Длительное пассирование и характеристика каллусных культур клеток Melissa officinalis L.

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Изучены морфологические, цитофизиологические и биохимические (образование фенольных соединений) характеристики популяции каллусных культур клеток мелиссы лекарственной (Melissa officinalis L.) – ценного лекарственного и эфиромасличного растения. Каллусные культуры получены из эксплантов гипокотилей и семядолей проростков in vitro и выращивались более полутора лет (19 пассажей культивирования). Установлено, что в течение первых семи пассажей прирост массы каллуса существенно не различался, однако при дальнейшем субкультивировании интенсивность роста культур (масса каллуса к концу цикла выращивания) повышалась. Максимальный прирост каллуса отмечен в 17–19 пассажах – ростовые индексы каллусов, инициированных из семядолей и гипокотилей, достигли 13.7 и 11.5 соответственно, что в 3.0–3.4 раза выше, чем в первых циклах выращивания культур. Полученные данные свидетельствуют о возможности длительного субкультивирования каллусных культур клеток мелиссы, в процессе которого происходит автоселекция клеток по признаку интенсивности роста. Впервые для культур клеток M. officinalis определена динамика прироста каллуса, плотности и жизнеспособности клеточной популяции, а также соотношения различных типов клеток в цикле выращивания культуры. Установлена продолжительность основных фаз роста клеточной популяции: лаг-фаза – с 1 по 6 сут.; фаза ускорения роста – с 6 по 10 сут. Экспоненциальная фаза роста проходила с 10 по 14 сут. и характеризовалась высокой удельной скоростью роста µ = 0.21 сут.–1 С 14 по 20 сут. зафиксирована фаза замедления роста культуры (µ = 0.05 сут.–1), которая сменилась фазой линейного роста (20–30 сут., µ = 0.08 сут.–1) и стационарной фазой (30–40 сут. ростового цикла). Таким образом, установлен “ступенчатый” характер роста культур, что может быть обусловлено наличием в культуре субпопуляций клеток с разной интенсивностью роста. При первичном скрининге в каллусах листового происхождения выявлены флавоноиды и фенолкарбоновые кислоты в количествах, сопоставимых с листьями интактных растений, что свидетельствует о сохранении у клеток in vitro способности образования вторичных метаболитов и перспективности проведения дальнейших исследований в этом направлении.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Н. А. Егорова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма”

Author for correspondence.
Email: yegorova.na@mail.ru
Russian Federation, Симферополь

О. B. Якимова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма”

Email: yegorova.na@mail.ru
Russian Federation, Симферополь

И. В. Белова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма”

Email: yegorova.na@mail.ru
Russian Federation, Симферополь

References

  1. Prawal Pratap Singh Verma, Anand Singh, Laiq-ur-Rahaman, Bahl J.R. Lemon balm (Melissa officinalis L.) an herbal medicinal plant with broad therapeutic uses and cultivation practices: a review // IJRAMR. 2015. V. 2. P. 0928.
  2. Shakeri A., Sahebkar A., Javadi B. Melissa officinalis L. – A review of its traditional uses, phytochemistry and pharmacology // J. Ethnopharmacol. 2016. V. 188. P. 204. https://doi.org/10.1016/j.jep.2016.05.010
  3. Паштецкий В.С., Тимашева Л.А., Пехова О.А., Данилова И.Л., Серебрякова О.А. Эфирные масла и их качество. Симферополь: ИТ “АРИАЛ”, 2021. 212 c. https://doi.org/10.33952/2542-0720-978-5-907506-16-9
  4. Virchea L.I., Gligor F.G., Frum A., Mironescu M., Myachikova N.I., Georgescu C. Phytochemical analysis and antioxidant assay of Melissa officinalis L. (lemon balm) // BIO Web of Conferences. 2021. V. 40. Art. 02004. https://doi.org/10.1051/bioconf/20214002004
  5. Alizadeh Behbahani B., Shahidi F. Melissa officinalis Essential oil: chemical compositions, antioxidant potential, total phenolic content and antimicrobial activity // Nutr. Food Sci. Res. 2019. V. 6. P. 17. https://doi.org/10.29252/nfsr.6.1.17
  6. Radomir A.M., Stan R. In vitro morphogenetic reaction of Melissa officinalis L.// Rom. J. Hortic. 2020. V. 1. P. 15. https://doi.org/10.51258/RJH.2020.02
  7. Petrova M., Nikolova M., Dimitrova M., Dimitrova L. Assessment of the effect of plant growth regulators on in vitro micropropagation and metabolic profiles of Melissa officinalis L. (lemon balm) // J. Microbiol. Biotech. Food Sci. 2021. V. 11. e4077. https://doi.org/10.15414/jmbfs.4077
  8. Егорова Н.А., Якимова О.В. Влияние длительного субкультивирования на клональное микроразмножение Melissa officinalis L. и Origanum vulgare L. // Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2019. Т. 47. С. 22. https://doi.org/10.17223/19988591/47/2
  9. Ghiorghita G.I., Maftei D.E.St., Nicuta D.N. Investigations on the in vitro morphogenetic reaction of Melissa officinalis L. species // Anal. Stiintifice ale Universitatii “AlexandruIoan Cuza”, Geneticasi Biologie Moleculara. 2005. V. 5. P. 119.
  10. Meftahizade H., Moradkhani H., Naseri B., Lofti M., Naseri A. Improved in vitro culture and micropropagation of different Melissa officinalis L. genotypes // J. Med. Plant Res. 2010. V. 4. P. 240.
  11. Aasim M., Kahveci B., Korkmaz E., Doganay F., Bakirci S., Sevinc C., Akin F., Kirtis A. TDZ-IBA induced adventitious shoot regeneration of water balm (Melissa officinalis L.) // J. Glob. Innov. Agric. Soc. Sci. 2018. V. 6. P. 35.
  12. Mokhtarzadeh S., Demirci B., Goger G., Khawar K.M., Kirimer N. Characterization of volatile components in Melissa officinalis L. under in vitro conditions // J. Essent. Oil Res. 2017. V. 29. P. 299. https://doi.org/10.1080/10412905.2016.1216900
  13. Mousavi S.-M., Shabani L. Rosmarinic acid accumulation in Melissa officinalis shoot cultures is mediated by ABA // Biol. Plantarum. 2019. V. 63. P. 418. https://doi.org/10.32615/bp.2019.057
  14. Ebrahimi M., Kiarostami K., Nazem Bokaee Z. Effect of salicylic acid on antioxidant properties of in vitro proliferated shoots of Melissa officinalis L. // Nova Biologica Reperta. 2019. V. 5. P. 420.
  15. Topdemir A., Gur N., Demir Z. Determination of total phenolic compounds and flavanoids in callus cultures of lemon grass (Melissa officinalis L.) stimulated with different plant growth regulators // Eur. J. Bio. Chem. Sci. 2018. V. 1. P. 7.
  16. Mousavi N., Razavizadeh R. Evaluation of changes in phenolic compounds and secondary metabolites of calluses and seedlings of Mellissa officinalis L. under cadmium heavy metal stress // J. Plant Process Funct. 2021. V. 10. P. 17.
  17. Nosov A.M. Application of cell technologies for production of plant-derived bioactive substances of plant origin // Appl. Biochem. Microbiol. 2012. V. 48. P. 609. https://doi.org/10.1134/S000368381107009X
  18. Решетников В., Спиридович Е., Фоменко Т., Носов А. Растительная биотехнология – способ рационального использования биосинтетического потенциала // Наука и инновации. 2014. Т. 5. С. 21.
  19. Efferth T. Biotechnology applications of plant callus cultures // Engineering. 2019. V. 5. P. 50. https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.11.006
  20. Кунах В.А. Біотехнологія лікарських рослин. Генетичні та фізіолого-біохімічні основи. Киев: Логос, 2005. 724 с.
  21. Kruglova N.N., Titova G.E., Seldimirova O.A. Callusogenesis as an in vitro morphogenesis pathway in cereals // Russ. J. Dev. Biol. 2018. V. 49. P. 245. https://doi.org/10.1134/S106236041805003X
  22. Якимова О.В., Егорова Н.А. Каллусогенез и морфогенез в культуре изолированных органов и тканей Мelissa officinalis L. in vitro // Ученые записки Таврич. нац. ун-та им. В.И. Вернадского. Серия “Биология, химия”. 2014. Т. 27. С. 191.
  23. Носов А.М. Методы оценки и характеристики роста культур клеток высших растений // Молекулярно-генетические и биохимические методы в современной биологии растений / Под ред. Вл.В. Кузнецова, В.В. Кузнецова, Г.А. Романова. Москва: БИНОМ, 2011. 386 с.
  24. Запрометов М.Н. Основы биохимии фенольных соединений. М.: Высшая школа, 1974. 214 c.
  25. Федосеева Г.М. Способ определения полифенольных соединений. Патент СССР, 1215708А. А 61 К 35/78. 1986.
  26. Титова М.В., Кочкин Д.В., Соболькова Г.И., Фоменков А.А., Сидоров Р.А., Носов А.М. Получение и характеристика каллусных культур клеток Alhagi persarum Boiss. et Buhse – продуцентов изофлавоноидов // Биотехнология. 2020. Т. 36. С. 35. https://doi.org/10.21519/0234-2758-2020-36-6-35-48
  27. Егорова Н.А. Биотехнология эфиромасличных растений: создание новых форм и микроразмножение in vitro. Симферополь: ИД “Автограф”, 2021. 315 с. https://doi.org/10.33952/2542-0720-2021-978-5-6045452-9-4
  28. Nosov A.V., Titova M.V., Fomenkov A.A., Kochkin D.V., Galishev B.A., Sidorov R.A., Medentsova A.A., Kotenkova E.A., Popova E.V., Nosov A.V. Callus and suspension cell cultures of Sutherlandia frutescens and preliminary screening of their phytochemical composition and antimicrobial activity // Acta Physiol Plant. 2023. V. 45. Art. 42. https://doi.org/10.1007/s11738-023-03526-7
  29. Инюткина А.Г., Егорова Н.А. Цитофизиологические особенности каллусной ткани полыни эстрагон // Вісн. Харк. нац. аграр. ун-ту. Серія Біологія. 2011. Т. 3. С. 67.
  30. Claudia A. Espinosa-Leal, Cйsar A. Puente-Garza, Silverio Garcia-Lara In vitro plant tissue culture: means for production of biological active compounds // Planta. 2018. V. 248. P. 1. https://doi.org/10.1007/s00425-018-2910-1
  31. Berezina E.V., Brilkina A.A., Schurova A.V., Veselov A.P. Accumulation of biomass and phenolic compounds by calluses Oxycoccus palustris PERS. and O. macrocarpus (AIT.) PERS in the presence of different cytokinins // Russ. J. Plant Physiol. 2019. V. 66. P. 67. https://doi.org/10.1134/S1021443718050035

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Callus cultures of M. officinalis obtained from explants: a – hypocotyl (passage 9); b – cotyledons (passage 9); c – leaf (passage 1). Scale: 10 mm.

Download (385KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Effect of passage and type of explant on the growth of M. officinalis callus during its long-term cultivation. 1 – cotyledon explant; 2 – hypocotyl explant.

Download (263KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Cell types in the callus culture of M. officinalis – meristem-like (a) and parenchyma-like cells: round (b), elongated (c), giant (d). Scale: 50 µm.

Download (422KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dynamics of changes in callus mass and viability of the cell population in the growth cycle of M. officinalis callus culture. 1 – callus mass; 2 – viability.

Download (322KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dynamics of change in callus mass in the growth cycle of M. officinalis callus culture in a semi-logarithmic coordinate system.

Download (198KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dynamics of change in callus density in the growth cycle of M. officinalis callus culture.

Download (227KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dynamics of changes in the ratio of different cell types in the growth cycle of M. officinalis callus culture. 1 – meristem-like; 2 – rounded parenchyma-like; 3 – giant parenchyma-like; 4 – elongated parenchyma-like.

Download (296KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences