DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1706600
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41200498
تاريخ النشر: 2025-10-22
المؤلف: Abdul Razzaq وآخرون
الموضوع الرئيسي: زراعة الأنسجة النباتية والتجديد
نظرة عامة
يؤكد القسم المراجع على الدور الحاسم لمستقلبات النباتات، وخاصة المستقلبات الثانوية، في دفاع النباتات وإمكاناتها العلاجية. تُعرف المستقلبات الثانوية، مثل القلويات النشطة بيولوجيًا الموجودة في النباتات الطبية مثل Cephalotaxus، بأهميتها الصيدلانية. ومع ذلك، فإن التحديات مثل تراكمها المنخفض والمسارات الحيوية المعقدة تعيق إنتاجها الصناعي. تم التعرف على المحفزات، سواء البيولوجية (مثل المستخلصات الميكروبية، والبوليسكاريدات) أو غير البيولوجية (مثل حمض الساليسيليك، ومثيل الجاسمون، والأشعة فوق البنفسجية)، كوسائل فعالة لتعزيز تخليق هذه المستقلبات من خلال تنشيط مسارات الإشارة الدفاعية للنبات. ومن الجدير بالذكر أن التطبيق التآزري لفلوريد الصوديوم (NaF) ومثيل الجاسمون (MeJA) أثبت فعاليته بشكل خاص في زيادة إنتاج القلويات.
تؤكد الخاتمة على الإمكانات التحويلية لاستراتيجيات التحفيز في تعزيز إنتاج المستقلبات الثانوية، باستخدام Cephalotaxus وقلوياته المضادة لسرطان الدم كنموذج. لا يعزز الجمع بين NaF وMeJA إنتاج السيفالوتاكسين فحسب، بل يسهل أيضًا إفرازه في أنظمة زراعة الخلايا. بينما تستمر التحديات المتعلقة بتدفق الأيض وتحسين العمليات، فإن دمج التحفيز مع تقنيات البيوتكنولوجيا المتقدمة مثل متعددة الأوميات، والهندسة القائمة على كريسبر، وتكنولوجيا النانو يقدم إطارًا واعدًا للإنتاج المستدام والقابل للتوسع للأدوية النباتية ذات القيمة العالية، مما يربط بشكل فعال الممارسات الطبية التقليدية مع الاحتياجات العلاجية المعاصرة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الدور الحاسم لمستقلبات النباتات، التي تُصنف إلى مستقلبات أولية وثانوية وثالثية. المستقلبات الأولية ضرورية للنمو والتطور، بينما المستقلبات الثانوية (SMs) حيوية لدفاع النبات وتفاعله مع البيئة، حيث تستجيب للضغوط البيولوجية وغير البيولوجية. يتأثر تخليق SMs بعوامل مختلفة، بما في ذلك الوراثة والظروف البيئية، وتؤدي هذه المركبات، مثل القلويات، والتربينات، والفلافونويدات، وظائف بيئية عديدة، بما في ذلك الحماية ضد الحيوانات العاشبة والأشعة فوق البنفسجية.
تسلط الورقة الضوء على الأهمية الاقتصادية والعلاجية لـ SMs، مشيرة إلى أن حوالي 70% من أدوية السرطان مشتقة من النباتات. على الرغم من أهميتها، فإن نقص الإمدادات يشكل تحديات، مما يثير الاهتمام في التحفيز – وهي طريقة تستخدم العوامل الصيدلانية لتعزيز إنتاج هذه المركبات القيمة. تهدف المراجعة إلى تقييم تأثيرات المحفزات البيولوجية وغير البيولوجية على تخليق SM في النباتات الطبية، مع التركيز بشكل خاص على أنواع Cephalotaxus المعروفة بإنتاج القلويات العلاجية مثل الهارينغتونين (HT) والهارينغتونين المتجانس (HHT). ستقوم بتحليل آليات المحفز، ودراسات الحالة، والاستراتيجيات المستقبلية للإنتاج المستدام للمركبات النشطة بيولوجيًا في التطبيقات الصيدلانية.
مناقشة
في هذا القسم، تركز المناقشة على دور المحفزات – الجزيئات التي تحفز تخليق المستقلبات الثانوية (SMs) في النباتات – مع تسليط الضوء على أنواعها وآلياتها. يمكن تصنيف المحفزات إلى فئات غير بيولوجية (مثل الكيميائية، والفيزيائية) وبيولوجية (مثل الميكروبية)، حيث تؤثر كل منها على إنتاج SMs من خلال مسارات متميزة. على سبيل المثال، تعزز المحفزات الكيميائية مثل حمض الساليسيليك وحمض الجاسمون تخليق المركبات العلاجية مثل الفلافونويدات والقلويات من خلال تعديل المسارات الأيضية. وقد أظهر حمض الساليسيليك، على وجه الخصوص، أنه ينظم مسار MEP/MVA، وهو أمر حاسم لإنتاج سلف القلويات، بينما يعزز حمض الجاسمون آليات الدفاع وتخليق المستقلبات الثانوية عبر أنواع نباتية مختلفة.
