تاثیر نانوذرات اکسید تیتانیوم بر بیان ژن‌های درگیر در تولید متابولیت‌های ثانویه گیاه دارویی پریوش (Catharanthus roseus)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، گروه علوم پایه، دانشگاه فرهنگیان، تهران، ایران

چکیده

هدف: گیاه دارویی پریوش با نام علمی Catharanthus roseus، منبع مهم آلکالوئیدهای ضدسرطان و ضدفشار خون است. به‏دلیل قیمت بالای این متابولیت­ها و محتوی اندک آنها در گیاه پریوش، تکنیک­های کشت­بافت برای افزایش تولید آنها پیشنهاد شده­اند. بنابراین، این مطالعه با هدف ارزیابی تاثیر نانوذرات اکسید تیتانیوم (TiO2) بر بیان ژن­های کلیدی مسیر بیوسنتز ترکیبات فعال مهم دارویی در گیاه پریوش انجام شد.
مواد و روش‌ها: از محیط موراشیک و اسکوگ (MS) به‏عنوان محیط پایه درکنار دو تنظیم­کننده رشد 2,4-D (mg/L 1) و BAP (mg/L 5/0) برای کشت برگ، القاء کالوس و تولید سوسپانسیون سلولی استفاده شد.کشت سوسپانسیون پریوش در پیک رشد سلولی با غلظت­های 0، 50 و 100 میلی­گرم در لیتر  نانوذرات TiO2 تیمار شد. در ادامه، 24، 48 و 72 ساعت بعد از تیمار، بیان ژن­های STR، SGD، DAT و PRX با تکنیک Real-Time PCR سنجش شد. از آزمون تترازولیوم نیز جهت سنجش زنده­مانی سلولی استفاده شد.
نتایج: هرچند تفاوت معنی­داری مابین درصد زنده­مانی بعد از تیمار 50 و 100 میلی­گرم در لیتر  نانوذرات TiO2 وجود نداشت، با اینحال، گذشت زمان (از 24 و 48 ساعت به 72 ساعت) باعث کاهش زنده­مانی سلولی شد. کاربرد غلظت بالاتر نانوذره TiO2 (از 50 به 100 میلی­گرم در لیتر) باعث افزایش بیشتر بیان ژن­های کلیدی مسیر بیوسنتز ایندول آلکالوئیدهای پریوش شد. این افزایش تا 48 ساعت بعد از تیمار ادامه یافت اما بعد از آن کاهش یافت. بیشترین بیان ژن­های STR، SGD، DAT و PRX به ترتیب با 290، 186، 193 و 287 درصد افزایش در 48 ساعت بعد از تیمار 100 میلی­گرم در لیتر نانوذره TiO2 (به عنوان موثرترین تیمار با بیشترین درصد زنده­مانی سلولی) بدست آمدند.
نتیجه‌گیری: در مواجه با نانوذرات TiO2، به عنوان یک الیسیتور و عامل تنش­زا، ابتدا بیان ژن­های درگیر در بیوسنتز ایندول آلکالوئیدها القاء می­شود تا دفاع در برابر عامل تنش­زا حاصل شود و بعد از گذشت زمان و کاهش علائم تنش­زا (نانوذره)، متعاقبا بیان ژن­های فوق کاهش می­یابد. درکل، غلظت 100 میلی­گرم در لیتر TiO2 و برداشت متابولیت­ها در 48 ساعت بعد از تیمار را می­توان بعنوان محرک امیدبخش افزایش محتوی ایندول آلکالوئیدها معرفی کرد. با توجه به نتایج، پیشنهاد می­شود که مکانیزم دقیق درگیر در این افزایش متابولیت مورد بررسی بیشتر قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The effect of titanium oxide nanoparticles on the gene expression involved in the secondary metabolite production of the medicinal plant periwinkle (Catharanthus roseus)

نویسنده [English]

  • Mohammad Abyari
Assistant Professor, Department of Science, Farhanghiyan University, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Objective
Medicinal plant periwinkle with the scientific name Catharanthus roseus is an important source of anticancer and antihypertensive alkaloids. Due to the high price of these metabolites and their small content in periwinkle plant, tissue culture techniques have been suggested to increase their production. Therefore, this study was carried out with the aim of evaluating the effect of titanium oxide nanoparticles (TiO2) on the expression of key genes of the biosynthetic pathway of important medicinal constituents in periwinkle.
 
Materials and methods
Murashige and Skoog (MS) medium was used as the basic medium along with 2,4-D (1 mg/L) and BAP (0.5 mg/L) plant growth regulators for leaf cultivation, callus induction, and cell suspension production. Periwinkle suspension culture was treated with concentrations of 0, 50, and 100 mg/l TiO2 nanoparticles at the peak of cell growth. Then, the expression of STR, SGD, DAT, and PRX genes was measured 24, 48, and 72 h after the treatment by Real-Time PCR. Tetrazolium test was also used to measure cell viability.
 
Results
Although there was no significant difference between the percentage of cell viability after 50 and 100 mg/L NP-TiO2 treatment; however, the passage of time (from 24/48 h to 72 h) caused a decrease in cell viability. The application of a higher concentration of nanoparticles increased the expression of the key genes involved in the biosynthetic pathway of indole alkaloids. This increase continued up to 48 h after treatment, but then reduced. The highest expressions of STR, SGD, DAT, and PRX genes were obtained by 290, 186, 193, and 287% increase, respectively, in 48 h after the treatment of 100 mg/l TiO2 nanoparticles (as the most effective treatment with the highest percentage of cell viability).
 
Conclusions
In the face of TiO2 nanoparticles, as an elicitor and stress-causing agent, the expression of the genes involved in the biosynthesis of indole alkaloids is induced to achieve defense against the stressful agent and then the expression of the genes decreases after the passage of time and reduction of stressful symptoms. In general, the concentration of 100 mg/l TiO2 and the extraction of metabolites in 48 h after the treatment can be introduced as a promising stimulus to increase the content of indole alkaloids. According to the results, it is suggested that the exact mechanism involved in this metabolite increase be further investigated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Periwinkle
  • Medicinal plant
  • Titanium oxide nanoparticles
  • Secondary metabolites

مراجع

عموآقایی ریحانه، مجیدی مینا (1400) تأثیر محلول پاشی نانوذرات دی اکسید تیتانیوم بر پاسخهای بیوشیمیایی، رشد، عملکرد و میزان اسانس گیاه زنیان (Carum copticum) تحت تنش شوری. روابط خاک و گیاه، 12(3)، 33-51.
فابریکی اورنگ صدیقه، درگاهی صالحه، پورابوقداره علیرضا (۱۳۹۷) اثرات نانومحرک دی اکسید تیتانیوم بر الگوی بیان ژن‌های مسیر بیوسنتز سنگوئینارین در مامیران کبیر (Chelidonium majus). فصلنامه علمی ژنتیک نوین، ۱۳ (۴) ،۵۲۳-۵۱۳.
کریمزاده فاطمه، حداد رحیم، گروسی قاسمعلی (۱۳۹۸) تأثیر نانوذرات روی و تیتانیوم بر بیان ژن‌های فنیل آلانین آمونیالیاز (PAL) و سینامیل الکل دهیدروژناز (CAD) در کشت سلولی گیاه کتان .(Linum usitatisimum) فصلنامه علمی ژنتیک نوین، ۱۴ (۲) ، ۱۷۷-۱۷۱.
مزارعی ایوبف، موسوی نیک سید محسن، قنبری احمد، فهمیده لیلا (1398) تأثیر محلولپاشی غلظت‌های مختلف اسید جاسمونیک و نانو ذرات دی‌اکسید تیتانیوم بر برخی صفات فیزیولوژیکی و فعالیت آنتی‌اکسیدانی مریم گلی (Salvia officinalis L).  نشریه زیست‌شناسی گیاهی ایران. 11، 1-22.
 
References
Akhtar SJ, Ahmad A (2017) Molecular network of monoterpene indole alkaloids (MIAs) signaling in plants with reference to Catharanthus roseus (L.) G. Don. In Stress Signaling in Plants. Genom Proteom Perspect 2, 37-67.
Aghaei R, Majidi M (2021) Effect of foliar spraying of titanium dioxide nanoparticles on biochemical responses, growth, yield and essential oil content of carum copticum under salinity stress. J Soil Plant Interact 12(3), 33-51 (In Persian).
Almagro L, Gutierrez J, Pedreño MA, Sottomayor M (2014) Synergistic and additive influence of cyclodextrins and methyl jasmonate on the expression of the terpenoid indole alkaloid pathway genes and metabolites in Catharanthus roseus cell cultures. Plant Cell Tissue Organ Cult 119(3), 543-551.
Dutta A, Batra J, Pandey-Rai S, Singh HD (2015) Expression of terpenoid indole alkaloid biosynthetic pathway genes corresponds to accumulation of related alkaloids in Catharanthus roseus (L.). Planta 220(3), 376-383.
Fabriki-Ourang S, Darghahi S, Pour-Aboughadareh A (2019) The effects of titanium dioxide nano-elicitor on the expression profile of sanguinarin biosynthesis pathway genes in greater celandine (Chelidonium majus L.). Mod Genet J (MGJ) 13(4), 513-523 (In Persian).
Hong F, Zhou J, Liu C, Yang F, Wu C, Zheng L, Yang P (2005) Effects of Nano TiO2 on photochemical reaction of chloroplasts of Spinach Biol Trace Elem Res 105, 269-279.
Karimzadeh F, Haddad R, Garoosi G (2019) The effects of nano-ZnO and nano-TiO2 on expression of Phenylalanine ammonia lyase (PAL) and Cinnamyl alcohol dehydrogenase (CAD) genes in cell culture of Linum usitatissimum L. Mod Genet J (MGJ) 14(2), 171-177 (In Persian).
Kumar S, Singh B, Singh R (2022) Catharanthus roseus (L.) G. Don: A review of its ethnobotany, phytochemistry, ethnopharmacology and toxicities. J Ethnopharmacol 284,114647.
Kazemi B, Ranjbar M, Rezayatmand Z, Ahadi AM (2022) Examination of the Effect of Application Time of Titanium and Methyl Jasmonate Nanoparticles on Physiological, Growth, and Biochemical Characteristics of Savory Daenesis (Satureja hortensis L). J Plant Proc and Func 11 (48), 315-337
Liu Y, Zhao D, Zu YT, Jiang Y, et al. (2010) Effects of low light on terpenoid indole alkaloid accumulation and related biosynthetic pathway gene expression in leaves of Catharanthus roseus seedlings. Bot Stud 52, 191-196.
Liu Y, Patra B, Singh SK, Paul P, Zhou Y, Li Y, Wang Y, Pattanaik S, Yuan L (2021) Terpenoid indole alkaloid biosynthesis in Catharanthus roseus: effects and prospects of environmental factors in metabolic engineering. Biotechnol Lett 43(11), 2085-2103.
Mazarie A, Mousavi-nik S, Ghanbari A, fahmideh L (2019) Effect of different spraying concentrations of jasmonic acid and titanium dioxide nanoparticles on some physiological traits and antioxidant system activity of Sage (Salvia officinalis L). IJPB 11(1), 1-22 (In Persian).
Mistry V, Darji S, Tiwari P, Sharma A (2022) Engineering Catharanthus roseus monoterpenoid indole alkaloid pathway in yeast. Appl Microbiol Biotechnol 106(7), 2337-2347.
Mingyu S, Hong F, Liu C, Wu X, Liu X, Chen L (2007) Effects of nano-anatase TiO2 on absorption, distribution of light and photo reduction activities of chloroplast membrane of spinach. Biol Trace Elem Res 118, 120-130.
Nair R, Varghese SH, Nair BG, Maekawa T, Yoshida Y, Kumar DS (2010) Nanoparticulate material delivery to plants. Plant Science 179, 154-163.
Pan Q, Mustafa NR, Tang K, Choi YH, Verpoorte R (2016) Monoterpenoid indole alkaloids biosynthesis and its regulation in Catharanthus roseus: a literature review from genes to metabolites. Phytochem Rev 15(2), 221-250.
Papon N, Bremer J, Vansiri A, Andreu F, Rideau M, Crèche J (2015) Cytokinin and ethylene control indole alkaloid production at the level of the MEP/terpenoid pathway in Catharanthus roseus suspension cells. Planta Medica 71, 572-574.
Pfaffl MW (2001) A new mathematical model for relative quantification in Real-Time RT–PCR. Nucleic acids Res 9(9), e45-e45.
Roseus S M, Farsi M, Mirshamsi KA (2017) Evaluation of ethylene effect on expression level of T16H, G10H, DAT and AVLBS genes in Catharanthus. Biology 9(2), 151-160.
Sibéril Y, Benhamron S, Memelink J, Giglioli-Guivarc'h N, Thiersault M, Boisson B, Gantet P (2014) Catharanthus roseus G-box binding factors 1 and 2 act as repressors of strictosidine synthase gene expression in cell cultures. Plant Mol Biol 45(4), 477-488.
Srivastava S, Pandey R, Kumar S, Nautiyal CS (2014) Correspondence between flowers and leaves in terpenoid indole alkaloid metabolism of the phytoplasma-infected Catharanthus roseus plants. Protoplasma 251(6), 1307-1320.
Sheikhalipour M, Gohari G, Esmaielpour B, et al. (2022) Melatonin and TiO2 NPs application-induced changes in growth, photosynthesis, antioxidant enzymes activities and secondary metabolites in Stevia (Stevia rebaudiana Bertoni) under drought stress conditions. Plant Growth Regul https://doi.org/10.1007/s00344-022-10679-1.
Perveen S, Safdar N, Yasmin A, Bibi Y (2022) DAT and PRX1 gene expression modulates vincristine production in Catharanthus roseus L. propagates using Cu, Fe and Zn nano structures. Plant Science 320, 111264.
Twaij BM, Hasan MN (2022) Bioactive Secondary Metabolites from Plant Sources: Types, Synthesis, and Their Therapeutic Uses. Int J Plant Biol 13, 4-14.
Wei S (2010) Methyl jasmonic acid induced expression pattern of terpenoid indole alkaloid pathway genes in Catharanthus roseus seedlings. Plant Growth Regul 61 (3), 243-251.
Yang F, Hong F, You W, Liu C, Gao F, Wu C, Yang P (2006) Influence of nanoanatase TiO2 on the nitrogen metabolism of growing spinach. Biol Trace Elem Res 110(2), 179-190.
Zhang L, Qing-Hui GA, Yuan-Gang ZU, Lei YAN, Yu-Liang MA, Yang, LIU (2014) Simultaneous quantitative determination of five alkaloids in Catharanthus roseus by HPLC-ESI-MS/MS. CJNM 12, 786-793
Zhao J, Zhu WH, Hu Q, HE XW (2001) Enhanced indole alkaloid production in suspension compact callus clusters of Catharanthus roseus: impacts of plant growth regulators and sucrose. Plant Growth Regul 33(1), 33-41.
Mezginezhad Z, Ghaderi M, Alizde Z, Izanloo A (2019) Effect of iron oxide and zinc oxide nanoparticles of on callus viability of seedless barberry. J Crop Breed 11 (30), 198-205.
Talebi F, Akbarpour V, Chalavi V (2022) Effect of methanol and titanium dioxide nanoparticles on phytochemical properties of artichoke (Cynara scolymus L.). J Crop Breed 14 (43),84-94.
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 15، شماره 2
خرداد 1402
صفحه 83-100

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار