1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физиология растений
  4. T. 70, № 7, 2023

Физиология растений, 2023, T. 70, № 7, стр. 923-932

Применение in silico анализа для определения морфогенеза в культуре растительной ткани

К. В. Малахова a, Д. Н. Зонтиков a, А. И. Щербакова b, Р. В. Сергеев b, *

a Костромской государственный университет
Кострома, Россия

b Поволжский государственный технологический университет
Йошкар-Ола, Россия

* E-mail: sergeevphd@yandex.ru

Поступила в редакцию 23.12.2021
После доработки 12.10.2023
Принята к публикации 19.10.2023

Аннотация

В работе предложен и апробирован новый подход оптимизации биотехнологических процессов, в том числе процесса микроклонального размножения. Предлагаемый метод основан на построении карты подобия структур молекул вторичных метаболитов растительных экстрактов и молекул – регуляторов процессов морфогенеза растений (прежде всего фитогормонов) с последующим прогнозированием действия экстракта. В качестве примера был использован экстракт лишайника Cetraria islandica (L.) Ach. (Parmeliacea), для которого хорошо известен спектр содержащихся вторичных метаболитов. Выявлено структурное сходство алифатических вторичных соединений лишайника (протолихестериновая и лихестериновая кислоты) со стриголактонами (в большей степени), а также с гиббереллинами и брассиностероидами. На основе анализа полученных результатов был сделан прогноз о дозозависимом воздействии экстракта лишайника C. islandica на ростовые процессы и ризогенез микропобегов in vitro. Эта гипотеза была экспериментально проверена в экспериментах при микроклональном размножении высших растений Lonicera caerulea L. и Populus tremula L. В результате проведенных работ установлено, что добавление экстракта из C. islandica в концентрации 10–50 мг/л в состав питательной среды увеличивало коэффициент размножения L. caerulea (на 31%) и P. tremula (на 8%).Экспериментально доказана ризогенная активность экстракта лишайника в тех же концентрациях (10–50 мг/л среды), схожая с активностью стриголактонов и гиббереллинов. Также показано положительное влияние экстракта C. islandica (50 мг/л) на элонгацию микропобегов обеих культур и геммогенез P. tremula. Предложенный подход позволяет оптимизировать исследования, направленные на выявление эффекта различных экстрактов на морфогенез растений in vitro путем предварительного построения карты подобия содержащихся в экстрактах вторичных метаболитов (в том числе по данным литературы) и известных регуляторов роста (в том числе фитогормонов) с последующим прогнозированием действия экстракта.

Ключевые слова: Cetraria islandica, Lonicera caerulea, Populus tremula, брассиностероиды, вторичные метаболиты, гиббереллины, клональное микроразмножение, лихестериновая кислота, протолихестериновая кислота, ризогенез, стриголактоны, эпигейные лишайники, in silico

Список литературы

  1. Pawar G., Madden J.C., Ebbrell D., James W.F., Cronin M.T.D. In silico toxicology data resources to support read-across and (Q)SAR // Front Pharmacol. 2019. V. 10. P. 561. https://doi.org/10.3389/fphar.2019.00561

  2. Calcott M.J., Ackerley D.F., Knight A., Keyzers R.A., Owen J.G. Secondary metabolism in the lichen symbiosis // Chem. Soc. Rev. 2018. V. 47. P. 1730. https://doi.org/10.1039/C7CS00431A

  3. Asplund J., Wardle D.A. How lichens impact on terrestrial community and ecosystem properties // Biol. Rev. Cambridge Philos. Soc. 2017. V. 92. P. 1720. https://doi.org/https://doi.org/10.1111/brv.12305

  4. Урбанавичюс Г.П. Список лихенофлоры России. СПб.: Наука, 2010. С. 194 с.

  5. Xu M., Heidmarsson S., Thorsteinsdottir M., Kreuzer M., Hawkins J., Omarsdottir S., Olafsdottir E.S. Authentication of iceland moss (Cetrariaislandica) by UPLC-QToF-MS chemical profiling and DNA barcoding // Food Chem. 2018. V. 245. P. 989. Available.https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2017.11.073

  6. Ogmundsdóttir H.M., Zoëga G.M., Gissurarson S.R., Ingólfsdóttir K. Anti-proliferative effects of lichen-derived inhibitors of 5-lipoxygenase on malignant cell-lines and mitogen-stimulated lymphocytes // J. Pharm. Pharmacol. 1998. V. 50. P. 107. https://doi.org/10.1111/j.2042-7158.1998.tb03312.x

  7. Bucar F., Schneider I., Ögmundsdóttir H., Ingólfsdóttir K. Anti-proliferative lichen compounds with inhibitory activity on 12(S)-HETE production in human platelets // Phytomed. 2004. V. 11. P. 602. https://doi.org/10.1016/j.phymed.2004.03.004

  8. Freysdottir J., Omarsdottir S., Ingólfsdóttir K., Vikingsson A., Olafsdottir E.S. In vitro and in vivo immunomodulating effects of traditionally prepared extract and purified compounds from Cetrariaislandica // Int. Immunopharm. 2008. V. 8. P. 423. https://doi.org/10.1016/j.intimp.2007.11.007

  9. Luzina O.A., Salakhutdinov N.F. Biological activity of usnic acid and its derivatives: Part2. effects on higher organisms // Mol. Physicochem. Aspects. Russ. J. Bioorg. Chem. 2016. V. 42. P. 249. https://doi.org/10.1134/S1068162016030109

  10. Cardarelli M., Serino G., Campanella L., Ercole P., De Cicco Nardone F., Alesiani O., Rossiello F. Antimitotic effects of usnic acid on different biological systems // Cell. Mol. Life Sci. 1997. V. 53. P. 667. https://doi.org/10.1007/s000180050086

  11. Latkowska E., Lechowski Z., Bialczyk J., Pilarski J. Photosynthesis and water relations in tomato plants cultivated long-term in media containing (+)-Usnic Acid // J. Chem. Ecol. 2006. V. 32. P. 2053. https://doi.org/10.1007/s10886-006-9128-6.

  12. Lechowski Z., Latkowska E., Bialczyk J. Accumulation of biomass and some macroelements in tomato plants grown in media with (+)-usnic acid // Environ. Exp. Bot. 2006. V. 56. P. 239. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2005.03.001

  13. Inoue H., Noguchi M., Kubo K. Site of inhibition of usnic acid at oxidizing side of photosystem 2 of spinach chloroplasts // Photosynth. 1987. V. 21. P. 88.

  14. Lascève G., Gaugain F. Effects of usnicacid on sunflower and maize plantlets // J. Plant Physiol. 1990. V. 136. P. 723. https://doi.org/10.1016/S0176-1617(11)81352-0.

  15. Orús M., Estévez M., Vicente C. Manganese depletion in chloroplasts of Quercus roundifolia during chemical simulation of lichen epiphytic states // Physiol. Plant. 2006. V. 52. P. 263. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1981.tb08503.x

  16. Follmann G. Flechtenstoffe und stecklingsbewurzelung // Die Naturwissenschaften. 1965. V. 52. P. 266. https://doi.org/10.1007/BF00602940

  17. Sander T., Freyss J., von Korff M., Rufener C. Data warrior: an open-source rogramfor chemistry aware data visualization and analysis // J. Chem. Inf. Model. 2015.V. 55. P.460. https://doi.org/10.1021/ci500588j

  18. Goga M., Antreich S., Backor M., Weckwerth W., Lang I. Lichen secondary metabolites affect growth of Physcomitrella patens by allelopathy // Protoplasma. 2017. V. 254. P. 1307. https://doi.org/10.1007/s00709-016-1022-7

  19. Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bio assays with tobacco tissue cultures // Physiol. Plant. 1962. V. 15. P. 473. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.x

  20. Ingolfsdottir K., Breu W., Huneck S., Gudjonsdottir G.A., Müller-Jakic B., Wagner H. In vitro inhibition of 5-lipoxygenase by protolichesterinic acid from Cetrariaislandica // Phytomed. 1994. V. 1. P. 187. https://doi.org/10.1016/S0944-7113(11)80063-2

  21. Mishra S., Upadhyay S., Shukla R.K. The role of strigolactones and their potential cross-talk under hostile ecological conditions in plants // Front. Plant Physiol. 2017. V. 7. P. 691. https://doi.org/10.3389/fphys.2016.00691

  22. Mitra D., Rad K.V., Chaudhary P., Ruparelia J., Sagarika M.S., Boutaj H., Mohapatra P.K., Das P.P. Involvement of strigolactone hormone in root development, influence and interaction with mycorrhizal fungi in plant: Mini-review // Curr. Res.Microb. Sci. 2021. V. 2. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.crmicr.2021.100026

  23. Rehman N.U., Li X., Zeng P., Guo S., Jan S., Liu Y., Huang Y., Xie Q. Harmony but not uniformity: role of strigolactone in plants // Biomolec. 2021. V. 11. P. 1616. https://doi.org/10.3390/biom11111616

  24. Rizza A., Jones A.M. The makings of a gradient: spatiotemporal distribution of gibberellins in plant development // Curr. Opin. Plant Biol. 2019. V. 47. P. 9. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2018.08.001

  25. Pouvreau J.-B., Gaudin Z., Auger B., Lechat M.-M., Gauthier M., Delavault P., Simier P. A high-throughput seed germination assay for root parasitic plants // Plant Meth. 2013. V. 9. P. 1. https://doi.org/10.1186/1746-4811-9-32

  26. Rasmussen A., Depuydt S., Goormachtig S., Geelen D. Strigolactones fine-tune the root system // Planta. 2013. V. 238. P. 615. https://doi.org/10.1007/s00425-013-1911-3

  27. Cornea-Cipcigan M., Pamfil D., Sisea CR., Mărgăoan R. Gibberellic acid can improve seed germination and ornamental quality of selected cyclamen species grown under short and long days // Agron. 2020. V. 10. P. 516. https://doi.org/10.3390/agronomy10040516

  28. Behera B., Verma N., Sonone A., Makhija U. Experimental studies on the growth and usnic acid production in “lichen” Usnea ghattensis in vitro // Microbiol. Res. 2006. V. 161. P. 232. https://doi.org/10.1016/j.micres.2005.08.006

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физиология растений

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал