DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36185-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634077
تاريخ النشر: 2026-02-03
المؤلف: Mohamed Ramadan Rady وآخرون
الموضوع الرئيسي: زراعة الأنسجة النباتية والتجديد
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثيرات مختلف المحفزات—ميثيل ياسموينات (MeJA)، مستخلص الخميرة، تريبتوفان، وتريبتامين—على تراكم القلويات التيربينية الرئيسية (أجماليسين، كاثارانثين، فينكريستين، وفينبلاستين) في ثقافات الجذور الشعرية من *Catharanthus roseus*. وجدت الدراسة أن جميع تركيزات MeJA زادت من مستويات أجماليسين وكاثارانثين، مع زيادة تركيزات محددة (10 و250 ميكرومتر) أيضًا لمستويات فينبلاستين. على العكس، فإن مستخلص الخميرة عمومًا قمع إنتاج القلويات. كان تريبتوفان (50 ملغ/لتر) وتريبتامين (100 ملغ/لتر) فعالين في تعزيز إنتاج كاثارانثين وفينبلاستين، على التوالي. أظهرت تحليل التعبير الجيني أن MeJA وتريبتوفان وتريبتامين زادت من التعبير عن الجينات البيوسنتيكية تريبتوفان ديكاربوكسيلاز (TDC) وستركتوسيدين سينثاز (STR)، بينما خفض مستخلص الخميرة من تعبير هذه الجينات.
تشير النتائج إلى أن معالجة المحفزات والمواد السابقة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على كل من الناتج الأيضي والنشاط النسخي في جذور *C. roseus* الشعرية، مما يبرز الإمكانية لتحسين الإنتاج في المختبر لمركبات مضادة للسرطان. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من البحث لتوسيع العلاجات الفعالة في أنظمة المفاعلات الحيوية وتوصي بإجراء تحليلات زمنية لتحديد فترات التراكم المثلى للقلويات. بالإضافة إلى ذلك، يُقترح التحقق من هوية القلويات من خلال LC-MS/MS والتقاط الديناميات النسخية في نقاط زمنية مبكرة للتحقيقات المستقبلية.
طرق
توضح قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون بيئة محكومة لضمان موثوقية نتائجهم، موضحين الظروف المحددة التي أجريت فيها التجارب. تم التلاعب بالمتغيرات الرئيسية بشكل منهجي، وتم إنشاء ضوابط مناسبة لعزل تأثيرات المتغيرات المستقلة على النتائج التابعة.
تم تعريف طرق جمع البيانات بدقة، بما في ذلك استخدام أدوات وبروتوكولات موحدة لقياس المعلمات ذات الصلة. تم تطبيق التحليلات الإحصائية لتفسير البيانات، مما يضمن أن النتائج كانت قوية وإحصائيًا ذات دلالة. يبرز القسم أهمية القابلية للتكرار والشفافية في التصميم التجريبي، مما يسمح بالتحقق المحتمل من قبل الدراسات المستقبلية.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تعزيز إنتاج القلويات الإندولية القيمة (أجماليسين، كاثارانثين، فينكريستين، وفينبلاستين) في ثقافات الجذور الشعرية من *Catharanthus roseus* من خلال تطبيق محفزات حيوية وغير حيوية متنوعة، بما في ذلك ميثيل ياسموينات ومستخلص الخميرة، بالإضافة إلى المواد السابقة تريبتوفان وتريبتامين. تم إنشاء منحنيات المعايرة لكل قلوي، وأشارت النتائج إلى أن 10 ميكرومتر ميثيل ياسموينات زادت بشكل كبير من مستويات أجماليسين (2.789 ملغ/غ وزن جاف) وكاثارانثين (2.420 ملغ/غ وزن جاف)، بينما كانت مستويات فينكريستين وفينبلاستين تتفاوت مع التركيز. على العكس، فإن علاجات مستخلص الخميرة عمومًا خفضت تراكم القلويات، حيث أن 1.5 غ/ل فقط أنتجت مستويات فينكريستين قابلة للمقارنة مع التحكم.
وجد أن تريبتوفان يؤثر بشكل إيجابي على تراكم كاثارانثين (0.533 ملغ/غ وزن جاف) وفينبلاستين (91.14 ميكروغرام/غ وزن جاف) عند تركيز 50 ملغ/لتر، بينما أدت التركيزات الأعلى إلى انخفاض مستويات أجماليسين وفينكريستين. أظهر تريبتامين زيادة متواضعة في فينبلاستين (75.99 ميكروغرام/غ وزن جاف) عند 100 ملغ/لتر، لكنه أثر سلبًا على القلويات الأخرى. تشير هذه النتائج إلى أن التلاعب بالمحفزات والمواد السابقة يمكن أن يعدل بشكل فعال من البيوسنتيز للقلويات الإندولية في *C. roseus*، مما يبرز الإمكانية لتحسين الإنتاج في التطبيقات البيوتكنولوجية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم إنشاء ظروف التحفيز والثقافة للجذور الشعرية من *Catharanthus roseus* باستخدام سلالة *Agrobacterium rhizogenes* ATCC 15,834، وتم تأكيدها عبر PCR لجينات rolB وrolC. تم الحفاظ على ثقافات الجذور الشعرية في وسط سائل أساسي 1/2 MS وتعرضت لمختلف علاجات التحفيز باستخدام ميثيل ياسموينات، مستخلص الخميرة، تريبتوفان، وتريبتامين. أشارت النتائج إلى أن ميثيل ياسموينات عند 10 و100 ميكرومتر زادت بشكل كبير من التعبير عن جينات *ستركتوسيدين سينثاز* (STR) و*تريبتوفان ديكاربوكسيلاز* (TDC)، بينما خفضت التركيزات الأعلى (250 ميكرومتر) من مستويات التعبير. بالمثل، عزز تريبتوفان وتريبتامين عند تركيزات محددة أيضًا التعبير الجيني، بينما عمومًا قمع مستخلص الخميرة ذلك.
