Optimization of callus induction and cell suspension cultures of Catharanthus roseus

Document Type: Original article

Authors

1 Young ResearcherClub, Khoram Abad Branch, Islamic Azad University, Khoram Abad, Iran; Center of Agricultural Biotechnology and Center of Agricultural Research, University of Zabol, Zabol, Iran;

2 Center of Agricultural Biotechnology and Center of Agricultural Research, University of Zabol, Zabol, Iran;

3 Agronomy & Plant Breeding Department, Khoram Abad Branch, Islamic Azad University, Khoram Abad, Iran;

4 Medicinal Plants Department, Shahrekord Branch, Islamic Azad University, Shahrekord, Iran; Medicinal Plants Program, Collage of Natural Science, University of Massachusetts, Amherst, USA;

Abstract

Background & Aim: Investigation of suspension cell culture and callus production in Catharanthus roseus. Catharanthus roseus is an herbaceous perennial plant belongs to the family Apocynaceae. C. roseus is important as commercial medicinal plant because of its alkaloidal content. Whole plant contains about 130 alkaloids those are classified as vinca alkaloids. Vincristine and vinblastine; two anti-microtubular agents of vinca alkaloids are the first natural drugs utilized in cancer therapy. Monomeric alkaloids such as vindoline and catharanthin are precuser for other alkolids. These reasons are motives to its production by tissue culture. The goal of this investigation is to characterize the best level plant hormones in the in vitro culture. Experimental: Improvement experiment of production callus carried out in Factorial arrangement with three agents, Explant, amount of plant hormones (2, 4-D, and BAP). Comparison mean showed leave explants had callus in number of treatments but these callus were strong and stem explants had medium callus production in more treatment than leave explants. For improvement suspension culture used of Randomized complete with six treatment of plant hormones (2, 4-D, BAP, and KN) in three repeats. Results & Discussion: Number of the cell and dried weight cell measured for mean comparison. Variance analysis number of cells showed that had significant difference in p>0.01 and second treatment produced most cell numbers and so in dried weight cells had significant difference in p>0.01 and third treat produced most biomass in all treatments. Recommended applications/industries: Results of this study indicated that 2.5 mg/L 2, 4-D and 2 mg/L  BAP are suitable for  suspension cell culture and callus production in Catharanthus roseus.

Keywords


Article Title [Persian]

بهینه سازی کالوس زایی و کشت سوسپانسیون سلولی گیاه دارویی پروانش

Authors [Persian]

  • زیبا فولادوند 1
  • بهمن فاضلی نسب 2
  • رضا دریکوند 3
  • عبدالله قاسمی پیربلوطی 4
1 باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان دانشگاه آزاد اسلامی واحد خرم آباد، خرم آباد، ایران؛ پژوهشکده زیست‌فناوری کشاورزی و پژوهشکده کشاورزی دانشگاه زابل، زابل، ایران؛
2 پژوهشکده زیست فناوری کشاورزی و پژوهشکده کشاورزی دانشگاه زابل، زابل، ایران؛
3 گروه زراعت و اصلاح نباتات دانشگاه آزاد اسلامی واحد خرم آباد، خرم آباد، ایران؛
4 مرکز پژوهش های گیاهان دارویی و دام پزشکی سنتی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرکرد، شهرکرد، ایران؛
Abstract [Persian]

مقدمه و هدف: پروانش، گیاهی دارویی، حاوی بیش از 130 نوع آلکالوئید ایندولی ترپنوئیدی، دو آلکالوئید دایمری وین بلاستین و وین کریستین، دارای خاصیت ضد توموری و در درمان بسیاری از سرطان‌ها بکار می‌روند. در این پژوهش، هدف تعیین ترکیب هورمونی برای تولید کالوس و سوسپانسیون سلولی می‌باشد.  روش تحقیق: آزمایشکالوس زایی در قالب طرح فاکتوریل با سه عامل، ریز نمونه و سطوح هورمون‌هایBAP  و 2, 4-D اجرا شد. بافت برگ در تعداد کمی از تیمارها، کالوس زایی بالاتری ولی قطعات ساقه در تیمارهای هورمونی مختلف، سطوح متوسطی از کالوس زایی را داشتند. در آزمایش سوسپانسیون سلولی از طرح آماری کاملاً تصادفی با شش تیمار هورمونی مختلف (KN، BAP و 2, 4-D) در سه تکرار استفاده شد نتایج و بحث:تجزیه واریانس صفت تعداد سلول، برای تیمارهای سوسپانسیونی نشان داد که بین تیمارهای مختلف در سطح احتمال 1 درصد اختلاف معنی‌دار وجود دارد و تیمار دوم بیشترین تعداد سلول را در بازه‌های زمانی مساوی در مقایسه با دیگر ترکیبات هورمونی تولید کرده است. تجزیه واریانس وزن خشک سلول‌ها نشان داد که بین تنظیم‌کننده‌های مختلف در سطح احتمال 1 درصد اختلاف معنی‌داری وجود دارد، به‌طوری‌که تیمار سوم بالاترین تولید بیوماس را داراست. توصیه کاربردی/ صنعتی: در این پژوهش با توجه به نتایج به‌دست‌آمده می‌توان در تولید انبوه این گیاه دارویی در شرایط درون شیشه‌ای از میزان mg/l5/2 هورمون توفوردی و mg/l 2 بنزیل آمینوپورین  در محیط تولید کالوس در بافت برگ و ساقه این گیاه مناسب است،

Keywords [Persian]

  • کالوس سوسپانسیون برگ ساقه تنظیم‌کننده‌های رشد
Dutta, A., Singh, S., Kumar, S., Sen, J. 2007. Transcript profiling of terpenoid indole alkaloid pathway genes and regulators reveals strong expression of repressors in Catharanthus roseus cell cultures. Plant Cell Reports., 26: 907-915.

 Istiaqh, A., Tanveer, H., Irfan, A., Muhammad, N., Maryam, M., Muhammad, I. 2013. Leyhal effects of secondary metabolites on plant tissue culture. American-Eurasian journal agriculture & environment Science., 13(4): 539-547

Kalidass, C., Mohan, V.R., Daniel, A. 2010. Effect of auxin and cytokinin on vincristine production by callus cultures of Catharanthus Roseus l. (apocynaceae). Tropical and Subtropical Agroecosystems., 12: 283 - 288

Lee, E., Mobin, M., Hahn, EJ., Paek, KY. 2006. Effects of sucrose, inoculum density, auxins, and aeration volume on cell growth of Gymnema sylvestre. Journal of Plant Biology., 49: 427-431.

Mujib, A., Bandhyopadhyay, S., Ghosh, PD. 2000. Tissue culture derived plantlet variation in Caladium an important ornamental. Plant Cell, Tissue and Organ Culture., 10: 149-155.

Murashige, T., Skoog, F. 1962. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiol Plant., 15: 473-497.

Phillips, GC., Hubstenberger, JF., Hansen, EE. 1995. Plant regeneration by organogenesis from callus and cell suspension cultures. Plant Cell,Tissue and Organ Culture, pp. 67-78.

Sato, F., Hashimoto, T., Hachiya, A. 2001. Metabolic engineering of plant alkaloid biosynthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America., 98: 367-372.

Schmeller, T., Wink, M. 1998. Utilization of alkaloids in modern medicine. Plenum Press, New York , pp 435–459.

Senoussi, MM., Nora, B., Joe, C. 2009. Impact of hypoxia on the growth and alkaloid accumulation in Catharanthus roseus cell suspension. Acta Physiologiae Plantarum., 31: 359–362.

Gupta, S. and Bhattacharyya, B. 2003. Antimicrotubular drugs binding to vinca domain of tubulin. Molecular and cellular biochemistry., 253:41-47.

Taha, HS., El-Bahr, MK., Seif-El-Nasr, MM. 2008. In vitro studies on egyptian Catharanthus roseus (L.) G. Don.: 1- calli Production, direct shootlets Regeneration and alkaloids determination. Journal of Applied Sciences Research., 4: 1017-1022..

Valluri, JV. 2009. Bioreactor production of secondary metabolites from cell cultures of Periwinkle and Sandalwood. Methods in Molecular Biology., 547: 325-335.

Verpoorte, R., Van der Heijden, R., Memelink, J. 2000. Engineering the plant cell factory for secondary metabolite production. Transgene  Research., 9: 323–343.

Xu, M., Dong, J. 2005. Nitric oxide stimulates indole alkaloid production in Catharanthus roseus cell suspension cultures through a protein kinase-dependent signal pathway. Enzyme and Microbial Technology., 37: 49-53.

Zhao, J., Zhu, WH., Hu. Q., Guo, YQ. 2001. Compact callus cluster suspension culture of Catharanthus roseus with enhanced indol alkaloid biosynthesis. In Vitro Cellular and Developmental Biology – Plant., 37: 68-72.