrum bioreactor. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 53(4), 359-363.doi: 10.1002/jctb.280530407.

[33] Smetanska, I., Tonkha, O., Patyka, T., Hunaefi, D., Mamdouh, D., Patyka., M., Bukin, A., Mushtruk, M., Slobodyanyuk, N., & Omelian, A. (2021). The influence of yeast extract and jasmonic acid on phenolic acids content of in vitro hairy root cultures of Orthosiphon aristatus. Slovak Journal of Food Sciences, 15, 1-8. doi: 10.5219/1508.

[34] Wang, J., Zhao, H., Wang, Y., Lau, H., Zhou, W., Chen, C., & Tan, S. (2020). A review of stevia as a potential healthcare product: Up-to-date functional characteristics, administrative standards and engineering techniques. Trends in Food Science & Technology, 103, 264-281. doi: 10.1016/j.tifs.2020.07.023.

[35] WHO Guideline. (2023). Retrieved from https://www.who.int/publications/who-guidelines.

[36] Wu, T., Kerbler. S., Fernie, A., & Zhang, Y. (2021). Plant cell cultures as heterologous bio-factories for secondary metabolite production. Plant Communications, 2(5), article number 100235. doi: 10.1016/j.xplc.2021.100235.

[37] Zaheer, M., Vudem, D., & Giri, Ch. (2016). Enhanced daidzin production from jasmonic and acetyl salicylic acid elicited hairy root cultures of Psoralea corylifolia L. (Fabaceae). Natural product research, 30(13), 1542-1547. doi: 10.1080/14786419.2015.1054823.

[38] Zenk, M.H. (1978). The impact of plant cell cultures on industry. In Frontiers of plant tissue culture (pp. 1-14). Calgary: The International Association of Plant Tissue Culture.

[39] Zhong, J.J. (2001). Biochemical engineering of the production of plant-specific secondary metabolites by cell suspension cultures. Advances in Biochemical Engineering/ Biotechnology, 72, 1-26. doi: 10.1007/3-540-45302-4_1.