Ученые выяснили, что с помощью света можно контролировать количество антиоксидантов в клеточных культурах чая. Так, высокая освещенность запускает в клетках окислительные процессы, для борьбы с которыми растения активно синтезируют полифенолы — молекулы, используемые в медицине в составе противовоспалительных средств. Полученные данные помогут выращивать культуры с максимальной биологической ценностью и получать из них фармацевтически значимые вещества. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.
Свет необходим для нормальной жизнедеятельности растений — прорастания семян, формирования стебля и листьев, цветения и других процессов. Однако повышенная освещенность может создать стресс для растения, под действием которого в клетках начнут накапливаться активные формы кислорода — молекулы, повреждающие их мембраны, белки и ДНК. Чтобы бороться с активными формами кислорода, растение начинает вырабатывать антиоксиданты, в том числе полифенолы. Полифенолы интересны тем, что их используют в медицине при лечении и профилактике сердечно-сосудистых, воспалительных и инфекционных заболеваний. Поэтому ученые ищут способы получать из растений максимальное количество этих биологически активных соединений. Для этой цели перспективны каллусы — клеточные культуры растений, дающие возможность получать биоматериал круглогодично, в строго контролируемых условиях, с высоким выходом фармакологически ценных веществ, чего невозможно достичь в природных условиях.
Ученые из Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН (Москва) и Всероссийского национального научно-исследовательского института виноградарства и виноделия «Магарач» РАН (Ялта) исследовали, как в зависимости от освещенности меняется способность каллусных культур чая синтезировать полифенолы. Чай биологи выбрали потому, что это растение известно своими антиоксидантными свойствами и способностью к накоплению полифенолов, к которым относятся катехины — вещества, укрепляющие капилляры.
© Zubova et al. / International Journal of Molecular Sciences, 2024.Авторы выделили из стеблей чайного куста стволовые клетки, поместили их в питательную среду и спустя 40 дней получили каллусы. Затем эти клеточные культуры выращивали при разной интенсивности света: стандартной для клеточных культур — 5 000 люкс — и повышенных ее значениях — 7 500 люкс и 10 000 люкс. В таких режимах каллусы поддерживали в течение еще 40 дней, при этом каждые 10 дней эксперимента биологи отслеживали внешние изменения в культурах и брали образцы клеток для биохимического анализа.
Спустя 20 дней каллусы, выращиваемые при самом ярком освещении, позеленели. Это говорит о том, что часть каллусных клеток, исходно не образующих зеленый пигмент хлорофилл, под действием света приобрела эту способность. Таким образом, яркий свет ускорил специализацию клеток, в частности образование хлоропластов — важных поставщиков энергии и питательных веществ для жизнедеятельности растительных клеток. При менее ярком свете подобный процесс в культурах наблюдался позднее — на 30 день эксперимента.
Биохимический анализ показал, что во всех культурах на 1–10 сутки активировались окислительные процессы, которые, однако, замедлились к 20 суткам. Это произошло потому, что клетки адаптировались к световым режимам с помощью антиоксидантов, в частности, полифенолов. Так, на 40 день эксперимента уровень этих молекул в каллусах, выращенных при низкой и средней освещенности, на 25% превышал исходные показатели, а в культурах, испытавших воздействие яркого света, — на 60%.
«Наши эксперименты показали, что вне зависимости от яркости свет оказывал стрессовое воздействие на каллусные культуры чая, в результате чего в них повысилась выработка антиоксидантов, в частности полифенолов. Это поможет подбирать условия для круглогодичного получения максимального количества фармакологически ценных метаболитов из растительных культур, выращиваемых в лаборатории. В дальнейшем мы планируем исследовать, как меняется биосинтез других фармацевтически ценных веществ в растениях под действием света», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Наталья Загоскина, доктор биологических наук, руководитель группы фенольного метаболизма растений Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН.