تأثیر کیتوزان بر رشد درون‌شیشه‌ای (in vitro) و تولید متابولیت‌های زیست‌فعال در Lavandula angustifolia Mill.

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه زیست‌فناوری، دانشکده علوم، دانشگاه الانبار، رمادی 31001، عراق.

2 گروه زیست‌شناسی، دانشکده آموزش بانوان، دانشگاه الانبار، رمادی 31001، عراق

3 گروه زیست‌فناوری، دانشکده علوم، دانشگاه الانبار، رمادی 31001، عراق

4 گروه فارماکولوژی و سم‌شناسی، دانشکده داروسازی، دانشگاه الانبار، رمادی 31001، عراق

5 گروه کشاورزی حفاظتی، مرکز مطالعات بیابان، دانشگاه الانبار، رمادی 31001، عراق.

چکیده

هدف: تولید پایین متابولیت‌های زیست‌فعال همچنان یکی از محدودیت‌های اصلی در تولید تجاری اسطوخودوس محسوب می‌شود. کیتوزان به‌عنوان یک محرک مؤثر برای افزایش زیست‌ساخت متابولیت‌های ثانویه در شرایط in vitro پیشنهاد شده است. این مطالعه با هدف ارزیابی اثر کیتوزان، که یک مشتق زیستی از کیتین است، بر رشد و میزان ترکیبات فعال گیاهان اسطوخودوس کشت‌شده در شرایط in vitro انجام شد.
مواد و روش‌ها: یک طرح کاملاً تصادفی با چهار غلظت کیتوزان شامل 0، 50، 100 و 200 میلی‌گرم در لیتر مورد استفاده قرار گرفت. همچنین، برای هر تیمار، ده تکرار زیستی از گیاهچه‌های اسطوخودوس کشت‌شده در شرایط in vitro استفاده شد. پارامترهای رشد رویشی شامل ارتفاع گیاه، تعداد شاخه‌ها، تعداد برگ‌ها، وزن تر و وزن خشک پس از چهار هفته کشت ثبت شدند. برای تجزیه ‌ وتحلیل متابولیت‌های فرّار از روش GC–MS و برای اندازه‌گیری ترکیبات فنولی از روش HPLC استفاده شد.
نتایج: نتایج مطالعه حاضر نشان داد که رشد گیاه و تجمع متابولیت‌ها به‌طور معنی‌داری تحت تأثیر کیتوزان قرار گرفتند (p < 0.05). استفاده از کیتوزان با غلظت 100 میلی‌گرم در لیتر بیشترین میزان زیست‌توده را تولید کرد، به‌جز تعداد شاخه‌ها که بیشترین تعداد شاخه در غلظت 50 میلی‌گرم در لیتر مشاهده شد. این تیمار در مقایسه با شاهد، موجب افزایش ارتفاع گیاه (90 درصد)، وزن تر و وزن خشک درصد) شد. در این غلظت، بیشترین مقادیر ترکیبات کوئرستین، اسید رزمارینیک، لوتئولین، آپیژنین، اسید کافئیک و اسید فرولیک به‌ترتیب برابر با 6/95 ppm، 5/90 ppm، 7/88 ppm، 9/83 ppm، 4/81 ppm و 6/70 ppm بود. در مقابل، کیتوزان با غلظت 50 میلی‌گرم در لیتر موجب تجمع ترکیب 2-nitroethyl propionate شد، در حالی‌که غلظت 200 میلی‌گرم در لیتر باعث کاهش رشد و کاهش تجمع ترکیبات فنولی گردید که نشان‌دهنده اثرات بازدارنده در غلظت‌های بالاتر است.
نتیجه‌گیری: پژوهش حاضر نشان داد که کیتوزان می‌تواند رشد و تولید متابولیت‌های ثانویه در اسطوخودوس کشت‌شده در شرایط in vitro را به‌صورت وابسته به غلظت افزایش دهد. به‌طور کلی، غلظت 100 میلی‌گرم در لیتر به‌عنوان غلظت بهینه شناخته شد، زیرا بیشترین میزان زیست‌توده و تجمع ترکیبات فنولی را ایجاد کرد؛ اگرچه بیشترین تعداد شاخه در غلظت 50 میلی‌گرم در لیتر مشاهده شد. نتایج ما نشان داد که افزودن 100 میلی‌گرم در لیتر کیتوزان به محیط‌های کشت in vitro می‌تواند به‌عنوان یک راهبرد عملی برای بهبود تولید ترکیبات زیست‌فعال ارزشمند در اسطوخودوس مورد استفاده قرار گیرد. برای اعتبارسنجی مکانیسم‌های زیربنایی و حمایت از کاربرد تجاری، انجام مطالعات مولکولی و گلخانه‌ای بیشتر پیشنهاد می‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of chitosan on in vitro growth and bioactive metabolite production in Lavandula angustifolia Mill.

نویسندگان [English]

  • Mohammed A. Mohammed 1
  • Baraa H. Saleh 2
  • Ahmed O. Mashaan 3
  • M. S. Alrawi 4
  • Ali F. Almehemdi 5
1 Department of Biotechnology, College of Sciences, University of Anbar, Ramadi 31001, Iraq
2 Department of Biology, College of Education for Women, University of Anbar, Ramadi 31001, Iraq
3 Department of Biotechnology, College of Sciences, University of Anbar, Ramadi 31001, Iraq
4 Department of Pharmacology and Toxicology, College of Pharmacy, University of Anbar, Ramadi 31001, Iraq
5 Department of Conservation Agriculture, Center of Desert Studies, University of Anbar, Ramadi 31001, Iraq.
چکیده [English]

Objective
Low production of bioactive metabolites remains one of the major limitations in commercial production of Lavandula angustifolia. Chitosan has been proposed as an effective elicitor for enhancing secondary metabolite biosynthesis under in vitro conditions. This study aimed to evaluate the effect of chitosan, a biological derivative of chitin, on the growth and active compound content of lavender plants cultured in vitro.
Materials and methods
A completely randomized design with four chitosan concentrations (0, 50, 100, and 200 mg L⁻¹) was used. Moreover, ten biological replicates per treatment were used for in vitro cultured Lavandula angustifolia plantlets. Vegetative growth parameters, including plant height, branch number, leaf number, fresh weight, and dry weight were recorded, after four weeks of culture. GC–MS was used for analysing volatile metabolites and HPLC was applied for quantifying phenolic compounds.


Results
The results of the current study showed that plant growth and metabolite accumulation are significantly influenced by chitosan (p < 0.05). Using chitosan (100 mg L⁻¹) produced the highest biomass, except for number of branches that the greatest number of branches was recorded at 50 mg L⁻¹. This treatment, in comparison with the control increased plant height (90%), fresh weight (199%), and dry weight (142%). At this concentration, the highest levels for quercetin, rosmarinic acid, luteolin, apigenin, caffeic acid, and ferulic acid were 95.6 ppm, 90.5 ppm, 88.7 ppm, 83.9 ppm, 81.4 ppm, and 70.6 ppm, respectively. In contrast, 50 mg L⁻¹ chitosan induced the accumulation of 2-nitroethyl propionate, whereas 200 mg L⁻¹ reduced both growth and phenolic accumulation, indicating inhibitory effects at higher concentrations.
Conclusion
The current research showed that chitosan can successfully increase the growth and secondary metabolite production of Lavandula angustifolia cultured in vitro in a concentration-dependent manner. Overall, 100 mg L⁻¹ was the optimum concentration because it produced the highest biomass and phenolic accumulation, although the maximum branch number was observed at 50 mg L⁻¹. Our results showed that supplementing in vitro culture media with 100 mg L⁻¹ chitosan can be used as a practical strategy for improving the production of valuable bioactive compounds in lavender. For validation of the underlying mechanisms and support commercial application, it would be better to perform further molecular and greenhouse studies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • active compounds
  • chitosan
  • in vitro
  • lavender

