Біологічні системи: теорія та інновації

Отримання культури трансгенних коренів рослин Artemisia annua L., Artemisia vulgaris L., визначення вмісту біологічно активних сполук (артемізину, флавоноїдів та цукрів) і біологічної активності (антиоксидантної та противірусної) в отриманих коренях

Олександр Поліщук, Юлія Коломієць
Завантажити статтю
Анотація

Метою дослідження було оцінити ефективність генетичної трансформації коренів Artemisia annua та Artemisia vulgaris за допомогою бактерії Agrobacterium rhizogenes та визначити вплив цього процесу на вміст біологічно активних сполук і їхню біологічну активність. Експеримент, проведений в умовах in vitro, включав інфікування молодих експлантів штаммами A. rhizogenes ATCC 15834 та A4 з подальшим культивуванням трансгенних коренів у рідкому середовищі Мурасіге-Скуга. Концентрація флавоноїдів визначалась спектрофотометрично за реакцією з хлоридом алюмінію, антиоксидантну властивість визначали за допомогою тестів зі стабільними радікалами DPPH та ABTS. Ефективність трансформації склала 78,3 ± 4,2 % для Artemisia annua та 65,0 ± 5,1 % для Artemisia vulgaris, що пов’язано з відмінностями у структурі клітинної стінки та експресії рецепторів, таких як FLS2 і EFR. Вміст артемізину в трансгенних коренях Artemisia annua досяг 1,45 ± 0,15 мг на грам сухої маси, що в 3,2 рази перевищує контрольні значення (0,45 ± 0,05 мг/г), тоді як у Artemisia vulgaris цей показник становив лише 0,28 ± 0,03 мг/г. Концентрація флавоноїдів склала 25,6 ± 2,1 мг еквівалентів кверцетину на грам для Artemisia annua та 18,9 ± 1,7 мг еквівалентів кверцетину на грам для Artemisia vulgaris. Антиоксидантна активність показала, що половина максимальної інгібуючої концентрації для Artemisia annua становила 32,5 ± 2,8 мкг/мл у DPPH-тесті, що на 45% нижче за контроль. Екстракти Artemisia annua демонстрували противірусну активність, інгібуючи реплікацію вірусу грипу A/H1N1 на 68 ± 5%, тоді як для Artemisia vulgaris цей показник склав 55 ± 4%. Статистичний аналіз підтвердив значущість відмінностей між видами (р < 0,05). Отримані дані створюють основу для розробки більш ефективних препаратів на основі трансгенних коренів Artemisia annua, зокрема протималярійних засобів із підвищеним вмістом артемізину, а також антиоксидантних та противірусних агентів для профілактики та лікування інфекційних захворювань

Ключові слова

генетична трансформація; Agrobacterium rhizogenes; антималярійний агент; фармацевтичні препарати; протизапальні властивості

