DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1370810
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39049861
تاريخ النشر: 2024-07-10
المؤلف: Inês Mansinhos وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزيوت الأساسية والنشاط المضاد للميكروبات
نظرة عامة
الاهتمام المتزايد بالنباتات الطبية والعطرية (MAPs)، وخاصة من عائلة الشفوية، مدفوع إلى حد كبير بإمكاناتها كمصادر لمركبات ثانوية قيمة، مثل الزيوت الأساسية (EOs) والمركبات الفينولية (PCs). هذه المركبات حيوية لمختلف الصناعات، بما في ذلك مستحضرات التجميل، والأدوية، والغذاء. ومع ذلك، فإن إنتاج وجودة هذه المركبات تتأثر بشكل كبير بعوامل الإجهاد غير الحيوية، مثل الجفاف، والملوحة، ودرجة الحرارة، والضوء، والمعادن الثقيلة، التي تتفاقم بسبب تغير المناخ، وخاصة في منطقة البحر الأبيض المتوسط. تستعرض هذه الدراسة تأثير هذه الضغوط البيئية على الملفات الكيميائية والخصائص البيولوجية لأنواع الشفوية، مقترحة أن مثل هذه الضغوط قد تعزز إنتاج زيوت أساسية محددة (مثل 1،8-سينول، لينالول) ومركبات فينولية (مثل حمض الروزمارينيك، حمض الكافيين)، مما يزيد من قيمتها الصناعية.
تشير النتائج إلى أن تأثيرات الضغوط المتعلقة بالمناخ على الأيض الثانوي معقدة وتختلف بناءً على عوامل مثل الجنس النباتي، والنوع، والخلفية الوراثية، وطبيعة الضغط. على الرغم من هذه التحديات، تشير الغالبية العظمى من الدراسات التي تمت مراجعتها إلى أن الضغوط غير الحيوية تعزز عمومًا تخليق المركبات الثانوية المفيدة، مما يمكن أن يحسن من مرونة النباتات وقابليتها الصناعية. في ضوء تغير المناخ، وخاصة في حوض البحر الأبيض المتوسط، فإن فهم هذه الاستجابات أمر ضروري لتطوير ممارسات زراعية مستدامة، بما في ذلك إدارة المياه الفعالة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت بعض نباتات الشفوية MAPs القدرة على تراكم المعادن الثقيلة دون تلويث زيوتها الأساسية، مما يضعها كمرشحين واعدين للتنظيف البيئي بينما تعمل أيضًا كمصادر لمركبات نشطة حيويًا لتطبيقات متنوعة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير لتغير المناخ على نمو النباتات وإنتاجية الزراعة، خاصة بسبب الضغوط غير الحيوية مثل الجفاف، والملوحة، وتقلبات درجة الحرارة. من المتوقع أن تؤدي هذه العوامل إلى تقليل العوائد الزراعية بأكثر من 50% بحلول عام 2050، مع تأثير الملوحة على أكثر من نصف الأراضي القابلة للزراعة. بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع أن تزيد إشعاعات UV-B وطرق تلوث المعادن الثقيلة من تحديات مرونة النباتات، خاصة بالنسبة للأنواع المستوطنة والنادرة المعرضة لخطر الانقراض. فهم استجابات النباتات لهذه الضغوط أمر بالغ الأهمية لتعزيز الأمن الغذائي والتخفيف من الخسائر الاقتصادية.
تؤكد الورقة على دور المركبات الثانوية، مثل الفينولات والتربينات، في تكيف النباتات مع الضغوط البيئية، حيث تساهم في الدفاعات المضادة للأكسدة وغيرها من الخصائص المفيدة. لقد زاد الطلب على النباتات الطبية والعطرية (MAPs)، وخاصة من عائلة الشفوية، بشكل كبير، مع قيمة سوقية متوقعة تتجاوز 356 مليار دولار بحلول عام 2030. ومع ذلك، فإن المخزونات الطبيعية لهذه النباتات تتناقص بسبب تغير المناخ وزيادة الطلب. تهدف الدراسة إلى مراجعة منهجية لتأثيرات الضغوط البيئية على إنتاج الزيوت الأساسية (EOs) والمركبات الفينولية (PCs) في نباتات الشفوية، والتي تعتبر حيوية لمختلف التطبيقات الصناعية، بما في ذلك الأدوية ومستحضرات التجميل.