مراجع

Abed, A. S., Majeed, D. M., Mohammed, M. A., & Al-Jibouri, A. M. J. (2020). In vitro influences of sugar nutrition and light condition on accumulation of some phytochemicals in Verbascum thapsus L. Plant Archives, 20(1), 1126–1130. https://www.academia.edu/89763175/
Alhassan, A. S., Alrawi, M. Sh., Al-Ameri, D. T., & Almehemdi, A. F. (2025). Effect of distillation duration on essential oil yield and composition of lavender Lavandula angustifolia grown in Iraq. Anbar Journal of Agricultural Sciences, 23(1), 339–353. https://doi.org/10.32649/ajas.2025.186647
Alrawi, M. S., Mohammed, M. A., Ismail, E. N., & Almehemdi, A. F. (2022). Stimulation and production of some active compounds in the chia plant with melatonin in vitro. Agronomy Research, 20(S1), 899–912. https://doi.org/10.15159/ar.22.070
Atteya, A. K. G., Bassiouny, A. A., Yahia, A., Shible, K., & El-Kinany, R. G. (2023). Impact of chitosan on growth, chemical components and essential oil yield of Lavandula officinalis plants. Journal of Agricultural and Environmental Sciences, 22(2), 264–288. https://doi.org/10.21608/jaesj.2024.174957.1040
Chianese, A., Gravina, C., Morone, M. V., Ambrosino, A., Formato, M., Palma, F., Foglia, F., Nastri, B. M., Zannella, C., Esposito, A., De Filippis, A., Piccolella, S., Galdiero, M., & Pacifico, S. (2023). Lavandula austroapennina: Assessment of the antiviral activity of lipophilic extracts from its organs. Viruses, 15(8), Article 1648. https://doi.org/10.3390/v15081648
de Melo Alves Silva, L. C., de Oliveira Mendes, F. C., de Castro Teixeira, F., de Lima Fernandes, T. E., Barros Ribeiro, K. R., da Silva Leal, K. C., Dantas, D. V., & Neves Dantas, R. A. (2023). Use of Lavandula angustifolia essential oil as a complementary therapy in adult health care: A scoping review. Heliyon, 9(5), Article e15446. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e15446
Delgado-Rivera, V. A., Serrano-Fuentes, M. K., Rivera-Villanueva, J. M., Pérez-Sato, J. A., & Bello-Bello, J. J. (2026). Chitosan nanoparticles as a biostimulant during in vitro multiplication of vanilla using temporary immersion bioreactors. Molecules, 31(2), Article 328. https://doi.org/10.3390/molecules31020328
Demasi, S., Caser, M., Lonati, M., Cioni, P. L., Pistelli, L., Najar, B., & Scariot, V. (2018). Latitude and altitude influence secondary metabolite production in peripheral alpine populations of the Mediterranean species Lavandula angustifolia Mill. Frontiers in Plant Science, 9, Article 983. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00983
Elateeq, A. A., Saad, Z. H., Eissa, M. A., & Ullah, S. (2021). Effect of chitosan and light conditions on production of callus biomass, total flavonoids and total phenolics in Ginkgo biloba L. Al-Azhar Journal of Agricultural Research, 46(1), 28–42. https://doi.org/10.21608/ajar.2021.218197
Fooladi Vanda, G., Shabani, L., & Razavizadeh, R. (2019). Chitosan enhances rosmarinic acid production in shoot cultures of Melissa officinalis L. through the induction of methyl jasmonate. Botanical Studies, 60(1), Article 26. https://doi.org/10.1186/s40529-019-0274-x
Husseini, Y., Sahraei, H., Meftahi, G. H., Dargahian, M., Mohammadi, A., Hatef, B., Zardooz, H., Ranjbaran, M., Hosseini, S. B., Alibeig, H., Behzadnia, M., Majd, A., Bahari, Z., Ghoshooni, H., Jalili, C., & Golmanesh, L. (2016). Analgesic and anti-inflammatory activities of hydro-alcoholic extract of Lavandula officinalis in mice: Possible involvement of cyclooxygenase type 1 and 2 enzymes. Revista Brasileira de Farmacognosia, 26(1), 102–108. https://doi.org/10.1016/j.bjp.2015.10.003
Kim, H. J., Chen, F., Wang, X., & Rajapakse, N. C. (2005). Effect of chitosan on the biological properties of sweet basil (Ocimum basilicum L.). Journal of Agricultural and Food Chemistry, 53(9), 3696–3701. https://doi.org/10.1021/jf0480804
Li, K., Xing, R., Liu, S., & Li, P. (2020). Chitin and chitosan fragments responsible for plant elicitor and growth stimulator. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 68(44), 12203–12211. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c05316