ЦИТУВАТИ
Polishchuk , O., & Kolomyets, Yu. (2025). Production of transgenic root cultures of Artemisia annua L. and Artemisia vulgaris L., determination of biologically active compounds (artemisinin, flavonoids and sugars), and evaluation of biological activity (antioxidant and antiviral) in the obtained . Biological Systems: Theory and Innovation, 16(1), 33-45. https://doi.org/10.31548/biologiya/1.2025.33
Використані джерела
  1. Al-Khayri, J.M., et al. (2022). Biotechnological approaches for production of artemisinin, an anti-malarial drug from Artemisia annua L. Molecules, 27(9), article number 3040. doi: 10.3390/molecules27093040.
  2. Bohdanovych, T.A., & Matvieieva, N.A. (2023). Effect of phenylalanine and light on the growth of hairy roots of Artemisia tilesii Ledeb. Biotechnologia Acta, 16(5), 61-69. doi: 10.15407/biotech16.05.061.
  3. Clark, M.S. (Ed.). (2013). Plant molecular biology – a laboratory manual. Berlin: Springer Science & Business Media.
  4. Convention on Biological Diversity. (1992, June). Retrieved from  https://www.cbd.int/convention.  
  5. DuBois, M., Gilles, K.A., Hamilton, J.K., Rebers, P.A., & Smith, F. (1956). Colorimetric method for determination of sugars and related substances. Analytical Chemistry, 28(3), 350-356. doi: 10.1021/ac60111a017.
  6. Gelvin, S.B. (2003). Agrobacterium-mediated plant transformation: The biology behind the “gene-jockeying” tool. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 67(1), 16-37. doi: 10.1128/mmbr.67.1.16-37.2003.
  7. Hassani, D., Taheri, A., Fu, X., Qin, W., Hang, L., Ma, Y., & Tang, K. (2023). Elevation of artemisinin content by co-transformation of artemisinin biosynthetic pathway genes and trichome-specific transcription factors in Artemisia annua. Frontiers in Plant Science, 14, article number 1118082. doi: 10.3389/fpls.2023.1118082.
  8. Hooykaas-Van Slogteren, G.M.S., Hooykaas, P.J.J., & Schilperoort, R.A. (1984). Expression of Ti plasmid genes in monocotyledonous plants infected with Agrobacterium tumefaciens. Nature, 311, 763-764. doi: 10.1038/311763a0.
  9. Judd, R., Dong, Y., Sun, X., Zhu, Y., Li, M., & Xie, D.Y. (2023). Metabolic engineering of the anthocyanin biosynthetic pathway in Artemisia annua and relation to the expression of the artemisinin biosynthetic pathway. Planta, 257, article number 63. doi: 10.1007/s00425-023-04091-6.
  10. Kayani, S.-I., Ma, Y., Fu, X., Shen, Q., Li, Y., Rahman, S.-u., Peng, B., Huang, L., & Tang, K. (2023). JA-regulated AaGSW1–AaYABBY5/AaWRKY9 complex regulates artemisinin biosynthesis in Artemisia annua. Plant and Cell Physiology, 64(7), 771-785. doi: 10.1093/pcp/pcad035.
  11. Khan, A.N. (2024). Metabolic engineering of artemisia carvifolia buch by agrobacterium mediated genetic transformation with rol a gene for enhancement of flavonoids. (Doctoral dissertation, Capital University of Science and Technology).
  12. Khan, A.N., & Dilshad, E. (2023). Enhanced antioxidant and anticancer potential of Artemisia carvifolia Buch transformed with rol A Gene. Metabolites, 13(3), 351.  doi: 10.3390/metabo13030351.
  13. Kim, K.W., & Hwang, C.H. (2022). Enhanced biosynthesis of artemisinin by environmental stresses in Artemisia annua. Journal of Plant Biotechnology, 49(4), 307-315. doi: 10.5010/JPB.2022.49.4.307.
  14. Kralemann, L., de Pater, S., Shen, H., Kloet, S., van Schendel, R., Hooykaas, P., & Tijsterman, M. (2021). T-DNA integration in plants requires MRE11-or TDP2-mediated removal of the 5’bound Agrobacterium protein VirD2. Retrieved from doi: 10.21203/rs.3.rs-1144888/v1.
  15. Lacroix, B., & Citovsky, V. (2022). Genetic factors governing bacterial virulence and host plant susceptibility during Agrobacterium infection. Advances in Genetics, 110, 1-29.  doi: 10.1016/bs.adgen.2022.08.001.