طرق البحث
توضح قسم المنهجية مراجعة شاملة للأدبيات تركز على عائلة الشفوية، مع التأكيد على تأثيرات مختلف العوامل البيئية الضاغطة – مثل الجفاف، والملوحة، ودرجة الحرارة، والضوء، والمعادن الثقيلة – على إنتاج المركبات الثانوية، وبشكل خاص الزيوت الأساسية (EOs) والمركبات الفينولية (PCs). تشمل المراجعة دراسات نشرت على مدار العقدين الماضيين (2005-2024) وتستخدم استراتيجية بحث منهجية عبر عدة قواعد بيانات علمية، بما في ذلك Web of Science، وPubMed، وScopus، وScience Direct، وGoogle Scholar. تم استخدام مصطلحات بحث رئيسية تتعلق بالشفوية والضغط غير الحيوي لجمع الأدبيات ذات الصلة.
تجمع المراجعة النتائج من 180 مرجعًا، بما في ذلك مقالات بحثية، ومراجعات، وفصول كتب، ودراسات حالة، وتجارب سريرية. تحتوي على خمس جداول تصنف تأثيرات الضغط غير الحيوي على الزيوت الأساسية الفردية والمركبات الفينولية، إلى جانب شكل يمثل بصريًا العلاقة بين هذه العوامل الضاغطة وإنتاج المركبات الفينولية الأساسية والتربينات في نباتات الشفوية الطبية والعطرية (MAPs). تسلط النتائج الضوء على الخصائص البيولوجية والتطبيقات الصناعية المحتملة لهذه المركبات، مما يبرز أهميتها في السياقات الطبية والصناعية والاقتصادية.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على التأثير الكبير للعوامل البيئية الضاغطة، وخاصة تغير المناخ، على إنتاج المركبات الثانوية في أنواع الشفوية، والتي تعتبر حيوية لكل من التوازن البيئي والاستدامة الاقتصادية في منطقة البحر الأبيض المتوسط. مع توقعات تشير إلى تضاعف أيام الحرارة الشديدة وفترات الجفاف المطولة بحلول عام 2050، تهدد هذه التغيرات توزيع ووجود العديد من النباتات الطبية والعطرية (MAPs) مثل الأوريجانو، والزعتر، والمريمية. إن تراجع هذه الأنواع، الذي تفاقم بسبب عوامل بشرية مثل الإفراط في الحصاد وتدمير المواطن، يبرز الحاجة الملحة لجهود الحفظ لحماية التنوع البيولوجي وضمان ممارسات الإدارة المستدامة.
تم تحديد الجفاف والملوحة كضغوط غير حيوية حرجة تؤثر على العمليات الفسيولوجية والبيوكيميائية لنباتات الشفوية. يؤدي ضغط الجفاف إلى تقليل عملية التمثيل الضوئي وزيادة إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، بينما تستخدم النباتات استراتيجيات متنوعة، بما في ذلك تراكم الأسموليتات وتنشيط أنظمة مضادات الأكسدة، للتخفيف من هذه التأثيرات. تشير الأبحاث إلى أن الجفاف يمكن أن يعزز إنتاج الزيوت الأساسية (EOs) والمركبات الفينولية (PCs) في عدة أنواع، على الرغم من أن الاستجابات تختلف بشكل كبير بين النباتات المختلفة ومستويات الضغط. على سبيل المثال، تظهر الدراسات أنه بينما تظهر بعض الأنواع مثل *Salvia officinalis* و*Thymus vulgaris* زيادة في إنتاج الزيوت الأساسية تحت ظروف الجفاف، قد تعاني أنواع أخرى من انخفاض في تركيزات بعض المركبات. وبالمثل، تؤثر الملوحة على الملفات الكيميائية للزيوت الأساسية والمركبات الفينولية، مع تأثيرات متفاوتة اعتمادًا على الأنواع ومستويات الملوحة. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين العوامل البيئية الضاغطة وإنتاج المركبات الثانوية، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لتحسين ممارسات الزراعة تحت ظروف المناخ المتغيرة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1370810
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39049861
Publication Date: 2024-07-10
Author(s): Inês Mansinhos et al.
Primary Topic: Essential Oils and Antimicrobial Activity
Overview
The increasing interest in medicinal and aromatic plants (MAPs), particularly from the Lamiaceae family, is largely driven by their potential as sources of valuable secondary metabolites, such as essential oils (EOs) and phenolic compounds (PCs). These metabolites are crucial for various industries, including cosmetics, pharmaceuticals, and food. However, the production and quality of these compounds are significantly influenced by abiotic stress factors, such as drought, salinity, temperature, light, and heavy metals, which are exacerbated by climate change, particularly in the Mediterranean region. This study reviews the impact of these environmental stresses on the chemical profiles and biological properties of Lamiaceae species, suggesting that such stresses may enhance the production of specific EOs (e.g., 1,8-cineole, linalool) and PCs (e.g., rosmarinic acid, caffeic acid), thereby increasing their industrial value.
