Генетична трансформація за допомогою Agrobacterium rhizogenes є традиційним способом індукції культур «бородатих» коренів різних видів рослин, що дозволяє залучати бактеріальні rol гени до геному отриманих коренів. Включення rol генів, відомих як стимулятори вторинного метаболізму рослин, а також контакт із фітопатогенними бактеріями можуть впливати на низку параметрів росту «бородатих» коренів, зокрема, на збільшення маси, накопичення вторинних метаболітів, активність ферментів тощо. Особливий інтерес має вивчення відкладених змін, індукованих Agrobacterium-опосередкованою трансформацією та перенесенням чужорідних генів, після довготривалого культивування трансгенного рослинного матеріалу. В роботі проведено порівняння активності ферментів системи антиоксидантного захисту рослин (катала-зи та супероксиддисмутази), а також загального вмісту флавоноїдів, антиоксидантної та відновлювальної активності екстрактів з культур «бородатих» коренів рослин Althaea officinalis, Artemisia tilesii, Artemisia vulgaris, отриманих раніше з використанням A. rhizogenes – опосередкованої трансформації (штам A4 з геном інтерферону-α2b людини). За допомогою ПЛР підтверджено наявність перенесених генів у досліджуваних «бородатих» коренях після тривалого культивування. Виявлено значну варіабельність активності каталази та СОД у різних лініях «бородатих» коренів, зокрема, виявлено лінії, що характеризуються підвищеною активністю обох ферментів (у 4,4 рази підвищена активність каталази та вдвічі більша активність СОД порівняно з активністю екстрактів з коренів контрольних рослин). Показана можливість значного підвищення загального вмісту флавоноїдів (у 4,6 рази) та збільшення рівнів антиоксидантної і відновлювальної активностей у ряді зразків трансгенних коренів. Максимальний вміст фла-воноїдів у «бородатих» коренях A. officinalis, A. vulgaris та A. tilesii становив відповідно 4,60 ± 0,19, 4,55 ± 0,36 та 9,21 ± 1,28 мг/г вологої маси. Таким чином, встановлено, що генетична трансформація спричиняє зміни у синтезі метаболітів з антиоксидантними властивостями та активності ферментів системи антиоксидантного захисту, причому такі зміни спостерігалися через 5–8 років після індукції «бородатих» коренів. Ці результати свідчать про пролонгований вплив генетичної трансформації на функціонування клітин досліджуваних видів рослин, зокрема, алтеї лікарської та двох видів полину. Виявлений ефект збільшення вмісту флавоноїдів та рівня антиоксидантної активності у більшості зразків, культивованих протягом тривалого часу, може бути використаний для отримання «бородатих» коренів – продуцентів сполук з антиоксидантними властивостями.
Ключові слова: «бородаті» корені, антиоксидантна активність, флавоноїди, каталаза, супероксиддисмутаза, Althaea officinalis, Artemisia tilesii, Artemisia vulgaris
Повний текст та додаткові матеріали
Цитована література
1. Bulgakov, V.P., Gorpenchenko, T.Y., Veremeichik, G.N., et al., The rolB gene suppresses reactive oxygen species in transformed plant cells through the sustained activation of antioxidant defense, Plant Physiol., 2012, vol. 158, pp. 1371–1381. https://doi.org/10.U04/pp.1U.191494
2. El-Esawi, M.A., Elkelish, A., Elansary, H.O., et al., Genetic transformation and hairy root induction enhance the antioxidant potential of Lactuca serriola L., Oxid. Med. Cell Longev., 2017, vol. 2017, art. 5604746. https://doi.org/10.1155/2017/5604746
3. Gabr, A.M.M., Sytar, O., Ghareeb, H., et al., Accumulation of amino acids and flavonoids in hairy root cultures of common buckwheat (Fagopyrum esculentum), Physiol. Mol. Biol. Plants, 2019, vol. 25, pp. 787–797. https://doi.org/10.1007/s12298-019-00669-1
4. Gharari, Z., Bagheri, K., Danafar, H., et al., Enhanced flavonoid production in hairy root cultures of Scutellaria bornmuelleri by elicitor induced over expression of MYB7 and FNS2 genes, Plant Physiol. Biochem., 2020, vol. 148, pp. 35–44. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2020.01.002
5. Giri, A. and Narasu, M.L., Transgenic hairy roots: recent trends and applications, Biotechnol. Adv., 2000, vol. 18, pp. 1–22. https://doi.org/10.1016/S0734-9750(99)00016-6
6. Khezerluo, M., Hosseini, B., and Amiri, J., Sodium nitroprusside stimulated production of tropane alkaloids and antioxidant enzymes activity in hairy root culture of Hyoscyamus reticulatus L., Acta Biol. Hung., 2018, vol. 69, pp. 437–448. https://doi.org/10.1556/018.69.2018.4.6
7. Kim, S.-E., Lee, C.-J., Ji, C., et al., Transgenic sweet potato plants overexpressing tocopherol cyclase display enhanced a-tocopherol content and abiotic stress tolerance, Plant Physiol. Biochem., 2019, vol. 144, art. 436444. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2019.09.046
8. Kohsari, S., Rezayian, M., Niknam, V., et al., Antioxidative enzymes activities and accumulation of steroids in hairy roots of Trigonella, Physiol. Mol. Biol. Plants, 2020, vol. 26, pp. 281–288. https://doi.org/10.1007/s12298-019-00753-6
9. Kumar, S. and Pandey, A.K., Chemistry and biological activities of flavonoids: an overview, Sci. World J., 2013, 2013, art. 162750. https://doi.org/10.1155/2013/162750
10. Matvieieva, N.A., Shakhovsky, A.M., Belokurova, V.B., et al., Artemisia tilesii Ledeb hairy roots establishment using Agrobacterium rhizogenes-mediated transformation, Prep. Biochem. Biotechnol., 2015, vol. 46, pp. 342–345 https://doi.org/10.1080/10826068.2015.1031393
11. Matvieieva, N., Drobot, K., Duplij, V., et al., Flavonoid content and antioxidant activity of Artemisia vulgaris L. “hairy” roots, Prep. Biochem. Biotechnol., 2019, vol. 49, pp. 82–87. https://doi.org/10.1080/10826068.2018.1536994
12. Matvieieva, N., Morgun, B., Lakhneko, O., et al., Agrobacterium rhizogenes-mediated transformation enhances the antioxidant potential of Artemisia tilesii Ledeb., Plant Physiol. Biochem., 2020, vol. 152, pp. 177–183. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2020.04.020
13. Muthusamy, B. and Shanmugam, G., Analysis of flavonoid content, antioxidant, antimicrobial and antibiofilm activity of in vitro hairy root extract of radish (Raphanus sativus L.), Plant Cell Tiss. Organ Cult., 2020, vol. 140, pp. 619–633.https://doi.org/10.1007/s11240-019-01757-6
14. Pekal, A. and Pyrzynska, K., Evaluation of aluminium complexation reaction for flavonoid content assay, Food Anal. Methods, 2014, vol. 7, pp. 1776–1782. https://doi.org/10.1007/s12161-014-9814-x
15. Pietta, P.G., Flavonoids as antioxidants, J. Nat. Prod., 2000, vol. 63, pp. 1035–1042. https://doi.org/10.1021/np9904509
16. Reis, A., Boutet-Mercey, S., Massot, S., et al., Isoflavone production in hairy root cultures and plantlets of Trifolium pretense, Biotechnol. Lett., 2019, no. 3, pp. 427–442. https://doi.org/10.1007/s10529-018-02640-8
17. Sahayarayan, J., Udayakumar, R., Arun, M., et al., Effect of different Agrobacterium rhizogenes strains for in-vitro hairy root induction, total phenolic, flavonoids contents, antibacterial and antioxidant activity of Cucumis anguria L., Saudi J. Biol. Sci., 2020, vol. 27, pp. 2972–2979. https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2020.08.050
18. Singh, H., Dixit, S., Verma, P.C., et al., Evaluation of total phenolic compounds and insecticidal and antioxidant activities of tomato hairy root extract, J. Agric. Food Chem., 2014, vol. 62, pp. 2588–2594. https://doi.org/10.1021/jf405695y
19. Tavassoli, P. and Safipour Afshar, A., Influence of different Agrobacterium rhizogenes strains on hairy root induction and analysis of phenolic and flavonoid compounds in marshmallow (Althaea officinalis L.), 3 Biotech, 2018, vol. 8, p. 351. https://doi.org/10.1007/s13205-018-1375-z
20. Thwe, A., Arasu, M.V., Li, X., et al., Effect of different Agrobacterium rhizogenes strains on hairy root induction and phenylpropanoid biosynthesis in Tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum Gaertn), Front. Microbiol., 2016, vol. 7, p. 318. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.00318
21. Tiwari, R.K., Trivedi, M., Guang, Z.C., et al., Agrobacterium rhizogenes mediated transformation of Scutellaria baicalensis and production of flavonoids in hairy roots, Biol. Plant., 2008, vol. 52, p. 26. https://doi.org/10.1007/s10535-008-0004-9
22. Wang, X., Ding, G., Liu, B., and Wang, Q., Flavonoids and antioxidant activity of rare and endangered fern: Isoetes sinensis, PLoS One, 2020, vol. 15, no. 5, e0232185. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0232185
23. Zhang, H.C., Liu, J.M., Lu, H.Y., et al., Enhanced flavonoid production in hairy root cultures of Glycyrrhiza uralensis Fisch by combining the overexpression of chalcone isomerase gene with the elicitation treatment, Plant Cell Rep., 2009, vol. 28, pp. 1205–1213. https://doi.org/10.1007/s00299-009-0721-3