كما تؤكد المناقشة على إمكانات المحفزات الفيزيائية، مثل الأشعة فوق البنفسجية (UV) والملوحة، لتعزيز إنتاج SM دون المساس بصحة النبات. وقد ارتبط التعرض للأشعة فوق البنفسجية-B بزيادة مستويات المركبات الفينولية، بينما يمكن أن تؤدي الملوحة المتحكم فيها إلى تحفيز آليات تكيفية تعزز تراكم المواد الكيميائية النباتية المفيدة. علاوة على ذلك، تلعب المحفزات البيولوجية، بما في ذلك المستخلصات الميكروبية، دورًا كبيرًا في تعزيز تخليق SM من خلال مقاومة نظامية مستحثة وتنشيط المسارات الأيضية. يقدم دمج هذه المحفزات في تكنولوجيا النباتات فرصًا لتحسين إنتاج المركبات القيمة، خاصة في النباتات الطبية مثل Cephalotaxus، المعروفة بقلوياتها العلاجية. بشكل عام، يمكن أن يؤدي التطبيق الفعال للمحفزات إلى تحسين كبير في إنتاج وتخزين SMs ذات الأهمية الاقتصادية في مختلف السياقات الزراعية والصيدلانية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1706600
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41200498
Publication Date: 2025-10-22
Author(s): Abdul Razzaq et al.
Primary Topic: Plant tissue culture and regeneration
Overview
The reviewed section emphasizes the critical role of plant metabolites, particularly secondary metabolites, in plant defense and their therapeutic potential. Secondary metabolites, such as bioactive alkaloids found in medicinal plants like Cephalotaxus, are recognized for their pharmaceutical relevance. However, challenges such as low accumulation and complex biosynthetic pathways hinder their industrial production. Elicitors, both biotic (e.g., microbial extracts, polysaccharides) and abiotic (e.g., salicylic acid, methyl jasmonate, ultraviolet radiation), have been identified as effective means to enhance the biosynthesis of these metabolites by activating plant defense signaling pathways. Notably, the synergistic application of sodium fluoride (NaF) and methyl jasmonate (MeJA) has proven particularly effective in increasing alkaloid yields.
The conclusion underscores the transformative potential of elicitor-mediated strategies in boosting secondary metabolite production, using Cephalotaxus and its antileukemia alkaloids as a model. The combination of NaF and MeJA not only enhances the production of cephalotaxine but also facilitates its secretion in cell culture systems. While challenges related to metabolic flux and process optimization persist, the integration of elicitation with advanced biotechnologies such as multi-omics, CRISPR-based engineering, and nanotechnology presents a promising framework for the sustainable and scalable production of high-value plant-derived pharmaceuticals, effectively linking traditional medicinal practices with contemporary therapeutic needs.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the critical role of plant metabolites, which are categorized into primary, secondary, and tertiary metabolites. Primary metabolites are essential for growth and development, while secondary metabolites (SMs) are vital for plant defense and environmental interaction, responding to biotic and abiotic stresses. The synthesis of SMs is influenced by various factors, including genetics and environmental conditions, and these compounds, such as alkaloids, terpenes, and flavonoids, serve numerous ecological functions, including protection against herbivores and UV radiation.
The paper highlights the economic and therapeutic significance of SMs, noting that approximately 70% of anticancer drugs are derived from plants. Despite their importance, supply shortages pose challenges, prompting interest in elicitation—a method that uses pharmacological agents to enhance the production of these valuable compounds. The review aims to evaluate the effects of biotic and abiotic elicitors on SM biosynthesis in medicinal plants, particularly focusing on Cephalotaxus species known for producing therapeutic alkaloids like harringtonine (HT) and homoharringtonine (HHT). It will analyze elicitor mechanisms, case studies, and future strategies for sustainable production of bioactive compounds in pharmaceutical applications.
Discussion
In this section, the discussion focuses on the role of elicitors—molecules that stimulate the synthesis of secondary metabolites (SMs) in plants—highlighting their types and mechanisms. Elicitors can be classified into abiotic (e.g., chemical, physical) and biotic (e.g., microbial) categories, each influencing the production of SMs through distinct pathways. For instance, chemical elicitors like salicylic acid and jasmonic acid enhance the biosynthesis of therapeutic compounds such as flavonoids and alkaloids by modulating metabolic pathways. Salicylic acid, in particular, has been shown to upregulate the MEP/MVA pathway, crucial for producing alkaloid precursors, while jasmonic acid promotes defense mechanisms and secondary metabolite synthesis across various plant species.
The discussion also emphasizes the potential of physical elicitors, such as ultraviolet (UV) radiation and salinity, to enhance SM production without compromising plant health. UV-B exposure has been linked to increased levels of phenolic compounds, while controlled salinity can trigger adaptive mechanisms that boost the accumulation of beneficial phytochemicals. Furthermore, biotic elicitors, including microbial extracts, play a significant role in enhancing SM synthesis through induced systemic resistance and metabolic pathway activation. The integration of these elicitors into plant biotechnology presents opportunities for optimizing the yield of valuable compounds, particularly in medicinal plants like Cephalotaxus, which are known for their therapeutic alkaloids. Overall, the effective application of elicitors can significantly improve the production and storage of economically important SMs in various agricultural and pharmaceutical contexts.