  16. Li, J., Chu, X.H., Wang, X.Y., Feng, B.M., & Yu, Z.X. (2021). Aging affects artemisinin synthesis in Artemisia annua. Scientific Reports, 11(1), article number 11297. doi: 10.1038/s41598-021-90807-1.   
  17. Li, X., Yang, Q., Peng, L., Tu, H., Lee, L.Y., Gelvin, S. B., & Pan, S.Q. (2020). Agrobacterium-delivered VirE2 interacts with host nucleoporin CG1 to facilitate the nuclear import of VirE2-coated T complex. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(42), 26389-26397. doi: 10.1073/pnas.2009645117.
  18. Lopes, E.M., et al. (2020). Artemisia annua L. and photoresponse: From artemisinin accumulation, volatile profile and anatomical modifications to gene expression. Plant Cell Reports, 39, 101-117. doi: 10.1007/s00299-019-02476-0.
  19. Mirbehbahani, F.S., Hejazi, F., Najmoddin, N., & Asefnejad, A. (2020). Artemisia annua L. as a promising medicinal plant for powerful wound healing applications. Progress in Biomaterials, 9, 139-151. doi: 10.1007/s40204-020-00138-z.
  20. Qamar, F., Mishra, A., Ashrafi, K., Saifi, M., Dash, P.K., Kumar, S., & Abdin, M.Z. (2024). Increased artemisinin production in Artemisia annua L. by co-overexpression of six key biosynthetic enzymes. International Journal of Biological Macromolecules, 281, article number 136291. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2024.136291.
  21. Septembre-Malaterre, A., et al. (2020). Artemisia annua, a traditional plant brought to light. International Journal of Molecular Sciences, 21(14), article number 4986. doi: 10.3390/ijms21144986.
  22. Shu, G., et al. (2022). Molecular insights into AabZIP1-mediated regulation on artemisinin biosynthesis and drought tolerance in Artemisia annua. Acta Pharmaceutica Sinica B, 12(3), 1500-1513. doi: 10.1016/j.apsb.2021.09.026.
  23. Soni, R., Shankar, G., Mukhopadhyay, P., & Gupta, V. (2022). A concise review on Artemisia annua L.: A major source of diverse medicinal compounds. Industrial Crops and Products, 184, article number 115072. doi: 10.1016/j.indcrop.2022.115072.
  24. Stachel, S.E., Messens, E., Van Montagu, M., & Zambryski, P. (1985). Identification of the signal molecules produced by wounded plant cells that activate T-DNA transfer in Agrobacterium tumefaciens. Nature, 318, 624-629. doi: 10.1038/318624a0.
  25. Wan, L., et al. (2023). RNA sequencing in Artemisia annua L explored the genetic and metabolic responses to hardly soluble aluminum phosphate treatment. Functional & Integrative Genomics, 23, 141. doi: 10.1007/s10142-023-01067-3.
  26. Wan, L., et al. (2024). Genetics and metabolic responses of Artemisia annua L to the lake of phosphorus under the sparingly soluble phosphorus fertilizer: Evidence from transcriptomics analysis. Functional & Integrative Genomics, 24(1), article number 26. doi: 10.1007/s10142-024-01301-6.
  27. Wani, K.I., Choudhary, S., Zehra, A., Naeem, M., Weathers, P., & Aftab, T. (2021). Enhancing artemisinin content in and delivery from Artemisia annua: A review of alternative, classical, and transgenic approaches. Planta, 254, article number 29. doi: 10.1007/s00425-021-03676-3.
  28. Yin, Q., Xiang, L., Han, X., Zhang, Y., Lyn, R., Yuan, L., & Chen, S. (2024). The evolutionary advantage of artemisinin production by Artemisia annua. Trends in Plant Science, 30(2), 213-226. doi: 10.1016/j.tplants.2024.09.006.
  29. Zhishen, J., Mengcheng, T., & Jianming, W. (1999). The determination of flavonoid contents in mulberry and their scavenging effects on superoxide radicals. Food Chemistry, 64(4), 555-559. doi: 10.1016/S0308-8146(98)00102-2.
  30. Zhou, Z., et al. (2020). Trichome and artemisinin regulator 2 positively regulates trichome development and artemisinin biosynthesis in Artemisia annua. New Phytologist, 228(3), 932-945.  doi: 10.1111/nph.16777.