تم إجراء تحليل كروماتوغرافيا السائل عالية الأداء (HPLC) لتقييم تراكم القلويات، مما كشف أن تركيزات المحفز المثلى أدت إلى زيادة إنتاج القلويات الإندولية. تبرز الدراسة التفاعلات المعقدة بين المحفزات والتعبير الجيني، مشيرة إلى أنه بينما يمكن لبعض المحفزات تعزيز إنتاج القلويات، قد تثبطها أخرى من خلال تنشيط بروتينات مثبطة. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف الديناميات النسخية على مر الزمن والتحقق من هويات القلويات باستخدام LC-MS/MS، بهدف توسيع العلاجات الفعالة للتطبيقات الصناعية. تشمل قيود الدراسة تجميع العينات لتحليل HPLC واحد، مما قد يؤثر على قوة النتائج.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36185-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634077
Publication Date: 2026-02-03
Author(s): Mohamed Ramadan Rady et al.
Primary Topic: Plant tissue culture and regeneration
Overview
The research investigates the effects of various elicitors—methyl jasmonate (MeJA), yeast extract, tryptophan, and tryptamine—on the accumulation of key indole terpenoid alkaloids (ajmalicine, catharanthine, vincristine, and vinblastine) in hairy root cultures of *Catharanthus roseus*. The study found that all concentrations of MeJA enhanced the levels of ajmalicine and catharanthine, with specific concentrations (10 and 250 µM) also increasing vinblastine levels. Conversely, yeast extract generally suppressed alkaloid production. Tryptophan (50 mg/l) and tryptamine (100 mg/l) were effective in enhancing the production of catharanthine and vinblastine, respectively. Gene expression analysis indicated that MeJA, tryptophan, and tryptamine upregulated the expression of biosynthetic genes tryptophan decarboxylase (TDC) and strictosidine synthase (STR), while yeast extract downregulated these genes.
The findings suggest that elicitor and precursor treatments can significantly influence both the metabolic output and transcriptional activity in *C. roseus* hairy roots, highlighting the potential for optimizing in vitro production of anticancer compounds. The study emphasizes the need for further research to scale up effective treatments in bioreactor systems and recommends conducting time-course analyses to identify optimal accumulation periods for alkaloids. Additionally, the validation of alkaloid identity through LC-MS/MS and capturing transcriptional dynamics at earlier time points are suggested for future investigations.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental procedures employed in the study. The researchers utilized a controlled environment to ensure the reliability of their results, detailing the specific conditions under which the experiments were conducted. Key variables were systematically manipulated, and appropriate controls were established to isolate the effects of the independent variables on the dependent outcomes.
Data collection methods were rigorously defined, including the use of standardized instruments and protocols to measure the relevant parameters. Statistical analyses were applied to interpret the data, ensuring that findings were robust and statistically significant. The section emphasizes the importance of replicability and transparency in the experimental design, allowing for potential validation by future studies.
Results
In this study, the production of valuable indole alkaloids (ajmalicine, catharanthine, vincristine, and vinblastine) in hairy root cultures of *Catharanthus roseus* was enhanced through the application of various biotic and abiotic elicitors, including methyl jasmonate and yeast extract, as well as the precursors tryptophan and tryptamine. Calibration curves were established for each alkaloid, and results indicated that 10 µM methyl jasmonate significantly increased the levels of ajmalicine (2.789 mg/g DW) and catharanthine (2.420 mg/g DW), while vincristine and vinblastine levels varied with concentration. In contrast, yeast extract treatments generally decreased alkaloid accumulation, with only 1.5 g/L yielding vincristine levels comparable to the control.
Tryptophan was found to positively influence the accumulation of catharanthine (0.533 mg/g DW) and vinblastine (91.14 µg/g DW) at a concentration of 50 mg/L, while higher concentrations led to decreased levels of ajmalicine and vincristine. Tryptamine showed a modest enhancement of vinblastine (75.99 µg/g DW) at 100 mg/L, but negatively affected other alkaloids. These findings suggest that the manipulation of elicitors and precursors can effectively modulate the biosynthesis of indole alkaloids in *C. roseus*, highlighting the potential for optimizing production in biotechnological applications.
Discussion
In this study, the induction and culture conditions of hairy roots from *Catharanthus roseus* were established using *Agrobacterium rhizogenes* strain ATCC 15,834, confirmed via PCR for rolB and rolC genes. Hairy root cultures were maintained in 1/2 MS basal liquid medium and subjected to various elicitation treatments with methyl jasmonate, yeast extract, tryptophan, and tryptamine. The results indicated that methyl jasmonate at 10 and 100 µM significantly enhanced the expression of the *strictosidine synthase* (STR) and *tryptophan decarboxylase* (TDC) genes, while higher concentrations (250 µM) reduced expression levels. Similarly, tryptophan and tryptamine at specific concentrations also promoted gene expression, whereas yeast extract generally suppressed it.
High-performance liquid chromatography (HPLC) analysis was conducted to assess alkaloid accumulation, revealing that optimal elicitor concentrations led to increased production of indole alkaloids. The study highlights the complex interactions between elicitors and gene expression, suggesting that while certain elicitors can enhance alkaloid production, others may inhibit it through the activation of repressor proteins. Future research is recommended to explore the transcriptional dynamics over time and validate alkaloid identities using LC-MS/MS, with the aim of scaling effective treatments for industrial applications. The study’s limitation includes the pooling of samples for a single HPLC analysis, which may affect the robustness of the findings.