Miclea, I., & Chifor, R. (2018). Germination, in vitro propagation and acclimatization in Lavandula angustifolia. Bulletin of University of Agricultural Sciences and Veterinary Medicine Cluj-Napoca. Animal Science and Biotechnologies, 75(2), 1–8. https://doi.org/10.15835/buasvmcn-asb:2018.0017
Moghaddam, M., & Mehdizadeh, L. (2017). Chemistry of essential oils and factors influencing their constituents. In Soft chemistry and food fermentation (pp. 379–419). Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811412-4.00013-8
Mohammed, A. M., Abdulrazzaq, Z. M., & Almehemdi, A. F. (2020). Active compounds analysis in five roselle varieties using GC/MS. International Journal of Agricultural and Statistical Sciences, 16(Supplement 1), 1225–1233. https://connectjournals.com/03899.2020.16.1225
Neumann, K. H., Kumar, A., & Imani, J. (2020). Plant cell and tissue culture: A tool in biotechnology: Basics and applications (2nd ed.). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-49098-0
Nourozi, E., Hosseini, B., & Hassani, A. (2014). A reliable and efficient protocol for induction of hairy roots in Agastache foeniculum. Biologia, 69(7), 870–879. https://doi.org/10.2478/s11756-014-0382-8
Obata, T., & Fernie, A. R. (2012). The use of metabolomics to dissect plant responses to abiotic stresses. Cellular and Molecular Life Sciences, 69(19), 3225–3243. https://doi.org/10.1007/s00018-012-1091-5
Pirbalouti, A. G., Malekpoor, F., Salimi, A., & Golparvar, A. (2017). Exogenous application of chitosan on biochemical and physiological characteristics, phenolic content and antioxidant activity of two species of basil (Ocimum ciliatum and O. basilicum) under reduced irrigation. Scientia Horticulturae, 217, 114–122. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2017.01.031
Prusinowska, R., & Smigielski, K. B. (2014). Composition, biological properties, and therapeutic effects of lavender: A review. Herba Polonica, 60(2), 56–66. https://herbapolonica.pl/article/532723/en
Roman-Doval, R., Torres-Arellanes, S. P., Tenorio-Barajas, A. Y., Gómez-Sánchez, A., & Valencia-Lazcano, A. A. (2023). Chitosan: Properties and its application in agriculture in context of molecular weight. Polymers, 15(13), Article 2867. https://doi.org/10.3390/polym15132867
Sayafi, M., Pourmoslemi, S., Moradkhani, S. (2025). Exploring the chemical composition and bioactivity of Lavandula angustifolia essential oil: A GC analysis approach. Journal of Medicinal Plants By-Products, 14(2), 197–208. https://doi.org/10.22034/jmpb.2024.364861.1655
Sekhi, Y. S., Abdulkareem, A. A., & Almehemdi, A. F. (2025). Optimizing micropropagation and growth enhancement of Lavandula angustifolia using two cytokinins. Anbar Journal of Agricultural Sciences, 23(1), 667–678. https://doi.org/10.32649/ajas.2025.157326.1571
Sharma, A., Shahzad, B., Rehman, A., Bhardwaj, R., Landi, M., & Zheng, B. (2019). Response of phenylpropanoid pathway and the role of polyphenols in plants under abiotic stress. Molecules, 24(13), Article 2452. https://doi.org/10.3390/molecules24132452
Sun, W., Shahrajabian, M. H., & Petropoulos, S. A. (2023). Developing sustainable agriculture systems in medicinal and aromatic plant production by using chitosan and chitin-based biostimulants. Plants, 12(13), Article 2469. https://doi.org/10.3390/plants12132469
Viana, C. M., Freire, D., Abrantes, P., Rocha, J., & Pereira, P. (2022). Agricultural land systems importance for supporting food security and sustainable development goals: A systematic review. Science of the Total Environment, 806, Article 150718. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150718
Zhang, Z., Zhao, P., Zhang, P., Su, L., Jia, H., Wei, X., Fang, J., & Jia, H. (2020). Integrative transcriptomics and metabolomics data exploring the effect of chitosan on postharvest grape resistance to Botrytis cinerea. Postharvest Biology and Technology, 167, Article 111248. https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2020.111248
           
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 18، شماره 4
دی 1405
صفحه 553-574

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار