Endophyte-Mediated Elicitation Enhances Picrosides Production in Suspension Cultures of Picrorhiza kurroa Royle ex Benth

In de ijle, dunne lucht van de Himalaya wordt een klein, bescheiden kruid genaamd Picrorhiza kurroa al lang gewaardeerd om zijn vermogen om te genezen. Eeuwenlang heeft de traditionele geneeskunde vertrouwd op de wortels ervan voor de behandeling van leverkwalen, astma en andere aandoeningen. Het geheim van de kracht ligt in een groep complexe chemische verbindingen genaamd picrosiden, die de plant produceert als een vorm van natuurlijke verdediging. Het oogsten van deze planten in het wild is echter een serieus probleem geworden. De vraag naar het kruid is zo groot geworden dat de plant nu bedreigd wordt, en het simpelweg kweken ervan in een tuin slaagt er vaak niet in om dezelfde hoge concentraties medicijnen te produceren als in het wild. Wetenschappers hebben zich gericht op laboratoriumculturen, waarbij ze de cellen van de plant in kolven kweken, maar deze cellen "vergeten" vaak hoe ze de waardevolle chemicaliën moeten maken die ze nodig hebben. Om dit op te lossen, verkennen onderzoekers een andere strategie: kijken naar de onzichtbare wereld van schimmels die in de plant zelf leven. Deze microscopische partners, bekend als endofyten, helpen hun gastplanten vaak om stress te overleven en meer van hun medicinale verbindingen te produceren. De vraag is of we deze kleine schimmels kunnen gebruiken om de in het laboratorium gekweekte cellen te leren hun medicinale doel te onthouden.

Een team onderzoekers aan het Institute of Himalayan Bioresource Technology in India begon dit idee te testen met cellen van het Himalayakruid. Ze begonnen met het verzamelen van wilde exemplaren van de plant van de Rohtang Pass, een hooggelegen regio in de Himalaya. Vanuit de wortels van deze wilde planten isoleerden ze zorgvuldig drie verschillende soorten schimmels die in het weefsel leefden. Met behulp van genetische sequentiebepaling om hen te identificeren, vonden ze twee soorten Fusarium-schimmels en één soort Trichoderma. Deze schimmels waren geen schadelijke indringers, maar natuurlijke bewoners van de plant. De wetenschappers bereidden vervolgens extracten van de schimmelcellen voor, waardoor een vloeibare oplossing ontstond die de chemische signalen bevat die deze schimmels van nature afgeven. Ze namen twee soorten plantcelculturen die in het laboratorium waren gekweekt—de ene afkomstig van de bladeren en de andere van de wortels van de plant—en introduceerden deze schimmelextracten aan hen. Het doel was om te zien of de plantcellen zouden reageren op de aanwezigheid van de schimmel door hun productie van picrosiden en verwante chemicaliën op te voeren.

Het experiment hield in dat er verschillende hoeveelheden van de schimmelvloeistof aan de plantcelculturen werden toegevoegd en dat er enkele dagen lang werd geobserveerd wat er gebeurde. De onderzoekers ontdekten dat de plantcellen inderdaad reageerden, maar dat de respons sterk afhing van welke schimmel werd gebruikt, hoeveel er van de schimmel werd toegevoegd en of de cellen afkomstig waren van het blad of de wortel. Een van de schimmels, een soort Fusarium acuminatum, bleek de krachtigste trigger te zijn. Wanneer de uit de bladeren afgeleide cellen werden behandeld met een specifieke concentratie van deze schimmel, vertoonden ze een significante stijging in medicinale verbindingen. De niveaus van picroside I bereikten 4,71 milligram per gram droog plantgewicht, picroside II bereikte 3,93 milligram en picroside III bereikte 0,48 milligram. De behandeling stimuleerde ook andere belangrijke chemicaliën, inclusief aucubine en catalpol, die voorlopers of verwante verbindingen zijn die helpen bij de vorming van het uiteindelijke medicijn. De uit de wortels afgeleide cellen reageerden eveneens goed, hoewel de exacte hoeveelheden enigszins varieerden, wat aantoont dat de verschillende delen van de plant op hun eigen unieke manier reageren op hetzelfde schimmelsignaal.

De andere twee schimmels werkten ook, maar ze werkten anders. De Trichoderma-soort verhoogde de productie van picrosiden, maar niet zo spectaculair als Fusarium acuminatum. Het toonde echter een sterk vermogen om de niveaus van catalpol te stimuleren, een belangrijke bouwsteen voor de chemie van de plant. De derde schimmel, een andere Fusarium-soort, had een matter effect op de belangrijkste picrosiden, maar leek de voorkeur te geven aan het stimuleren van de productie van voorlopers zoals vanillinezuur en cinnamezuur. Dit suggereilt dat verschillende schimmels de interne chemie van de plant in verschillende richtingen "afstemmen". De onderzoekers merkten ook op dat de timing en concentratie er sterk toe deden. Het toevoegen van te veel van de schimmelvloeistof of het te lang laten zitten in de cellen zorgde ervoor dat de cellen bruin werden en stopten met groeien, wat erop wees dat de behandeling toxisch was geworden. Echter, bij de juiste dosis fungeerde het schimmelextract als een zachte duw, die de slapende chemische fabrieken van de plant wakker maakte zonder de cellen te beschadigen.

Deze studie biedt een duidelijk bewijs dat de microscopische schimmels die in wilde planten leven, de sleutel in handen hebben om hogere medicinale opbrengsten in het laboratorium te ontsluiten. Door gebruik te maken van de natuurlijke signalen van deze schimmels, kunnen wetenschappers in het laboratorium gekweekte plantcellen aanzetten tot het produceren van dezelfde hoge concentraties waardevolle verbindingen als hun wilde tegenhangers. Het onderzoek benadrukt dat niet alle schimmels hetzelfde zijn; elke soort interageert op een unieke manier met de plant, en het vinden van de juiste partner is essentieel. Hoewel het werk nog in de experimentele fase zit, biedt het een veelbelovend pad voor het behoud van de bedreigde Picrorhiza kurroa. In plaats van de bergen te plunderen voor hun wilde planten, kunnen we mogelijk binnenkort de medicijnen die we nodig hebben kweken in een gecontroleerde omgeving, geleid door precies de microben die al duizenden jaren naast de plant leven.