The findings indicate that the effects of climate-related stresses on secondary metabolism are complex and vary based on factors such as plant genus, species, genetic background, and the nature of the stress. Despite these challenges, the majority of studies reviewed suggest that abiotic stresses generally promote the synthesis of beneficial secondary metabolites, which can improve the plants’ resilience and industrial applicability. In light of climate change, particularly in the Mediterranean basin, understanding these responses is essential for developing sustainable agricultural practices, including effective water management. Additionally, certain Lamiaceae MAPs have shown the ability to accumulate heavy metals without contaminating their EOs, positioning them as promising candidates for phytoremediation while also serving as sources of bioactive compounds for diverse applications.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant impact of climate change on plant growth and agricultural productivity, particularly due to abiotic stresses such as drought, salinity, and temperature fluctuations. These factors are projected to lead to a reduction in agricultural yields exceeding 50% by 2050, with salinization affecting over half of arable land. Additionally, increased UV-B radiation and heavy metal pollution pathways are anticipated to further challenge plant resilience, particularly for endemic and rare species at risk of extinction. Understanding plant responses to these stresses is crucial for enhancing food security and mitigating economic losses.
The paper emphasizes the role of secondary metabolites, such as phenolics and terpenoids, in plant adaptation to environmental stress, as they contribute to antioxidant defenses and other beneficial properties. The demand for medicinal and aromatic plants (MAPs), particularly from the Lamiaceae family, has surged, with a market value projected to exceed $356 billion by 2030. However, the natural stocks of these plants are declining due to climate change and increased demand. The study aims to systematically review the effects of environmental stress on the production of essential oils (EOs) and phenolic compounds (PCs) in Lamiaceae plants, which are vital for various industrial applications, including pharmaceuticals and cosmetics.
Methods
The methodology section outlines a comprehensive literature review focused on the Lamiaceae family, emphasizing the effects of various environmental stressors—such as drought, salinity, temperature, light, and heavy metals—on the production of secondary metabolites, specifically essential oils (EOs) and phenolic compounds (PCs). The review encompasses studies published over the last two decades (2005-2024) and utilizes a systematic search strategy across multiple scientific databases, including Web of Science, PubMed, Scopus, Science Direct, and Google Scholar. Key search terms related to Lamiaceae and abiotic stress were employed to gather relevant literature.
The review synthesizes findings from 180 references, including research articles, reviews, book chapters, case studies, and clinical trials. It features five tables categorizing the effects of abiotic stress on individual EOs and PCs, alongside a figure that visually represents the relationship between these stress factors and the production of primary PCs and terpenoids in Lamiaceae medicinal and aromatic plants (MAPs). The results highlight the biological properties and potential industrial applications of these compounds, underscoring their significance in medicinal, industrial, and economic contexts.
Discussion
The discussion highlights the significant impact of environmental stressors, particularly climate change, on the production of secondary metabolites in Lamiaceae species, which are vital for both ecological balance and economic sustainability in the Mediterranean region. With projections indicating a doubling of extreme heat days and prolonged drought periods by 2050, these changes threaten the distribution and viability of many medicinal and aromatic plants (MAPs) such as oregano, thyme, and sage. The decline in these species, exacerbated by anthropogenic factors like overharvesting and habitat destruction, underscores the urgent need for conservation efforts to protect biodiversity and ensure sustainable management practices.
Drought and salinity are identified as critical abiotic stresses affecting the physiological and biochemical processes of Lamiaceae plants. Drought stress leads to reduced photosynthesis and increased production of reactive oxygen species (ROS), while plants employ various strategies, including the accumulation of osmolytes and activation of antioxidant systems, to mitigate these effects. Research indicates that drought can enhance the production of essential oils (EOs) and phenolic compounds (PCs) in several species, although responses vary significantly among different plants and stress levels. For instance, studies show that while some species like *Salvia officinalis* and *Thymus vulgaris* exhibit increased EO yields under drought conditions, others may experience declines in specific metabolite concentrations. Similarly, salinity impacts the chemical profiles of EOs and PCs, with varying effects depending on the species and salinity levels. Overall, the findings emphasize the complex interplay between environmental stressors and secondary metabolite production, highlighting the need for further research to optimize cultivation practices under changing climatic conditions.