Producción de metabolitos secundarios de plantas mediante el cultivo in vitro

Plant cell and tissue cultures are considered as an alternative source to the whole plant for the production of valuable compounds. Undifferentiated cell cultures have been extensively studied, but a large interest has also been shown in hairy roots and other organ cultures during the last years. Different in vitro strategies have been developed to increase the content of plant secondary metabolites. They have also allowed obtaining new substances, especially pharmaceuticals. The objective of this work was to approach the main scientific aspects about plant secondary metabolites production using in vitro culture. The in vitro techniques and strategies related with bioreactor culture, elicitation and metabolic engineering are notable as the most promising for the production of high-value secondary metabolites of industrial importance. This review deals with these aspects and future prospects for the production of valuable secondary metabolites in vitro.Key words: bioreactors, elicitors, metabolic engineering, natural compounds, organ cultureEl cultivo in vitro de células y tejidos es una fuente alternativa para la producción de valiosos compuestos activos a partir de plantas. El cultivo de células indiferenciadas ha sido objeto de numerosas investigaciones, sin embargo, un gran interés ha despertado en el cultivo de raíces y órganos durante los últimos años. Diferentes estrategias in vitro han sido desarrolladas con el objetivo de incrementar el contenido de metabolitos secundarios en plantas e incluso han permitido la obtención de nuevos compuestos de gran interés en la industria farmacéutica, fundamentalmente. Este trabajo persiguió como objetivo abordar los principales aspectos científicos de la producción de metabolitos secundarios de plantas mediante el uso del cultivo in vitro. Son notables las técnicas de cultivo empleadas así como las estrategias relacionadas con el empleo de biorreactores, procesos de elicitación y la ingeniería metabólica como las más promisorias para la producción de metabolitos secundarios de alto valor en la industria. En esta reseña se ponen en evidencia estos aspectos así como las perspectivas futuras de la producción de metabolitos secundarios in vitro.Palabras clave: biorreactores, compuestos naturales, cultivo de órganos, elicitores, ingeniería metabólic

Metabolismo de cardenólidos y transformación genética de Digitalis. Potencialidades y retos

Cardenolides are secondary metabolites produced by plants of the genus Digitalis. These are widely used in treatments of congestive heart failure. Failed attempts to obtain suitable cardenolide levels from in vitro culture of Digitalis plants have pointed genetic transformation as a promising strategy to obtain highly productive plants. Transformation systems have been already developed for Digitalis minor and Digitalis lanata to achieve this aim, whereas related investigations have been done in other species of the same genus. Selection of candidate genes for transformation depends on the analysis of the cardenolide biosynthesis pathway. The latter is partially established, from phytosterol oxidative degradation to progesterone reduction. Many authors point this reaction as the first specific key step of the pathway. However, the recent discovery of two genes encoding this enzyme activity in Digitalis purpurea, with different expression patterns, calls this statement into question. Pathway flexibility and possible connections with other hormone-related processes imply an additional challenge in this regard. Therefore, functional studies of these genes and their signaling pathways are required to improve design Digitalis transformation strategies, maximizing cardenolide productivity as well as minimizing hazardous side effects on transformed plants viability.Key words: cardiotonic glycosides, progesterone 5-â reductase, metabolic engineering.Los cardenólidos son metabolitos secundarios, producidos por las plantas del género Digitalis, que se utilizan ampliamente en el tratamiento de la insuficiencia cardíaca. El fracaso de los intentos por potenciar su producción a partir de técnicas de cultivo in vitro, ha señalado a la transformación genética como una estrategia promisoria para la obtención de plantas altamente productoras. Para alcanzar este objetivo se han desarrollado sistemas de transformación en Digitalis minor y Digitalis lanata, y existen trabajos científicos relacionados en otras especies del género. La selección de genes candidatos para la transformación de Digitalis requiere del conocimiento de la ruta de biosíntesis de cardenólidos, la cual está solo parcialmente establecida. Sin embargo, el descubrimiento reciente de dos genes que codifican esta actividad enzimática en Digitalis purpurea con patrones de expresión diferentes pone en duda esta aseveración. La flexibilidad de la ruta y sus posibles conexiones con otros procesos de síntesis de hormonas entrañan un reto adicional. Por lo tanto, se hacen necesarios estudios funcionales de estos genes y sus vías de señalización para el diseño de estrategias de transformación que maximicen la producción de cardenólidos con un mínimo de posibles efectos colaterales que pudieran dar al traste con la viabilidad de las plantas transformadas. Esta reseña bibliográfica pretende hacer una revisión acerca del metabolismo de los cardenólidos y los esfuerzos por transformar genéticamente plantas del género Digitalis. Sobre esta base se evalúan críticamente las potencialidades de transgenes candidatos para la obtención de plantas de Digitalis con una producción más elevada y estable de glicósidos cardíacos.Palabras clave: glicósidos cardíacos, progesterona 5-â reductasa, ingeniería metabólic

Escalado de la producción de biomasa de Cymbopogon citratus L. en biorreactores de inmersión temporal

Shoot-tips, collected from greenhouse-grown plants of Cymbopogon citratus L. (lemmon grass), were incubated on a semi-solid Murashige and Skoog (MS) medium with 30% (w/v) sucrose, and supplemented with 0.89 µM 6-benzyladenine (BA). After three weeks of culture shoots were individualized and then inoculated in 10 litres temporary immersion system (TIS) containing 3 litres of the same basal MS liquid medium. The effects of three immersion frequency (immersion every 12, 6 and 4 hours) on the production of biomass were studied. Three inoculum densities (forty, fifty and sixty shoots/TIS) were also tested. The biomass growth was inûuenced by the immersion frequency. The highest proliferation rate (17.3 shoots/explants) and the plant length (45.2 cm) were obtained in plants immersed every 4 h. Also, the fresh and dry biomass weight (153.4 gFW and 24.8 gDW, respectively) were higher in this treatment. The maximum biomass accumulation (185.2 gFW and 35.2 gDW) was achieved after 30 days of culture when an inoculum density of 60 explants per TIS was used. For the first time, biomass of C. citratus has been produced in10 litres TIS. These results represent the first step in the scaling-up the biomass production of this medicinal plant in large temporary immersion bioreactors. Key words: automation, biomass growth, lemmon grass medicinal plant, tissue cultureSe colectaron apices meristemáticos de Cymbopogon citratus L. (c) (caña santa) a partir de plantas cultivadas en invernaderos. Los ápices fueron incubados en un medio de cultivo semisólido Murashige y Skoog (MS) con 3% (m/v) de sacarosa y 0.89 µM de 6-benciladenina (BA). Los brotes fueron individualizados después de tres semanas de cultivo e inoculados en sistemas de inmersión temporal de 10 litros de capacidad, los cuales contenían 3 litros de medio de cultivo líquido de igual composición. Se estudió el efecto de tres frecuencias de inmersión (cada 12, 6 y 4 horas) en la producción de biomasa. También, se determinó el efecto de la densidad de inóculo. El crecimiento de la biomasa estuvo influenciado por la frecuencia de inmersión. La mayor proliferación de brotes (17.3 brotes/explantes), así como la mayor longitud de la planta (45.2 cm) se obtuvo en el tratamiento con una inmersión cada 4 h. La masa fresca y seca fueron también superiores en este tratamiento (153.4 gMF y 24.8 gMS, respectivamente). Después de 30 días de cultivo la máxima acumulación de biomasa se obtuvo cuando se utilizó una densidad de inóculo de 60 explantes por SIT (185.2 gMF y 35.2 gMS). Por primera vez, se logró producir biomasa de C. citratus en sistemas de inmersión temporal de 10 litros. Estos resultados representan el primer paso hacia el escalado de la producción de biomasa de esta planta medicinal en sistemas de inmersión temporal de gran capacidad. Palabras clave: automatización, caña santa, crecimiento de biomasa, cultivo de tejidos, planta medicinal Abbreviations: BA, 6-benzyladenine; MS, Murashige and Skoog basal medium; DW, dry weight; FW, fresh weight; SEM, scanning electron microscope; TIS, temporary immersion system

Efecto del CO2 en la germinación de embriones somáticos de Coffea arabica L. cv. ‘Caturra rojo’ y Clematis tangutica K.

The in vitro environment is a factor that in recent years has begun to investigate, because gases such as oxygen, carbon dioxide and ethylene play an important role in the morphogenesis of somatic embryos and their development in plants. The objective of this work was to determine the effect of the CO2 on the germination of coffee somatic embryos (Coffea arabica L. cv. 'Caturra rojo') and clematis (Clematis tangutica K.). Three gas mixtures composed of CO2 concentrations (2.5, 5.0 and 10.0%) combined with 21% O2 and two controls (passive exchange and forced ventilation) were used. A positive effect of CO2 on the germination of somatic embryos in the torpedo stage in coffee and clematis was obtained, because in the treatments with passive exchange, where there was CO2 accumulation, germination of the somatic embryos was superior to the treatments with Forced ventilation. With 2.5% and 5.0% CO2, the germination process is stimulated while with 10.0% CO2 there is an inhibition of germination with the appearance of malformations and hyperhydricity. Keywords: gaseous atmosphere, carbon dioxide, somatic embryogenesis, secondary embryogenesis, hyperhydricityEl ambiente in vitro es un factor que en los últimos años se ha comenzado a investigar, debido a que los gases como el oxígeno, dióxido de carbono y el etileno juegan un papel importante en la morfogénesis de los embriones somáticos y su desarrollo en plantas. El objetivo de este trabajo fue determinar el efecto del CO2 en la germinación de embriones somáticos cafeto (Coffea arabica L. cv. ‘Caturra rojo’) y clematis (Clematis tangutica K.). Se emplearon tres mezclas de gases compuesta por concentraciones de CO2 (2.5, 5.0 y 10.0%) combinada con 21% O2 y dos controles (intercambio pasivo y ventilación forzada). Se obtuvo un efecto positivo del CO2 sobre la germinación de los embriones somáticos en etapa de torpedo en cafeto y clematis, porque en los tratamientos con intercambio pasivo, donde hubo acumulación de CO2, la germinación de los embriones somáticos fue superior a los tratamientos con ventilación forzada. Con 2.5% y 5.0% de CO2 se estimula el proceso de germinación, mientras que con 10.0% de CO2 se produce una inhibición de la germinación con la aparición de malformaciones e hiperhidricidad. Palabras clave: atmósfera gaseosa, dióxido de carbono, embriogénesis somática, embriogénesis secundaria, hiperhidricida

Efecto de la densidad de inóculo y la frecuencia de inmersión en la propagación in vitro de Psidium guajava cv. Enana roja en sistemas de inmersión temporal

The objectives of the present work were to study the effect of the inoculation density and the immersion frequency in the multiplication of guava explants in temporary inmersion systems. Systems with flasks of 1.0 liter of capacity with 0.2 liters of culture medium were used. The best results were obtained when 20 explants for flask were inoculated and cultured with a frequency of four immersions a day and after 21 days the culture medium was renovated. After 42 days a multiplication rate of 44.7 was obtained. Hyperhidric explants were observed independently of the immersion frequency with a smaller affectation in the multiplicated explants in the treatment with four immersions per day. With the objective of achieving the elongation the explants were transferred to systems with flasks of 10 liters of capacity with 3.0 L of culture medium. They were cultured with four immersions per day during 21 days, lapsed this time the culture medium was renovated totally by 5.0 l of rooting culture medium. The number of immersions decreased to one per day and the effect of forced ventilation in the quality of the obtained explants was evaluated. During the rooting phase the multiplication rate increased (70.3), but under acclimatization conditions the explants survival was only achieved (21.8%) in the treatment with forced ventilation.Key words: automation, guava, liquid culture medium, temporary immersion systemsEl presente trabajo tuvo como objetivos estudiar el efecto de la densidad de inóculo y la frecuencia de inmersión en la multiplicación de explantes de guayaba en sistemas de inmersión temporal. Se utilizaron sistemas con recipientes de 1.0 litro de capacidad con 0.2 litros de medio de cultivo. Los mejores resultados se obtuvieron al emplear 20 explantes como densidad de inóculo, con una frecuencia de cuatro inmersiones al día y renovando el medio de cultivo a los 21 días, con lo cual se obtuvo un coeficiente de multiplicación de 44.7 a los 42 días de cultivo. Independientemente de la frecuencia de inmersión empleada se observó la presencia de explantes hiperhidratados, con una menor afectación en los explantes multiplicados en el tratamiento con cuatro inmersiones por día. Con el objetivo de lograr la elongación de los explantes, estos fueron transferidos a sistemas con frascos de 10 litros de capacidad y 3.0 litros de medio de cultivo. Se realizaron cuatro inmersiones por día durante 21 días de cultivo, transcurrido este tiempo el medio de cultivo fue renovado totalmente por 5.0 l de medio de cultivo de enraizamiento. El número de inmersiones se redujo a una por día y se evaluó el efecto de la ventilación forzada sobre la calidad de los explantes obtenidos. Durante la fase de enraizamiento se incrementó el coeficiente de multiplicación (70.3), pero en condiciones de aclimatización sólo se logró la supervivencia de un 21.8% de los explantes producidos en el tratamiento con ventilación forzada.Palabras clave: automatización, guayaba, medio de cultivo líquido, sistemas de inmersión tempora