17

مجله ایمنی زیستی

1396، پاییز 3، شماره 10دوره

های ثانویه از طریق مهندسی ژنتیک و کشت بافت تولید متابولیت

یغالماکبر یعل

کارشناسی ارشد رشته بیوتکنولوژی کشاورزی دانشگاه شهید مدنی آذربایجان آموختهدانش

Gholami.2359@gmail.com

چکیده

شامل اولیه هایمتابولیت شوند.می شناخته متابولیسمعنوان به دهد،می روی گیاهان در که شیمیایی هایواکنش

این جزء که بیوشیمیایی ترکیبات سایر .باشندمی هاچربی و هاپروتئین ها،کربوهیدرات یعنی مهم بیوشیمیایی ترکیبات

دارویی، ترکیبات مانند مواد از وسیعی دامنه که شوندمی شناخته ثانویههایمتابولیتوان عن به ،نباشد گروه سه

یهاتکنیك ینترمهم از یکی گیاهی بافت کشت. شوندمی شامل را طبیعی هایرنگ و هاکشحشره غذایی، هایچاشنی

. باشدمی محدود بسیار طبیعی رایطش در مواد این تولید پتانسیل زیرا .است ثانویه هایمتابولیت صنعتی تولید

با این .مویین هایریشه کشت و اندام کشت سلول،کشت :ازاند عبارت عمدتا زمینه این در استفاده مورد هایتکنیك

فقط زمانی ممکن است ،کاربرد صنعتی باهای سلولی گیاهی برای تولید ترکیبات مهم دارویی استفاده از کشت حال،

.شودنظر حاصل مورد یهاکه بیشتر از یك محصول از کشتو یا این شودن بسیار زیادی تولید که محصول به میزا

نیست. یرپذمرسوم انتخاب الین سلولی و سایر پارامترهای مرتبط با افزایش رشد یا تولید امکان یهااین امر با روش

مربوط به مراحل کنندهیمتنظ یهاند تا بتوان ژنها بررسی شوآن کنندهیمباید مسیرهای متابولیك و مراحل تنظ ینبنابرا

برخی تولید در هاتکنیك این از استفاده که گفت توانمی کلی طوربه .کرد overexpressمحدود کننده تولید را

باشد. داشته همراه به را باالیی سود اقتصادی تواندمی طبیعی دارویی ترکیبات

هندسی ژنتیك، کشت بافتثانویه، مهایمتابولیت: کلمات کلیدی

مقدمه

ازدسته دو گیاهى هاىسلول خصوصا ،هاسلول

و اولیههاىمتابولیت ،کنندمى تولید را ترکیبات

رشد در مستقیما اولیههاىمتابولیت. ثانویههاىمتابولیت

ها،کربوهیدرات شامل و هستند درگیر متابولیسم و

در. باشندمی نوکلئیك اسیدهاى و هاپروتئین لیپیدها،

تولید فتوسنتز فرایند طى اولیههاىمتابولیت گیاهان

ینیآفرنقش سلول ترکیبات ساخت در سپس و شده

ارزش با و زیاد حجم در ترکیبات این. کنندمى

مادهعنوان به عمدتا و شوندمى تولید ینپای اقتصادى

. دارند کاربرد هاافزودنى و ییمواد غذا صنعت، خام

اولیه هاىمتابولیت بیوسنتز از ثانویه هاىولیتمتاب (.1)

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

"1396، پاییز 3، شماره 10دوره مجله ایمنی زیستی "

18

انتهایى و فرعى ترکیباتعنوان به و آیندمى دست به

این همچنین. شوندمى گرفته نظر در یهاول یسممتابول

. شوندنمى وارد متابولیسمى فرآیندهاى در ترکیبات

ها،فنولیك آلکالوئیدها، ثانویه هاىمتابولیت ینترمهم

و هاتانن ها،لیگنین استروئیدها، ضرورى، هاىروغن

در عمدتا ثانویه هاىمتابولیت. هستند فالوونوئیدها

تولید گیاهان سلسله از خاصى هاىخانواده و هاگونه

یرهذخ سلول در کمى مقدار به ترکیبات این. شوندمى

مرحله در و تخصصى هاىسلول در عمدتا و شده

همین و شوندمى یدتول گیاه زندگى چرخه از خاصى

با مقایسه در را هاآن تخلیص و استخراج امر

شوند،مى تولید هاسلول تمام در که اولیه هاىمتابولیت

میزانلحاظ از دارویى گیاهان. کندمى دشوار

هاآن ترکیبات و هستند غنى بسیار ثانویه هاىمتابولیت

.(1) نامندمى Officinal یا Medicinal انگلیسى در را

ثانویه هایانواع متابولیت

ها،ترپن یعنی اند،مهم گروه سه دارای هامتابولیت

و( N) نیتروژن حاوی ترکیبات و فنلی ترکیبات

( C-5) پنتانوئیدایزو هایواحد از هاترپن(. S) سولفور

خوارانگیاه از زیادی تعداد تغذیه از و اندشده یلتشک

تولیدات از فنولی رکیباتت یهاول سنتز .کنندمی ممانعت

را دفاعی نقش چندین و است اسید شیکومیك مسیر

گروه ترکیبات این سوم عضو. کنندمی ایفا گیاهان در

اساس که S و N دارای ترکیبات یعنی است، بزرگی

(.2) است عمومی هاییدآمینهاس از سنتز هاآن

هاترپن – 1

را انویهث هایمتابولیت از گروه ترینبزرگ هاترپن

منش با عمومی شده سنتز مواد با که دهندمی تشکیل

پیوند گلیکولیتیك یهاحد واسط یا A کوآنزیم استیل

ترپنی هایساختمان از وسیعی گستره .شوندمی

هایمتابولیت عنوان تحت گیاهان یلهوس به متفاوت

صورت به رسدمی نظر به که اندید شدهتول ثانویه

از زیادی شمار علیه ایتغذیه هایبازدانده یا سموم

نمایند عمل گیاهان کننده تغذیه پستانداران و حشرات

(3.)

هامنوترپن -(الف

حشرات برای ایعمده سمی مواد مشتقات این بیشتر

موجود( منوترپنی هایاستر)ها پیرتروئید هستند، مثال

قوی یهاکشحشره که داودی گونه هایگل در

بالپوشان، سخت نظیر حشراتی علیه( نوروتوکسین)

درنظر مورد اجزای و دارند غیره و هازنبور و بید

دوام کم ،محیط درکه چرا اندتجاری هایکشحشره

برای پایینی سمیت و داشته پایینی کارنس دوره و بوده

(.4دارند ) پستانداران

(C15) هاترپن سزکوی -(ب

ها Costunolide همانند ترکیبات این از تعدادی

و دارند گیاهان در دفاعی نقش که اندشده گزارش

حلقه یك با که کمپوزیته خانواده خواریگیاه ضد مواد

شونده مانع که( حلقوی استر) عضوی 5 الکتون

(.5) شودمی محسوب حشرات از بسیاری در ایتغذیه

(C20) هاترپندی -(ج

درختان و کاج در که است ترپندی یك آبیتیك اسید

هایکانال داخل در رزین همراه یا درون بقوالت هتیر

هاکانال این که یوقت. شودمی یافت درخت تنه رزین

رزین ،شودمی سوراخ کننده تغذیه حشرات یلهوس به

فیزیکی، مانعصورت به است ممکنشده خارج

شیمیایی شونده مانع و کند متوقف را حشره تغذیه

این دیگر ترکیبات زا. باشد پروداتوری ادامه برای

فرفیون تیره گیاهان در( ترپندی استر) فوربول گروه

عمل پوستخارش دهنده به عنوان و شودمی یافت

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

" ...مهندسی ژنتیکیثانویه از طریق هاییتمتابوللید تو، غالمی"

19

(.4است ) پستانداران داخلی سموم از و کندمی

(C30) هاترپنتری –( د

قرار گروه این در( استرول) الکل استروئید چندین

یژهو به لولی،س یغشاها در مهمی ترکیبات و دارند

اسید هایزنجیره جابجایی در و پالسمایی غشاء در

چندین یاهیگ یرهش آیند.میحساب به چرب

باعث که کندمی تولید (استرول) تلخ گلوکوزید

هادام و حشرات اکثر خواران،گیاه علیه گیاه محافظت

با دفاعی هاینقش از بعضی در هافیتواکسین .شودمی

های فیزیولوژیکی فرایند نمو و ی،اندازپوست قطع

(.6) شوندمی مرگ حشره، سبب

n (C5) هاترپنپلی -(ه

های زیادی با وزن مولکولی باال در گیاهان ترپنپلی

پلی وهای طویل شامل تتراترپن ترپن :وجود دارند

کارتنوئید هایرنگدانه خانواده پایه هاترپنتترا .ترپن

اند،گیاهی هاییكپالست ترکیبات سایر .هستند

که ایزوپنتیل واحد 1500-15000 شامل پلیمرهایی

فضایی ساختار در( C-C) دوگانه باندهای تمام تقریبا

گاتا پالستیك در کهیحال در هستند (Z) یسس

(gutta )ترانس فضایی ساختار در دوگانه هایباند (E )

یافت التیسفر بنام بلند هایلوله در هایكپالست .هستند

هازخم التیام برای را مکانیکی حفاظت که شوندیم

دفاعی ماده یكصورت به طور ینهم و کندمی فراهم

(.7) کنندمی عمل خواریگیاه ضد

فنولی ترکیبات -2

تولید را متنوع ثانویه تولیدات از گروهی گیاهان

گروه یكو است فنلی گروه یك حاوی که کنندمی

دارند آروماتیك حلقه روی هیدروکسیل که عملکردی

گروه این. هستند نامتجانسی گروه شیمیایینظر و از

و آفات علیه گیاه دفاعی سیستم از مهمی بخش

. است ریشه پارازیت هاینماتد شامل هایبیماری

را فنول کل محتوی( ppb32.4 یعنی) ازون افزایش

(.8) دهدمی افزایش

کومارین -(الف

عملکرد و اندپراکنده اهانگی در که ساده فنلی ترکیبات

حشرات علیه گیاه دفاعی هایمکانیسم در هاآن

.است متفاوتی هایظرفیت دارای هاقارچ و خوارگیاه

و هستند شیکمیك مسیر اسید حاصل ترکیبات این

دارند حضور گیاهان و هاقارچ ها،باکتری در عموما

(.9) ندارند وجود جانوران در ولی

ینکومار فورانو -(ب

گیاهی سمیت برای ویژه تمایل با کومارین نوع یك

شامل چتریان خانواده اعضای در فراوانی به که

این. شودمی دیده وحشی هویج و کرفس، جعفری

نیستند و سمی ،نشوند فعال تا طبیعیطور به ترکیبات

شرایط در ترکیبات این UV-A نور شرایط در

در توانندمی و دگیرنمی قرار باال یانرژ با الکترونی

پیریمدینی بازهایو با وارد DNA مضاعف مارپیچ

ترمیم فرایند و یبردارنسخه توقف باعث و شده باند

DNA (.10شوند ) سلولی مرگ یتاو نها

لیگنین -(ج

پروپانوئیدفنیل هایگروه از باالیی انشعابات با پلیمری

، Coniferyl شامل است، یافته تشکیل الکل سه از که

Coumaryl وSinapyl اکسید آزاد هایرادیکال که

تحریکی واکنش پروکسیداز آنزیم زیاد، میزان به شده

شدن لیگینی .دهدمی لیگنین تشکیل در را تصادفی و

پاسخی شود کهمی زابیماری عامل رشد توقف باعث

(.11) است زخم یا آلودگی به تکراری

هافالونوئید -(د

ترکیبات هایکالس ترینزرگب از یکی هافالونوئید

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

"1396، پاییز 3، شماره 10دوره مجله ایمنی زیستی "

20

در متفاوتی هایعملکرد هستند که یاهاندر گ فنلی

و هارنگدانه ایجادجمله از ،کنندمی ایفا گیاهی سیستم

ترکیبات این از عمده گروه دو(. 12) گیاهان از دفاع

فالونول و هافالون شامل که شوندمی یافت هاگل در

UV-Bعشع تش از هاسلول حفاظتی عملکرد در که

پوست الیه در ترکیبات این که چرا .کنندمی ایفا نقش

منطقه این در را نور و یابندمی تجمع هاساقه و هابرگ

مرئی نور امواج که است حالی در این .کنندمی جذب

این بر عالوه(. 13) کندمی عبور پیوستهصورت به

شودمی ماده دو این افزایش عثبا UV-B نور افزایش

تشعشع مقابل در را گیاهان ،ترکیبات این واقع در و

(.8) یندنمامی محافظت UV-B اشعه باریانز

هاایزوفالونوئید –( و

ناریگنین فالونون، حد واسط از مشتق ترکیبات این

در مهمی نقش و دارند وجود گیاهان در که است

ترکیبات این. دارند گیاه دفاعی هایپاسخ و توسعه

در مهمی نقش و شوندمی ترشح تبقوال وسیلهبه

ایفا همزیست هایریزوبیوم هایگره تشکیل ارتقاء

(.14) کنندمی

هاتانن -( ه

گیاه فنلی هایپلیمر از دومی گروه شامل ترکیبات این

جرم ها دارایتانن اغلب .هستند دفاعی خواص با

هاتانن عموما .دالتون هستند 600 و 300 بین مولکولی

بقا و رشد چشمگیریطور به و دارند سمی خاصیت

عنوان به طور ینهم و دهندمی کاهش را خوارانگیاه

از وسیعی طیف یك در ایتغذیه هبازدارند ماده

این خواریاهگ پستانداران در .کنندمی عمل حیوانات

که کنندمی تند ناخوشایند بوی یك ایجاد ترکیبات

(.15ست )ا هاآن بزاقی هایپروتئین اتصال نتیجه

سولفور حاوی هایمتابولیت – 3

ها،فیتوآلکسین ،GSH ،GSL شامل ترکیبات این

مستقیم طور به که باشندمی آلینین و دیفنسین تیونین،

زایبیماری عوامل علیه گیاهان دفاع با غیرمستقیم و

(.16) دارند ارتباط میکروبی

GSH -(الف

گیاهی ولمحل بخش در آلی سولفور از ترکیب یك

سولفور ذخیره جابجایی در مهمی نقش که است

و است گیاهی نمو و رشد تنظیم در یافتهکاهش

زااسترس هایپاسخ در اکسیدانتآنتی یك صورتبه

همانند یافته تخصص هایسلول(. 17کند )می عمل

این سنتز هاییماز آنز باالیی فعالیت ،گیاهی هایکرک

برای را گیاهی هایکننده کالت سایر و ترکیب

(.18) دهندمی نشان سنگین فلزات ییزدایتسم

GSL [1] -(ب

و سولفور حاوی گیاهی هایگلوکوسید از گروهی

وسیله به که ،هستند پایین مولکولی جرم با نیتروژن

اثرات علیه مقاومت افزایشمنظور به عالی گیاهان

ترشح هاپارازیت و رقبا شکارچیان، نامطلوب

شدن شکسته با ترکیبات این کهاین سبب به. وندشمی

یا سمی اثرات ،شوندمی آزاد فرار دفاعی مواد

در گلوکوسید مثل ،گذارندمی نمایش به بازدارنده

(.19خردل ) روغن

هاآلکسین فیتو –( ج

یا باکتریایی هایآلودگی به پاسخ در هافیتوآلکسین

اینکه شوندیم سنتز هااسترس دیگر اشکال یا قارچی

با را مهاجم زایبیماری عوامل پراکندگی یند،فرآ

یك و کنندمی محدود آلودگی محل اطراف در تجمع

زابیماری هایمیکروب به مقاومت عمومی مکانیسم

(.20شوند )می محسوب گیاهان از بخشی در

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

" ...یمهندسی ژنتیکثانویه از طریق هاییتمتابوللید تو، غالمی"

21

هالکتین و هاتیونین ها،دفینسین –( د

گیاهی ایذخیره غیر هایپروتئین ترکیبات این همه

تجمع و سنتز شده میکروبی حمله از پس که هستند

خشب رشد بازدارنده ترکیبات، این همه(. 21) یابندمی

ضد هادفینسین از بعضی هستند، هاقارچ از زیادی

دارند نیز باکتریایی ضد فعالیت گاهی و بوده قارچ

لقاءا پاتوژن نسبتا دیفنسین هایژن این بر عالوه (.22)

اندمقاومت با درگیر که ترکیبات یرو سا ستنده

(.23) باشند داشته همیشگی بیان توانندمی

نیتروژن حاوی هایمتابولیت -4

سیانوژنیك ها،لکالوئیدآ شامل ترکیبات این

. است نیپروتئیغیر هایآمینه اسید ها وگلوکوسید

سنتز عادی هایآمینه اسید از ترکیبات این اغلب

دفاعی نقش سبب به ترکیبات این امیتم .شوندمی

ربسیا انسان برای هاآن سمیت و خوارییاهگ ضد

اند.توجه جالب

هاآلکالوئید -( الف

در نیتروژن حاوی هایمتابولیت از بزرگی خانواده

یافت آوندی گیاهان هایگونه درصد 20 تقریبا

تا و گیاهی هایایدولپه در فراوانی به اغلب .شوندمی

.شوندمی دیده بازدانگان و هاایلپهتك در دیحدو

هایآلکالوئید شامل ترکیبات، این اغلب عموما

اند وسمی درجاتی تا هستند که( PAs) پیرولیزیدین

و باکتریایی هایآلودگی علیه اولیه دفاع خدمت در

چند از معموال ترکیبات این .هستند خوارانگیاه حمله

لیزین، اسید، آسپارتیك یژهوبه عمومی، یدآمینهاس

(.24شوند )می سنتز وتریپتوفان تیروزین

سیانوژنیك هایگلیکوزید -(ب

حاوی محافظتی ترکیبات از گروهی ترکیبات این

هاآلکالویید از جدا دهند کهمی تشکیل را نیتروژن

اعضایو در کنندمی آزاد را HCN سم و ستا

این(. 25د )دارن وجود بقوالت و رز گرامینه، خانواده

شکسته با اما ،نیستند سمی عادی حالت در ترکیبات

خارج H2S و HCN فرار مثل سمی مواد ،سریع شدن

. دهدمی رخ گیاه شدن خرد هنگام در که کنندمی

حشرات وسیله به بازدارنده تغذیه ترکیبات این حضور

(.26است ) لیسك و حلزون نظیر خوارانگیاه دیگر و

زیسنتبیوهای مسیر

هاکربوهیدرات از ثانویه هاىمتابولیت کربنى اسکلت

. شودمى ایجاد فتوسنتز فرآیند طى و شدهینمات

هاىمتابولیت تولید در که دیگرى اولیههاىمتابولیت

استیل. هستند آمینه اسیدهاى دارند، نقش ثانویه

تولید در مهمى نقش نیز مِوالونیك اسید و کوآنزیم

در نیز شیکیمیك اسید مسیر. دارند ترپنوئیدها انواع

آفرینى نقش آلکالوئیدها ایندول و هالیگنین تولید

(.1کند )شکل مى

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

"1396، پاییز 3، شماره 10دوره مجله ایمنی زیستی "

22

ها با متابولیسم اولیهثانویه و ارتباط داخلی آن هاییتمتابولیرساختی زیک تصویر ساده از مسیرهای عمده -1شکل

ود دارددو مسیر برای زیست ساختی ترپن وج

اولیه و حداقل از دو مسیر هایها از متابولیتترپن

شوند. در مسیر موالونیك متفاوت زیست ساختی می

است، سه مولکول قرارگرفته مطالعه موردی خوب بهکه

شوند تا به هم ملحق می مرحله به مرحله A-کوآنزیم

(. سپس این 2اسید موالونیك را تولید کنند )شکل

و هپیروفسفریله شد ،کربنه حد واسط 6ترکیب مهم

( IPPایزوپنتیل ) ،دکربوکسیله و دهیدراته شدن ضمن

کربنه فعال شده 5ساختمان IPPکنند. تولید می را

(.26رود )ها به شمار میترپن

تواند از ترکیبات حد واسط چرخه می IPPهمچنین

واسطهبهگلیکولیز یا چرخه احیای کربن فتوسنتزی و

یل مت یرمسها ها که به مجموع آنز واکنشیکسری ا

شود، تشکیل شود. ( گفته میMEPاریتریتول فسفات )

یر و ساها رسد این مسیر در کلروپالستبه نظر می

فسفات و -3-گیرد. گلیسرآلدئیدها انجام میپالستید

شود تا یموات فشرده کربن مشتق از پیر اتم دو

-اکسیلوز–دی -داکسی-1کربنه حد واسط 5ترکیب

پیروفسفات را تولید نماید. بعد از بازآرایی و احیا، –5

دی اریتریتول –متیل-سی-2این ترکیب حد واسط به

IPPبه شود که در واقع ( تبدیل میMEPفسفات )-4

(.26) (2)شکل شودتبدیل می

دی میتیل آلیل دی آن )ایزوپنتیل دی فسفات و ایزومر

پنج کربنی ساختارهای فعال شده( DPPفسفات،

های که برای تشکیل مولکول ،ها هستندساخت ترپن

DPPو IPP شوند. در ابتدابه هم ملحق می تربزرگ

واکنش باهم( GPPفسفات )دیبرای تشکیل ژرانیل

ده کربنی همه ماده یشپ تقریبا GPPدهند.می

تواند به یم GPPسپس (. 2شکل هاست )مونوترپن

کربنه 15شود تا ترکیب متصل IPPاز مولکول دیگر

تمامی ماده یشپ ( که تقریباFDPفسفات )دیفارنسیل

تولید شود. اضافه شدن یك ، ستا هاترپنسزکوئی

کربنه 20دیگر سبب تولید ترکیب IPPمولکول

یشپشود که ( میGGPPفسفات )دیژرانیلژرانیل

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

" ...یمهندسی ژنتیکثانویه از طریق هاییتمتابوللید تو، غالمی"

23

GGPPو FPPیت نها درهاست. ترپندی ماده

ترپن ر شدن به ترتیب تولید تریتوانند ضمن دیممی

(2شکل ) یندنماکربنه( 40تتراترپن )و کربنه( 30)

(26.)

شوند. ترکیبات حد واسط فسفریله ها از دو مسیر ساخته میترپن کربنی پایه 5ها. واحدهای وار زیست ساختی ترپننمایش فهرست -2شکل

شوند.ترکیب می باهم تربزرگهای کربنه و ترپن 15و 10های ن ترپنبرای ساخت DMAPPو IPP شده

هامسیر زیست ساختی فنول

های گیاهی از طریق متفاوتی زیست ساختی فنول

ین از دیدگاه متابولیکی گروه ناهمگن بنابراشوند و می

های دو مسیر پایه در ساخت فنول دهند.را تشکیل می

شیکمیك و مسیر یدگیاهی دخیل هستند. مسیر اس

مالونیك. مسیر اسید شیکمیك در زیست ساختی اسید

مالونیك مسیر اسید .های گیاهی دخیل استفنول اکثر

نیز اگرچه منبع مهمی برای تولیدات ثانویه فنولی در

رود، اما اهمیت آن در به شمار می هاقارچها و باکتری

(.26)( 3)شکل است گیاهان عالی کمتر

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

"1396 پاییز ،3، شماره 10دوره مجله ایمنی زیستی"

24

آالنین مشتق ها حداقل تا حدودی از فنیلشوند. در گیاهان عالی، اغلب فنولهای گیاهی به طریق مختلف زیست ساختی میفنول -3شکل

اسکلت آرایش پایه دهندهنشان ،اندشده واقعهایی که در داخل پرانتز شوند. فنیل آالنین یک فرآورده از مسیر اسید شیکمیک است. فرمولمی

باشند.نی میکرب

ترین گروه ترکیبات فنولی در گیاهان از فراوان

شوند. این کار با حذف یك آالنین مشتق میفنیل

یل اسید و تشکآالنین مولکول آمونیاک از فنیل

واسطه بهشود. این واکنش سینامیك انجام می

شود.( کاتالیز میPALآالنین آمونیاک لیاز )فنیل

یسممتابولت که در بحث آنزیمی اس PAL احتماال

قرار مطالعه موردها بیش از سایر آنزیم ،یه گیاهیثانو

کند نیز یك است و لذا واکنشی که این آنزیم می گرفته

کننده مهم در تشکیل بسیاری از ترکیبات یمتنظمرحله

.(26)( 4رود )شکل فنولی به شمار می

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

" ...یمهندسی ژنتیکثانویه از طریق هاییتمتابوللید تو، غالمی"

25

های گیاهی، شامل فنیل پروپانوئیدهای ساده، زیست ساختی فنول از فنیل آالنین. تشکیل برخی از فنول وارستفهرنمایش -4شکل

شود.های فشرده و سایر فالونوئیدها با فنیل آالنین آغاز میها، تاننها، ایزوفالونها، مشتقات اسید بنزوئیک، لیگین، آنتوسانینکومارین

اهمسیر بیوسنتزی آلکالوئید

یژه و بههای آمینه از یکی از اسید ها معموالآلکالوئید

اما .شودلیزین، تیروزین و تریپتوفان ساخته می

ها واجد بخشی است اسکلت کربنی برخی از آلکالوئید

1شماره که از مسیر ترپن مشتق شده است. جدول

آمینه ی اسیدهاماده یشپ ها وانواع عمده آلکالوئید

دهد. انواع مختلفی از این ترکیبات یها را نشان مآن

نیکوتین و ترکیبات نزدیك به آن را نیز شامل که

شکل شوند )( مشتق میOrnitin) یتیناورناز ،شودمی

( که خود نیز یکی از ترکیبات حد واسط در زیست 5

-Bروند. نیاستین )ساختی آرژینین به شمار می

ه پیریدین ویتامین نیکوتین اسید( یك پیش ماده از حلق

ی( این آلکالوئید است، به نحوی که حلقه ضلعشش)

پنج ضلعی( نیکوتینی از اورنیتین مشتق ) یرولیدینیپ

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

"1396، پاییز 3، شماره 10دوره مجله ایمنی زیستی "

26

و NAD+از ید نیکوتینیك نیز جزء اس شود.می+NADP ناقل الکترون در متابولیسم عنوانبهاست که

(.26کند )ایفای نقش می

شود. اسید فسفات آغاز می-3-نیاسین( از آسپارتات و گلیسرآلدئید)نیکوتینیک ا زیست ساختی اسیدزیست ساختی نیکوتین ب -5شکل

رود. احیایی زیستی به شمار می-های اکسیداسیونمهمی در واکنش کنندهمشارکتاست که عامل NADPو NADنیکوتینیک نیز یک جز از

شود.رود، مشتق مییمسط در زیست ساختی آرژنین به شمار ی نیکوتین از اورنیتین که یک ماده حد واضلعپنجحلقه

گیاهان در ثانویه هاىمتابولیت تولید مهندسى

در گوناگونى و زیاد دستاوردهاى حاضر حال در

آمده دست به ثانویه هاىمتابولیت متابولیك مهندسى

از استفاده با مختلفى بیوشیمیایى مسیرهاى. است

و شدهیمهندس هاىزیمآنرمز کننده هاىژن

از حال ینع . دراندشده یبررس تنظیمى هاىپروتئین

مسیرهاى کردن مسدود براى نیز سنسآنتی هاىژن

خاصى ثانویه متابولیت تولید افزایش و بیوشیمیایى

فراوان، کاربردهاى دلیل به. شودمى استفاده

تحقیقات براى جالبى موضوع ثانویه هاىمتابولیت

مهندسى و مولکولى فنون طریق از نباتات اصالح

تحقیقات گذشته سال ده در. شوندمى محسوب ژنتیك

نشده انجام ثانویه هاىمتابولیت با ارتباط در چندانى

تحقیقات این انجام در بزرگ مانع. (27است )

زیستى تولید مسیرهاى از اندک اطالعات

در رگیرد هاىآنزیمکنش برهم و ثانویه هاىمتابولیت

هاىژن از معدودى تعداد همچنین. است مسیر این

یکى. است دسترس در ثانویه هاىمتابولیت به مربوط

هاىژن سطح در بیشترى مطالعات که مسیرهایى از

ثانویه هاىمتابولیت دیگر به نسبت آناندرکار دست

و فالونوئیدها تولید مسیر ،شده است انجام

ژنتیك مهندسى از هدف. (29 ,28است ) هاآنتوسیانین

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

" ...یمهندسی ژنتیکثانویه از طریق هاییتمتابوللید تو، غالمی"

27

ماده یك مقدار افزایش ثانویه، متابولیت یك مسیر

مقدار کاهش حتى یا و ترکیبات از گروهى یا خاص

دستیابى براى (.30,31,32 ,27,28)است ترکیبات این

یا خاص ماده یك تولید میزان کاهش که دوم هدف به

ودوج مختلفى هاىراه است، ناخواسته مواد از گروهى

سمى ترکیبات است ممکن مواد این. )(6شکل ) دارد

یك یسازخالص مانع مواد گیاهى، محصول یك در

از یکى .(باشد دست ینا از موادى یا صنعتى فرآورده

تولید مسیر از مرحله یك کردن مسدود ها،راه این

آنزیم فعالیت یا تولید کردن مختل و ثانویه متابولیت

با تواندمى هدف این. تاس مرحله آن به مربوط

با آنزیم، این تولید مسئول mRNA میزان کاهش

یك باالى بیان یا iRNA سنس،آنتى فناورى از استفاده

فناورى. شود محقق مسئول آنزیم علیه بادىآنتى

استفاده هاگل رنگ تغییر براى یخوب به سنسآنتى

هدف، این به دستیابى دیگر هاى(. راه33شده است )

افزایش یا موازى مسیرهاى یسو به مسیر ییرتغ

است ممکن اما ،(6شکل ) است نهایى ماده کاتابولیسم

ترکیب یك تولید افزایش تحقیقات، انجام از هدف

مسیر به مربوط هاىژن انتقال یا ،بوده گیاه در خاص

یك یا گیاه یك به ثانویه متابولیت یك تولید

است ممکن ینهمچن. باشدنظر مورد ریزسازواره

گیاهان در طبیعىصورت به که جدید ماده یك تولید

. باشد پژوهشى تولیدى پروژه یك هدف ،نشود تولید

ژن، چند یا یك بیان میزان تغییر با هاروش برخى در

هاىروش در و کنندمى غلبه ماده یك تولید موانع بر

کاهش یا( رقابتى) موازى مسیرهاى حذف با دیگر،

گیاه در را ماده آن مقدار ،نظر مورد ماده کاتابولیسم

که تنظیمى هاىژن بیان در تغییراتى ایجاد. افزایندمى

بر را ثانویه هاىمتابولیت زیستى تولید مسیر کنترل

کاهش یا افزایش هاىروشجمله از نیز دارندعهده

این ادامه (. در34نظر است ) مورد ترکیب تولید

نحوه بررسى ازآمده ستدبه نتایج از برخى مطلب

بیان تنظیم و مسئول هاىژن ثانویه هاىمتابولیت تولید

.شودمى ارائه درگیر هاىژن

overexpress(Aمثل ) ثانویه هاییتسازهای متابولافزایش تولید پیش اند از:ژنتیکی عبارت یورزهای افزایش تولید با دستستراتژیا -6شکل

دستییینتنظیم پا، (C به Fتولید شاخه جدیدی از مسیر موجود )مثال ، (B)مثل کندیکه مسیر خاصی را محدود م کردن محصول ژن

.(Eبه Cبلوک کردن کنش موجود با روش آنتی سنس )مثالوا

هاآنتوسیانین و هافالونوئید بیوسنتز مسئول هاىژن

هاىمسیر اولین از آنتوسیانین و فالونوئید بیوسنتز

هاآن ژنتیك مهندسى که بود ثانویه هاىمتابولیت

مسیر که بود این موضوع این دلیل. گرفت صورت

نتایج و بودشده شناخته یخوب به هاآن بیوسنتز

رنگ تغییر روى از یراحت شده به انجام تغییرات

(.28,29,35)مشاهده است قابل هاگل

مختلف هاىژن بیان افزایش شامل زیادى هاىآزمایش

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

"1396، پاییز 3، شماره 10دوره مجله ایمنی زیستی "

28

ترکیبات تولید یا گل جدید هاىرنگ ایجاد براى

هاىپژوهش اکثر .استشده انجام گیاه در جدید

و هافالونوئید ینه بیوسنتززم شده در انجام

گرفته صورت فرنگىگوجه گیاه در هاآنتوسیانین

ایزومراز گروه از آنزیمى کهشده است . مشخصاست

تولید مسیر اولیه مراحل هاىآنزیم از CHI نام به

دارد فالونول تولید افزایش در کلیدى نقشى فالونوئید

(36.)

هستند، ضدمیکروبى ترکیباتى که هاایزوفالون بیوسنتز

. شودمى القا حبوبات در میکروبى آلودگىاثر بر

آنزیم یك که سنتتاز ایزوفالوون ژن بیان افزایش

در ترکیبات این تولید باعث است، P450 سیتوکروم

توانایى عادىطور به که ذرت و توتون آرابیداپسیس،

این تولید (.37,38شود )مى ندارند، را مواد این تولید

بودن دسترس در به بستگى گیاهان این در ترکیبات

یا القا. دارد پروپانوئید فنیل مسیر یهاماده یشپ

سامانه بهبود و اصالح در تواندمى مسیر این مهندسى

.(39باشد ) مهم میزبان گیاهان در زوفالونای بیوسنتز

هاآنتوسیانین و هافالونوئید تولید کننده،یمتنظ هاىژن

مسیر یك هاىژن بیان مهندسى براى روش یك

است خاصى رونویسى عوامل از استفاده بیوشیمیایى

کنترل را متعددى بیوشیمیایى هاىمسیر هاىژن که

ترکیبى توسط سیانینآنتو تولید ذرتدانه . درکنندمى

. شودمى تنظیم Cl و R رونویسى عامل دو از

که هایىپروتئین با زیادى شباهت R هاىپروتئین

، (c-MY) ژن ،شودمى رمز دارانمهره هاىژن توسط

محصوالت مشابه Cl هاىپروتئین کهیدرحال دارد

با فالونوئید تولید مسیر القاى. است c-MYB هاىژن

در C1 و R رونویسى عامل دو نای بیان افزایش

صورت کشت محیط در ذرت نیافته تمایز هاىسلول

.(40گیرد )مى

آلکالوئیدها ایندول بیوسنتز هاىژن

از بسیارى موضوع آلکالوئید ایندول ترپنوئید مسیر

حدود که چرا ،است بوده ژنتیك مهندسى تحقیقات

اهمیت صنعتىنظر از مسیر این ترکیبات از نوع 15

جمله آن از وینبالستینضد تومور آلکالوئید. ارندد

مسیر از قسمت یك در آلکالوئیدها این همه .است

استریکتوزیدین واسط ماده تولید تا بیوشیمیایى

هاىگونه در مسیر نقطه، این از و هستند مشترک

منشعب آلکالوئیدى مواد کننده تولید گیاهى مختلف

نقشه تهیه براىه شد انجام مطالعات بیشتر .شودمى

میزان افزودن و مسیر مشترک و اولیه بخش ژنتیکى

از هدف. است بوده مسیر از بخش این هاىژن بیان

آلکالوئیدها تولید مسیر فعالیت افزایش کارها این

تریپتوفانرمز کننده هاىژن مثال،طور . بهاست

گیاه هاىسلول در STR-SS و( TDC) دِکربوکسیدالز

Catharnthus roseus مطالعه قرار مورد یخوب به

.(34گرفته است )

آلکالوئید ایندول تولید کنندهیمتنظ هاىژن

ORCA3 و ORCA2 هاىنام به رونویسى عامل دو

تولید بیوشیمیایى مسیر از مرحله چندین در که

تنظیمى نقش Catharnthus roseus در آلکالوئید

.(41اند )شده یینتع دارند،

تولید افزایش باعث ییتنهابه ORCA3 بیان افزایش

ژن رونویسى، عامل این که چرا ،شودنمى آلکالوئیدها

G10H سیتوکروم آنزیم یك که را P450 درثر وم

تنظیم است، سکولوگانین تولید اول مرحله کاتالیز

ماده پیش با هاسلول تغذیه از پس اما. کندنمى

آلکالوئیدها یدتول است، لوگانین همان که سکولوگانین

این دو هر. (41یابد )مى افزایش برابر 3 میزان تا

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

" ...یمهندسی ژنتیکثانویه از طریق هاییتمتابوللید تو، غالمی"

29

تولید درگیر( ORCA3و ORCA2) تنظیمى عوامل

کنترلى گرچه هستند، آلکالوئید ایندول ترپنوئید زیستى

که دهدمى نشان موضوع این. ندارند G10H ژن بر

مسیر این فعالیت تنظیم درگیر نیز دیگرى هاىژن

این در بعدى هاىپژوهش موضوع تواندمى که هستند

(.41باشد ) زمینه

ثانویه هایکشت سلول گیاهی برای تولید متابولیت

در یامالحظه قابل هاییشرفتدر طی دهه گذشته پ

در ثانویه هاییتتولید و تجمع متابول ،تحریك

کشت سلولی گیاهی صورت گرفته است. یهاکشت

برای تولید و مهم های گیاهی یك منبع مناسبسلول

در اکثر گیاهان است. باارزشثانویه هایمتابولیت

بیوسنتزی خاصیت نظر ازهای گیاهی سلول

بدین معنی که هر سلول تحت .پتانسی دارندتوتی

کشت، تمام اطالعات ژنتیکی گیاه والد را دارا است و

ای از مواد دامنهرو این توانایی را دارد تا ین ا از

تولید ،شودا که در گیاه والدینی یافت میشیمیایی ر

.(42) یدنما

مزیت این روش در مقایسه با تولید از طریق

:های رایج به شرح ذیل استکشت

و این روش مستقل از تغییرات فصلی، جغرافیایی -

.باشدی محیطی مختلف میفاکتورها

در این روش ممکن است ترکیبات جدیدی تولید -

طبیعی در گیاه مادری وجود یط در شراشوند که

.نداشته باشند

.گیردانجام می باال و سرعتتولید با هزینه کم -

هایها جهت افزایش تولید متابولیتبرخی تکنیك

:ثانویه در شرایط کشت سلولی

های سلولی با قابلیت تولید باالانتخاب الین-1

در این روش یك گیاه مادری که حاوی سطوح باالیی

و شده انتخاباست نظر موردهای لیتاز متابو

های شود تا الینیی در این گیاه القاء میزاکالوس

در غربال یك سپس. سلولی با تولید باال به دست آید

های سلولی مختلف که کلونی برای ناهمگن جمعیت

هستند نظر مورددارای باالترین میزان از محصوالت

فعالیت نظر از)ژنتیکی از ناهمگنی .گیرندیمانجام

ها برای حصول داخل جمعیت سلول ( دربیوشیمیایی

ردد گهای سلولی با قابلیت تولید باال استفاده میالین

(42, 54)

رشد هایکننده یمتنظ و غذایی عناصر سازیینهبه-2

:کشت محیط

قند -

هایمتابولیت و تجمعمیزان ساکارز بر میزان تولید

مثال طور بهباشد. می ثرومی سلولی هادر کشتثانویه

5/7و 5/2یوسف با حسن سلولی گیاه کشت در

درصد ساکارز، میزان عملکرد رزمارینیك اسید به

گرم در لیتر بوده است و در 3/3و 8/0ترتیب برابر با

ها در که با افزایش میزان قند شده گزارشاغلب موارد

یش فزااثانویه هایمحیط کشت میزان تولید متابولیت

گزارشدر برخی موارد هم عکس این قضیه .یابدمی

(43است ) شده

نیتروژن -

شده است که غلظت نیتروژن بر میزان تولیدات ثابت

سلولی هاییونپروتئینی و آمینواسیدی در سوسپانس

یا MS ،B5کشت گیاهی مثل هاییطثر است. محوم

LS یتروژن عنوان منبع ن هم نیترات و هم آمونیوم را به

تشده است که نسب . به هر نشان دادهیار دارنددر اخت

نیتروژن/ نیترات و همچنین میزان کل نیتروژن در

های ثانویه در محیط کشت بر تولید متابولیت

تریینثر است. برای مثال میزان پاوسلولی م یهاکشت

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

"1396، پاییز 3، شماره 10دوره مجله ایمنی زیستی "

30

+4NH 3و میزان بیشترNO تولید شیکونین و ،

میزان آمونیوم که یحال در ،ادها را افزایش دبتاسیانین

بیشتر و میزان نیترات کمتر باعث افزایش تولید بربرین

.(44) کوئینون گردیدو یوبی

فسفات -

میزان باالی فسفات در محیط کشت باعث افزایش

یر منفی ثاتتواند که میی حال در .شودرشد سلول می

ثانویه داشته باشد و بسته به هایمتابولیت بر تجمع

گونه گیاهی و ترکیب محیط کشت، افزایش فسفات

هاییر مثبت یا منفی بر تجمع متابولیتثاتتواند می

(42باشد )ثانویه داشته

رشد هایکنندهیمتنظ -

رشد اغلب یك فاکتور مهم در کنندهیمغلظت مواد تنظ

های ثانویه است. نوع و تولید و انباشت متابولیت

ا نسبت اکسین/سیتوکینین غلظت اکسین یا سیتوکینین ی

تولید متابولیت هم رشد و هم گیریچشمطور به

شده . مشخص(42دهد )یقرار م یرثاثانویه را تحت ت

در اکثر موارد مانع تولید D-2,4که هورمون رشدی

موارد حذف گونهیند. در اشوهای ثانویه میمتابولیت

2,4-D یا جایگزینی آن با نفتالین استیك اسید(NAA)

باعث افزایش تولید (IAA)یا ایندول استیك اسید

و Populusسوسپانسیونی یهاها در کشتآنتوسیانین

D. carotta بتاسیانین در سوسپانسیون ،Portulaca یا ،

، N. tabaccumسوسپانسیونی یهانیکوتین در کشت

و L. erythtrorhizonشیکونین در سوسپانسیون

.(45) است شده M. citrifoliaها در آنتراکوئینون

هاماده پیش-3

هایها برای افزایش متابولیتمادهاضافه کردن پیش

غالب استفاده طوربههای گیاهی سلول کشت درثانویه

شود و هر ترکیبی )ترکیب حد واسط( که در آغاز می

،داردثانویه قرار هاییتمتابولیك مسیر بوسنتزی

بولیت به کار رود. تواند جهت افزایش عملکرد متامی

یك پیش عنوان بهآالنین مثال اضافه کردن فنیل طوربه

درماده باعث بهبود عملکرد تولید رزمارینیك اسید

(. در 46است )یوسف شده حسنسلولی گیاه کشت

های موالونات و آزمایش دیگری با افزودن پیش ماده

ی بنزوییل گالیسین به کشت سوسپانسیون سلول-ان

برابر 3تا حدود دار میزان تولید تاکسولگیاه سرخ

.(47) یش یافتافزا

کشت محیط شرایط سازیینهبه-4

دما -

جهت معمول طور بهگراد یدرجه سانت 17-25دمای

مورد شده کشتی هارشد سلولالقا بافت کالوس و

وجود درجه حرارت ینا با .گیردمیقرار استفاده

باشد است متفاوت گیاهی ممکن هرگونهمناسب برای

(42).

نور -

تواند بر نور می شدت همی هم کیفیت و کل طور به

یرگذار باشد و این ثاتثانویه هایمیزان تولید متابولیت

شده مشخصبستگی به گونه گیاهی دارد. برای مثال

یله وس بهاست تجمع آنتوسیانین به میزان بسیار زیادی

های انگور بریدسلولی گیاه هویج و هی درکشتنور

.(45شود )تحریك می

PH -کشت محیط

ثانویه در هایمتابولیت حداکثرتولید منظور به

محیط کشت باید PH معموالهای کشت سلولی محیط

باالتر بایستی خودداری PHتنظیم شود و از 5-6بین

.شود

کشت محیط تهویه -

زدن و هوادهی محیط کشت برای تولید همبه

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

" ...یمهندسی ژنتیکثانویه از طریق هاییتمتابوللید تو، غالمی"

31

ثانویه در مقیاس وسیع ضروری است. هایمتابولیت

50که افزایش میزان اکسیژن به میزان شده گزارش

در محیط g/L3یك نوع آلکالویید را تا مقدار درصد،

پس از رشد در یك بیورآکتور روز 20کشت به مدت

شده مشخص(. در اغلب موارد 48دهد )افزایش می

یش تولید موجب افزا ترمطلوبتر و یعسرکه تهویه

گردد.های سلولی میها در کشتمتابولیت

انگیزش-5

،ثانویه گیاهی هایدر طبیعت در برخی موارد متابولیت

ها یك مکانیسم دفاعی در برابر حمله پاتوژن عنوان به

که با یهنگام یاهانگ که شده و مشخصشود تولید می

واکنشی ،شوندپاتوژنی روبرو می امنشترکیباتی با

دهند. الیستورها ابهی را از خود نشان میمش

کنند که باعث تحریك تشکیل هایی تولید مییگنالس

توان شوند و از این روش میثانویه می هایمتابولیت

(. 42نمود )ها استفاده برای تولید بیشتر متابولیت

متابولیت و نوعتوانند بسته به نوع گیاه الیستورها می

شوند و یا اینکه از ها استخراجاز ارگانیسم نظر مورد

الیسیتور استفاده نمود. عنوانبهبرخی مواد شیمیایی

که افزودن نیترات نقره، شده مشخصبرای مثال

عنوانبهآالنین کلرید کبالت، سولفات وانادیل و فنیل

الیسیتورهای شیمیایی و همچنین استفاده از

Rhizopusقارچالیسیتورهای استخراجی از

stelonifera سلولی درخت سوسپانسیون کشت در

ید شده نسبت به حالتی که تول سرخدار، میزان تاکسول

هیچ الیسستوری اضافه نشده بود، چندین برابر افزایش

(.53) یافت

سلول کردن نفوذپذیر-6

کشت درید شده تولدر بسیاری از موارد، محصوالت

سلول گیاهی هایواکوئل سوسپانسیون سلولی، در

آزاد کردن این محصوالت منظور بهشوند. یره میذخ

سلول گیاهی، دو مانع غشایی یعنی غشا واکوئل از

پالسما و تونوپالست بایستی نفوذپذیر باشند.

بههای گیاهی یر کردن سلولنفوذپذهایی برای تالش

ها را وسیله سلول ینبداست تا شده انجامموقت طور

ها را به انتقال متابولبت نزما مدتو دارند نگهزنده

(. بدین 50 ,49کنند )داخل یا خارج سلول کوتاه

متیل منظور از موادی مثل ایزوپروپانول و دی

(.42است )( استفاده شده DMSOسولفوکساید )

in vitroانتقال محصوالت در شرایط -7

ثانویه در هایگاهی اوقات تجمع کم متابولیت

دلیل فقدان بیوسنتز های سلولی ممکن است بهکشت

بلکه ممکن است به دالیل .های کلیدی نباشدآنزیم

بازداری به حالت فیدبك، تجزیه آنزیمی یا غیر

آنزیمی محصوالت در محیط کشت یا فرار بودن مواد

تولید شده باشد. در چنین مواردی این امکان وجود

دارد که با اضافه کردن یك مکان مصنوعی، به ترکیب

های سلول کشت درباشد که می XAD-7نام رزینی به

(.42گردد )گیاهی بدین منظور استفاده می

هایهای گیاهی برای تولید متابولیتکشت اندام-8

ثانویه

های ثانویه بیشتر در بافت هاییتمتابولچون تولید

های زیادی صورت شود، تالشیزیافته انجام میتما

ار مهم را از طریق گرفته تا بتوان ترکیبات دارویی بسی

گیاه به دست آورد. کشت چنین و ساقهکشت ریشه

(. 51باشد )پایدارتر می نسبتاتولید نظر ازهایی اندام

تری رشد آهسته عموماای گیاهان عالی سیستم ریشه

ین دلیل و بدباشد داشته و برای برداشت مشکل می

،های که در ریشه گیاه وجود داردبرای تولید متابولیت

شود. در یممویین استفاده از کشت ریشه معموال

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

"1396، پاییز 3، شماره 10دوره مجله ایمنی زیستی "

32

جمله شابیزک، پروانش تعدادی از گیاهان دارویی از

کبیر، گل انگشتانه و درمه کوهی کشت بافت ساقه به

قرار مطالعه موردثانویه هایمنظور تولید متابولیت

(.42است ) گرفته

هایمویین برای تولید متابولیتهایکشت ریشه -9

ثانویه

Agrobactrium rhizogenesبا توجه به توانایی باکتری

های مویین در تعدادی از میزبان هایبرای القای ریشه

منبعی برای عنوان بهها توان از این ریشهگیاهی، می

(.52نمود )تولید مواد دارویی استفاده

T_DNA (Transferوسیله انتقال مویین بههایریشه

DNA از پالسمید )Agrobactrium rhizogenes به

یجه، ویژگی نت درشود که های میزبان القا میبافت

وسیله هایی که بهسنتز هورمون اکسین توسط ژن

DNA کند. شود به میزبان سرایت مییی کد میباکتریا

های مویین، در به منظور مطالعه روی تولید انبوه ریشه

د. کشت انها را در بیورآکتورها کشت کردهمواردی آن

ازجملههای مویین در بسیاری از گیاهان دارویی ریشه

گلی، یممرکاسنی، تاتوره، سنا، سرخارگل، جینسینگ،

بیان برای یرینشالطیب، بذرالبنج و افسنطین، سنبل

قرارگرفته استفاده موردثانویه هایتولید متابولیت

مویین به دلیل هایاهمیت ریشه (. اساسا42است )

های خارجی ها بدون نیاز به اکسینآنرشد سریع

هایگیرترین موفقیت در زمینه تولید ریشهاست. چشم

مویین در مقیاس وسیع در بیورآکتورها در مورد کشت

( Panax ginsengمویین گیاه دارویی جینسینگ )ریشه

است که در یك محفظه رشد با ظرفیت آمده دست به

(.42است ) گرفته انجامتن 20

هایهای گیاهی برای تولید متابولیتتثبیت سلول -10

ثانویه

های گیاهی مورد نظر یا یك در این تکنیك سلول

کاتالیزوری( را در یك ستون لحاظ ازآنزیم فعال )

ورود آن به فاز مایع و ازثابت محصور کرده

مانند یك کارخانه عمل کنند. این ستونجلوگیری می

طرف وارد یك ازها( ش مادهکرده که مواد ورودی )پی

مورد نظر ثرهومستون شده و از طرف دیگر ماده

ی باال سرعتمزیت این سیستم .شودخارج می

ای ترین مادهیجراباشد. آلجینات کلسیم عملکرد آن می

ها به یمو آنزها است که به منظور محصور کردن سلول

ثرهوم. از این تکنیك برای تولید مواد (42رود )کار می

سلولی گیاهانی مانند هویج، پروانش کبیر، کشت در

گل انگشتانه، خشخاش، توتون و اسطوخودوس

استفاده شده است.

گیرییجهنت

در مقیاس باال ثانویههاییتمتابول تولید انبوه و سریع

یرممکنشیمیایی مشکل و یا غ یهابا استفاده از روش

ود تولید متعددی برای بهب هاییاستراتژباشد. می

بافت جمله کشت از .است شدهیرفته ها پذمتابولیت

مناسب و ارزان برای یحلراه و مهندسی ژنتیك گیاهی

کشت .باشدمی ثانویه هاییتتولید آسان و انبوه متابول

راستای در هاتکنیك ینترمهم از یکی گیاهی بافت

حال هر به .است ثانویه هایمتابولیت صنعتی تولید

ها با استفاده مشکالتی در سر راه تولید متابولیت هنوز

این ینترهای سلولی وجود دارد که مهماز کشت

های سلولی، اند از: ناپایداری الینموارد عبارت

عملکرد پایین، مشکالت مربوط به رشد کند و افزایش

را بر روی یدیمقیاس. مهندسی متابولیك افق پرام

بسیار ایآیندهوید بخش است و ن نموده آینده بشر باز

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

" ...یمهندسی ژنتیکثانویه از طریق هاییتمتابوللید تو، غالمی"

33

ها و مواد با ارزش، استروشن برای تولید متابولیت

های بیوشیمی، زمینه در علم پیشرفت با که است امید

همچنین و ثانویه هایمتابولیت تولید مسیر تنظیم

این ژن، انتقال یلهوس به مطلوب ظهور صفات توانایی

مواد از وسیعی طیف سمت تولید به تکنولوژی

.رودپیش طبیعی ارویید

References فهرست منابع 1-Van Etten H, Temporini E, Wasmann C, 2001. Phytoalexin (and phytoanticipin) tolerance as a virulence

trait: why is it not required by all pathogens? Physiological and Molecular Plant Pathology, 59: 83-93.

2-Ramawat KG Merillon JM.1999. Biotechnology; Secondary Metabolites. Scien Publisher, NH, USA Page

21-25.

3- Gershenzon J, Croteau R, 1991. Terpenoids. In Herbivores their interaction with secondary plant

metabolites, Vol I: The chemical participants, 2nd ed. G.A. Rosenthal and M.R. Berenbaum, eds,

Academic press, San Diego, pp: 165-219.

4- Ogbemudia, F. O. and Thompson, E. O.2014. Variation in Plants Secondary Metabolites and Potential

Ecological Roles – A Review. International Journal of Modern Biology and Medicine5(3): 111-130.

5- Picman AK, 1986. Biological activities of sesquiterpene lactones. Biochemical systematics and Ecology,

14: 255-281.

6- Mordue AJ, Blackwell A, 1993. Azadirachtin: an update. Journal of Insect Physiology, 39: 903-924.

7- Eisner T, Meinwald J.1995. Chemical ecology: The chemistry of biotic interaction. Eds, National

Academy Press, Washington, DC.

8- Savirnata NM, Jukunen-Titto R, Oksanen E, karjalainen RO, 2010. Leaf phenolic compounds in red

clover (Trfolium Pratense L.) induced by exposure to moderately elevated ozone. Environmental

Pollution, 158(2): 440-446.

9- Brooker N, Windorski J, Blumi E, 2008. Halogenated coumarins derivatives as novel seed protectants.

Communication in Agriculture and Applied Biological Sciences, 73(2): 81-89.

10- Ali ST, Mahmooduzzafar-Abdin MZ, Iqbal M, 2008. Ontogenetic changes in foliar features and

psoralen content of Psoralea corylifolia Linn. exposed to SO2 stress. Journal of Environmental Biology,

29(5): 661-668.

11- Gould JM, 1983. Probing the structure and dynamics of lignin in situ. What’s New in Plant Physiology,

14: 25-91.

12- Kondo T, Yoshida K, Nakagawa A, Kawai T, Tamura H, Goto T, 1992. Structural basis of blue-color

development in flower petals from commelina communis. Nature, 358: 515-518.

13- Lake JA, Field KJ, Davey MP, Beerling DJ and Lomax BH. 2009. Metabolic and physiological

responses reveal multi-phasic acclimation of Arabiodopsis thaliana to Chronic UV Radiation. Plant, Cell

and Environment, 32(10): 1377-1389.

14- Sreevidya VS, Srinivasa RC, Rao C, Sullia SB, Ladha JK, Reddy PM, 2006. Metabolic engineering of

rice with soyabean isoflavone synthase for promoting nodulation gene expression in rhizobia. Journal of

Experimental Botany, 57(9): 1957-1969.

15- Mayer AM, 1987. Polyphenols oxidase in plants-recent progress. Phytochemistry, 26: 11-20.

16- Grubb C, Abel S, 2006. Glucosinolate metabolism and its control. Trends in Plant Science, 11: 89–100.

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

"1396، پاییز 3، شماره 10دوره مجله ایمنی زیستی "

34

17- Kang SY, Kim YC, 2007. Decursinol and decursin protect primary cultured rat cortical cells from

glutamate-induced neurotoxicity. Journal of Pharmacy and Pharmacology, 59(6): 863-870.

18- Choi YE, Harada E, Wada M, Tsuboi H, Morita Y, Kusano T, Sano H, 2001. Detoxification of

cadmium in tobacco plants: formation and active excretion of crystals containing cadmium and calcium

through trichomes. Planta, 213: 45–50.

19- DeVos M, Jander G, 2009. Myzus persicae (Green peach aphid) salivary components induce defence

responses in Arabidopsis thaliana. Plant Cell & Environment, 32(11): 1548-1560.

20- Van Etten HD, Mansfield JW, Bailey JA, Farmer EE, 1994. Two classes of plant antibiotics:

Phytoalexins versus “phytoanticipins”. Plant Cell, 6: 1191-1192.

21- Van Loon LC, Pierpoint WS, Boller T, Conejero V, 1994. Recommendations for naming plant

pathogenesis-related proteins. Plant Molecular Biology Reporter, 12: 245–264.

22- Thomma BPHJ, Cammue BPA, Thevissen K, 2002. Plant defenses. Planta, 216(2): 193–202.

23- Parashina EV, Serdobinskii LA, Kalle EG, Lavorova NA, Avetisov VA, Lunin VG, Naroditskii BS,

2000. Genetic engineering of oilseed rape and tomato plants expressing a radish defensin gene. Russian

Journal of Plant Physiology, 47: 417–423.

24- Pearce G, Strydom D, Johnson S, Ryan CA, 1991. A polypeptide from tomato leaves induces wound

inducible protienase inhibitor proteins. Science, 253: 895-898.

25- Seigler DS, 1981. Secondery metabolites and plant systematic. Conn EE (ed), The biochemistry of plants,

Vol 7. Secondery plant products. Plenum, New York and London, pp: 139-176.

26- Taiz L, Zeiger E, 1995. Plant Physiology Edition. Panima Publishing Corporation, New Delhi, Bangalore

Page 368-385.

27- Verpoorte R, van der Heijden R, Memelink J. 2000. Engineering the plant• cell factory for secondary

metabolite production. Transgenic Res, 9:323-343.

28- Dixon RA, Steele CL.1999. Flavonoids and isoflavonoids – a goldmine• for metabolic engineering.

Trends Plant Sci, 4:394-400.

29- Forkmann G, Martens S.2001. Metabolic engineering and applications of flavonoids. Curr Opin

Biotechnol, 12:155-160.

30- Facchini PJ.2001. Alkaloid biosynthesis in plants: biochemistry, cellbiology, molecular regulation, and

metabolic engineering applications. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 52:29-66.

31- Dixon RA. 2001. Natural products and plant disease resistance. Nature, 411:843-847.

32- DellaPenna D. 2001. Plant metabolic engineering. Plant Physiol 125:160-163.

33- Mol JN, van der Krol AR, van Tunen AJ, van Blokland R, de Lange P, Stuitje AR. 1990. Regulation

of plant gene expression by antisense RNA.FEBS Lett, 268:427-430.

34- Verpoorte R, van der Heijden R, Memelink J. 2001. Plant biotechnology and the production of

alkaloids. Prospects of metabolic engineering. In The Alkaloids, Vol 50. Edited by Cordell GA. San

Diego: Academic Press, p 453-508.

35- Davies KM. 2000. Plant colour and fragrance. In Metabolic Engineering of Plant Secondary Metabolism.

Edited by Verpoorte R, Alfermann AW. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers;127-164.

36- Muir SR, Collins GJ, Robinson S, Hughes S, Bovy A, De Vos CHR, Van Tunen AJ, Verhoeyen ME.

2001. Overexpression of petunia chalcone isomerase in tomato results in fruits containing increased levels

of flavonols. Nat Biotechnol, 19:470-474.

37- Yu O, Jung W, Shi J, Croes RA, Fader GM, McGonigle B, Odell JT. 2000. Production of the

isoflavones genistein and daidzein in non-legume dicot and monocot tissues. Plant Physiol, 124:781-793.

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

" ...یمهندسی ژنتیکثانویه از طریق هاییتمتابوللید تو، غالمی"

35

38- Jung W, Yu O, Lau S, O’Keefe DP, Odell J, Fader G, McGonigle B.2000.Identification and expression

of isoflavone synthase, the keyenzyme for biosynthesis of isoflavones in legumes. Nat Biotechnol,

18:208-212.

39- Verpoorte R and Memelink J.2002. Engineering secondary metabolite production in plants. Current

Opinion in Biotechnology 13:181–187.

40- Grotewold E, Chamberlin M, Snook M, Siame B, Butler L, Swenson J, Maddock S, St Clair G,

Bowen B.1998. Engineering secondary metabolism in maize cells ectopic expression of transcription

factors. Plant Cell, 10:721-740.

41- Van der Fits L, Memelink J. 2000.ORCA3, a jasmonate-responsive transcriptional regulator of plant

primary and secondary metabolism. Science, 289:295-297.

42- Ramachandra Rao S, Ravishankar GA. 2002. Plant cell cultures: Chemical factories of secondary

metabolites. cultures: Chemical factories of secondary metabolites. Biotechnology Advances 20: 101-153.

43- Misava M. 1985. Production of useful plant metabolites. In: Flechter A, editors. Adv. Biochem. Eng.

Biotechnol. Berlin: springer-Verlag 59-88.

44- Bohn H, Rink E. 1988. Betalaines. In: Constabel F, Vasil I, editors. Cell culture and somatic cell genetics

of plants. New York: Academic Press 5: 449-463.

45- Seitz HU, Hinderer W. 1988. Anthocyanins. In: constabeb F, Vasil I, editors. Cell culture and somatic

cell genetics of plants. San Diego: Academic Press 5: 49-76.

46- Ibrahim RK. 1987. Regulation of synthesis of phenolics. In: Constabel F, Vasil I, editors. Cell culture and

somatic cell genetics of plants. San Diego: Academic Press 4: 77-95.

47- Cusido R M, Palazon J, Bonfill M, Naviaosorio A, Morales C, Pinol M T. 2002. Improved paclitaxel

and baccatin Ш production in suspension cultures of Taxus media. Biotechnol Prog 18: 418-423.

48- Kreis W, Reinhard E.1989. The production of secondary metabolites by plant cells cultivated in

bioreactors. Planta Med 55: 409-416.

49- Parr AJ, Robins RJ, Rhodes MJC. 1987. Release of secondary metabolites by plant cell cultures. In:

webb C, Mavituna F, editors. Plant and animal cells: process possibilities. Chichester: Ellos Horwood:

229-237.

50- Brodelius P, Nilsson K.1983. Permeabilization of immobilized plant cells resulting in release of

intracellularly stored products with preserved cell viability. Eur. J. Appl. Microbial. Biotechnol 17: 275-

280.

51- Roja G. 1994. Biotechnology of indigenous medicinal plants. PhD Thesis. Bombay University. Bombay.

52- Ravishankar GA, Ramachandra Rao S. 2000. Biotechnological production of phytopharmaceuticals. J.

Biochem. Mol. Biol. Biophys 4: 73-102.

53- Flores He, Vivanco JM, Loyola-Vorgas M.1999. Radicle biochemistry: the biology of root-specific

metabolism. Trends. Plant. Sci 4: 220-226.

54- Bourgaud, F. Gravot, A. Milesi, S. Gontier E.2001. Production of plant secondary metabolites: a

historical perspective. Plant Science 161: 839–851.

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0

"1396، پاییز 3، شماره 10دوره مجله ایمنی زیستی "

36

production of secondary metabolites through genetic engineering and plant tissue culture

Ali Akbar Gholami

Graduated from MSc in Agricultural Biotechnology, Shahid Madani University of Azerbaijan, Tabriz, Iran

Gholami.2359@gmail.com

Abstract

Chemical reactions that occur in plants known as metabolism and metabolites of important biochemical

compounds, including carbohydrates, proteins and fats are. Other biochemical compounds that these three

groups are known as secondary metabolites in a wide range of materials such as medicinal compounds,

spices, pesticides and natural colors are included. One of the most important techniques of plant tissue

culture in line with the industrial production of secondary metabolites because the production potential of

these substances in normal conditions is very limited. The technique used in this area mainly include: cell

culture, organ culture and hairy root cultures. Plant tissue culture is one of the most important techniques

in line with the industrial production of secondary metabolites, but the use of cell culture plant for the

production of compounds important drug for industrial use only becomes possible when the product

greatly be produced, or more than one product from culture to be achieved. This selection of cell lines

with conventional methods and other parameters related to growth or production is not possible.

Therefore, we should be able to evaluate the metabolic pathways and the genes they regulate the process

limiting production to overexpress (high expression) said. In general, it can be said that the use of these

techniques in the production of certain drug can naturally bring great economic benefits.

Key words: secondary metabolites, Genetic engineering, tissue culture

Dow

nloa

ded

from

jour

nalo

fbio

safe

ty.ir

at 0

:20

+03

30 o

n T

uesd

ay N

ovem

ber

10th

202

0