Культура hairy root как источник получения биологически активных веществ лекарственных растений

8. Putenikhin V. P. Civilization of trees. Scientific-popular essays about nature. Ufa: Informreklama, 2007. 140 p.

9. Putenikhin V. P., Farukshina G. G. Gene pool of Siberian stone pine in the Republic of Bashkortostan // Notes of Orenburg State Univ. 2009. Spec. issue. P. 151-153.

10. Putenikhina K. V. Seed germination in Pinus sibirica Du Tour under conditions of introduction in Bashkir Cis-Urals // Structurally-functional organization and dynamics of plant cover. Proc. II All-Russian sci.-pract. conf. Samata: PGSGA, 2015. P. 235-239.

11. Putenikhina K. V., Putenikhin V. P. History of introduction of Siberian stone pine in Bashkiria // History of botany in Russia. Coll. articles of participants of Internat. sci. conf. Vol. 3. Tolyatti, 2015. P. 140-146.

12. Putenikhina K. V., Shigapov Z. Kh. Seed quality in Pinus sibirica Du Tour under conditions of introduction in Bashkir Cis-Urals // News of Ufa Sci. Center of RAS. 2014. No 3. P. 102-107.

13. Ryabchinskaya V. V. Siberian stone pine in Bashkiria // Transactions of forestry of Bashkir forest exp. station. Issue V. Ufa: Bashkir book. publ., 1961. P. 205-216.

14. Sakharova A. S. Decorative trees and shrubs for urban landscaping in Bashkiria // Decorative plants for urban landscaping in Bashkiria. Ufa, 1971. P. 5-74.

15. Yeryomin N. V., Kalegin A. A., Mikheev V. M., Brodnikov S. N. Silvicultures. Pt. 1. Siberian stone pine in the Middle Volga region. Yoshkar-Ola: PGTU, 2014. 144 p.

Hairy root cultures as a source of biologically active substances

of medicinal plants

Erst A. , Zheleznichenko T. , Badulina A.

2Эрст Анна Алексеевна / Erst Anna - кандидат биологических наук, научный сотрудник;

2Железниченко Татьяна Витальевна / Zheleznichenko Tatiana - кандидат биологических наук,

научный сотрудник,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Центральный сибирский ботанический сад

Сибирского отделения Российской академии наук (ФГБУН ЦСБС СО РАН), г. Новосибирск;

3Бадулина Анна Александровна / Badulina Anna - кандидат биологических наук, техник, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский государственный университет (ФГАОУ ВПО НИ ТГУ), г. Томск

Аннотация: показана возможность и перспективность применения технологии hairy root для получения биологически активных веществ лекарственных растений. Авторами предлагается новый подход отбора линий hairy root лекарственных растений с высоким уровнем биосинтеза.

Abstract: the possibilities and prospects of using hairy root technology to produce biologically active substances of medicinal plants were described. Authors proposed a new approach of selection hairy root lines of medicinal plants with high levels of biosynthesis.

Ключевые слова: культура hairy root, биосинтез БАВ, лекарственные растения. Keywords: hairy root cultures, the biosynthesis of biologically active substances, medicinal plants.

41

В связи с высокой биологической активностью вторичные метаболиты растений используются на протяжении веков в традиционной медицине. В настоящее время они используются как компоненты в фармацевтике, косметологии, агрохимии. Растения синтезируют множество стероидных соединений, присущих как животному миру (холевые кислоты, кортикоиды, экдистероиды, половые гормоны), так и свойственные только растительному (сердечные гликозиды, витанолиды, сапонины, брассиностероиды). Наиболее широко распространены в мировой флоре -экдистероиды, которые являются аналогами гормонов линьки и метаморфоза насекомых. В настоящее время фитоэкдистероиды (экдистероиды растений) обнаружены во многих растениях и в довольно высоких концентрациях. Выделены и установлены структуры более 400 экдистероидов, в том числе и из растений семейства Caryophyllaceae Juss [1].

В настоящее время по литературным данным экдистероиды обнаружены более чем в 150 видах рода Silene L., 12 - в Lychnis L. и ряд видов в других родах [2, 3]. Ни в одном из других семейств не выявлено такое множество экдистероидсодержащих видов. Наиболее часто встречающимися являются 20-гидроксиэкдизон (20Е), полиподин В (ПВ), 2-дезокси-производные 20Е, экдизона (Е), витикостерона Е, интегристерона А. Вследствие широкого спектра биологической активности экдистероидов интерес к этой группе вторичных метаболитов не ослабевает. Поиск растительных продуцентов, получения биомассы для изучения процессов метаболизма с помощью альтернативных биотехнологических методов, в том числе технологии hairy roots, интенсивно развиваются.

Технология hairy roots - культура изолированных корней лекарственных растений, полученная при помощи почвенной бактерии Agrobacterium rhizogenes. Это устойчивая биотехнологическая система, которая сохраняет клеточную и тканевую специализацию, что важно для поддержания и воспроизведения постоянного уровня биосинтеза вторичных метаболитов, способная к росту без использования экзогенных регуляторов роста. Такие генетически и биохимически стабильные культуры позволяют продуцировать биомассу корней с высоким уровнем биосинтеза вторичных метаболитов, часто превышающим их уровень в интактных растениях или других системах in vitro [4].

По данной теме проводятся совместные исследования в лабораториях Биотехнологии ЦСБС СО РАН (Новосибирск), Фитохимии СБС ТГУ (Томск) и отделе Биохимии и биотехнологии растений ЦБС НАН Беларуси (Минск). Для усиления биосинтеза вторичных метаболитов применяют различные приемы. Большая часть исследований, посвященная усилению биосинтеза вторичных метаболитов в культуре in vitro, связана с эмпирическим подбором факторов воздействия на продукцию этих веществ (элиситоры, предшественники биосинтеза) или с длительным отбором линий-гиперпродуцентов, что является малоэффективным и требует глубокой теоретической проработки. Известны лишь немногие примеры успешного направленного усиления биосинтеза вторичных метаболитов растений в культуре in vitro: берберин [5], шиконин [6], розмариновая кислота [7], таксол [8], 20-гидроксиэкдизон [9]. В настоящее время для изучения процессов, происходящих в клетке в культуре in vitro, применяются протеомные методы исследования. Так, изучение белковых профилей растений связано с выявлением ключевых белков, включенных в процесс дифференциации и дедифференциации in vitro с целью направленно регулировать этот сложный морфофизиологический процесс [10, 11]. Только комплексные исследования в области протеомики, метаболомики, молекулярной биологии с привлечением математических методов для построения метаболических моделей лекарственных растений позволят развить это перспективное направление. В этой связи изучение взаимосвязи пептидных профилей как показателя эффективности экспрессии ферментов, отвечающих за биосинтез вторичных метаболитов и характера

42

метаболомного ответа (биосинтеза экдистероидов) у экдистероидсодержащих видов р. Silene, является новым перспективным подходом.

Проведенные нами исследования свидетельствуют о возможности использования культуры hairy root представителей р. Silene как потенциального источника получения БАВ и о перспективности дальнейших исследований с целью получения линий лекарственных растений с высоким уровнем биосинтеза БАВ.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-54-04083 Бел мол а.

Литература

1. Лафон Р. Фитоэкдистероиды и мировая флора: разнообразие, распределение, биосинтез и эволюция // Физиология растений. 1998. Т. 45. № 3. С. 326-346.

2. Зибарева Л. Н. Фитоэкдистероиды растений семейства Caryophyllaceae. Автореф. дис... док. хим. наук, Новосибирск, 2003. 31 с.

3. Zibareva L., Yeriomina V. I., Munkhjargal N., Girault J.-P., Dinan L., Lafont R. The Phytoecdysteroid Profiles of 7 Species of Silene (Caryophyllaceae) // Archives of insect biochemistry and physiology. 2009. V. 72. № 4. P. 234-248.

4. Georgiev M. I., Pavlov A. I., Bley T. Hairy root type plant in vitro systems as a sources of bioactive substsnces // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2007. V. 27. P. 1175-1185.

5. Zenk M. H., Ruffer M., Amann M., Deus-Neumann B. Benzylisoquinoline biosynthesis by cultivated plant cells and isolated enzymes // J. Nat. Prod. 1985. V. 48. P. 725-738.

6. Fujita, Y., Hara, Y., Ogino, T. and Suga, C. Production of shikonin derivatives by cell suspension cultures of Lithospermum erythrorhizon. I. Effects of nitrogen source on the production of shikonin // Plant Cell Rep. 1981. V. 1. P. 59-60.

7. Ulbrich B., Weisner W., Arens H. Largesale production of rosmarinic acid from plant cell cultures of Coleus blumei Benth. In: Primary and secondary metabolism of plant cell cultures. Springer, Berlin, 1985. P. 293-303.

8. Ketchum, R. E. B., Gibson, D. M., Croteau, R. B., Shuler, M. L. The kinetics of taxoid accumulation in cell suspension cultures of Taxus following elicitation with methyl jasmonate // Biotechnol. Bioeng. 1999. V. 62. P. 97-105.

9. Cheng D. M., Yousef G. G., Grace M. H., Rogers R. B., Gorelick-Feldman J., Raskin I., Lila M. A. In vitro production of metabolism-enchancing phytoecdysteroids from Ajuga turkestanica // Plant Cell Tiss. Organ. Cult. 2008. V. 93. P. 73-83.

10. Palama T. L., Menard P., Fock I., Choi Y. H., Bourdon E., Govinden-Soulange J., Bahut

M., Payet B., Verpoorte R., Kodja H. Shoot differentiation from protocorm callus cultures of Vanilla planifolia (Orchidacear): proteomic and metabolomics responses at early stage // BMC Plant Biology. 2010. V. 10 (82). Режим доступа: http://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/1471-2229-10-82. (дата

обращения: 20.01.2016).

11. Nogueira F. C. S., Goncalves E. F., Jeressati E. S., Santos M., Costa J. H., Oliveira-Neto O. B., Soares A. A., Domont G. B., Campos F. A. P. Proteome analysis of embryogenic cell suspensions of cowpea (Vigna unguiculata) // Physiology and Biochemistry. 2007. V. 26. P. 1333-1343.

43