Ochrona chemiczna w konopiach indyjskich
Konopie indyjskie ( / k ć n ə b ɪ s / ) są powszechnie znane jako marihuana lub konopie i mają dwa znane szczepy: Cannabis sativa i Cannabis indica , z których oba wytwarzają substancje chemiczne odstraszające rośliny roślinożerne . W skład chemiczny wchodzą wyspecjalizowane terpeny i kannabinoidy , głównie tetrahydrokanabinol (THC) i kannabidiol (CBD). Substancje te odgrywają rolę w obronie rośliny przed patogenami, w tym owadami, grzybami, wirusami i bakteriami. THC i CBD są przechowywane głównie w włoskach rośliny i mogą powodować psychiczne i fizyczne upośledzenie użytkownika, poprzez system endokannabinoidowy i unikalne receptory. THC zwiększa poziom dopaminy w mózgu, co przypisuje euforyczne i odprężające uczucie, jakie zapewnia marihuana. Ponieważ THC jest metabolitem wtórnym , nie ma żadnego znanego wpływu na rozwój, wzrost i reprodukcję roślin. Jednak niektóre badania pokazują, że wtórne metabolity, takie jak kannabinoidy, flawonoidy i terpeny, są wykorzystywane jako mechanizmy obronne przed biotycznymi i abiotycznymi środowiskowymi czynnikami stresogennymi.
Szlaki biosyntezy
kannabinoidy
Produkcja kannabinoidów THC i CBD jest wynikiem szeregu reakcji chemicznych i to tylko dwa rodzaje z ponad stu znanych. Wewnątrz transkryptomów gruczołowych trichomów w roślinie konopi odbywa się szlak produkcji kannabinoidów. Począwszy od utworzenia 3,5,7-trioksododekanoilo-COA w reakcji kondensacji między heksanoilo-CoA i malonylo-CoA , katalizowanej przez syntazę poliketydową typu III (PKS), produkt jest następnie używany do tworzenia kwasu oliwetolowego . Po geranylacji kwasu oliwetolowego powstaje kwas kannabigerolowy (CBGA) lub kwas kannabigeriwarinowy (CBGVA). Dekarboksylacja tych kwasów daje coś , co rozpoznajemy jako THC i CBD.
Terpeny
Terpeny są kluczowym składnikiem chemotaksonomicznej klasyfikacji szczepów konopi, ponieważ skład terpenów jest cechą fenotypową. Większość terpenów występujących w konopiach to węglowodory, które są bezpośrednim produktem enzymów syntazy terpenowej (TPS). Budowa molekularna terpenów w roślinie konopi obejmuje łączenie i wydłużanie łańcuchów w jednostkach węglowodorowych i izoprenowych , utworzonych przez pirofosforan izopentenylu i pirofosforan dimetyloallilu . Terpenoidy to w zasadzie terpeny z dodatkiem tlenu, wśród innych dodatków strukturalnych. W roślinach zielonych istnieje wiele rodzajów unikalnych terpenów funkcjonalnych, które powstają na wiele różnych sposobów; fosforan metylerytrytolu (MEP), mewalonian cytozolu (MEV) lub szlak fosforanu deoksyksylulozy (DOXP), by wymienić tylko kilka. Ponadto w 1983 r. wykazano udział kwasu mewalonowego (MVA) w biosyntezie złożonych terpenoidów, takich jak steroidy. Po wytworzeniu, szczególnie w komórkach dysku, terpeny są przechowywane we włoskach rośliny . Istnieje kilka rodzajów terpenów w konopiach, składających się z różnej liczby jednostek izoprenowych. Przyczyniają się do charakterystycznego zapachu i właściwości owadobójczych poprzez emisję jako lotne związki organiczne. Różne szczepy konopi syntetyzują różne terpeny poprzez swoje szlaki biochemiczne, a różnorodność terpenów zależy od różnorodności enzymów TPS obecnych w puli genów TPS rośliny konopi. Jednak przyczyny zmian w enzymach TPS są nadal nieznane.
Monoterpeny , mircen i seskwiterpeny , β-kariofilen (wiąże się z ludzkim receptorem kannabinoidowym CB2) i α-humulen są najczęstszymi związkami terpenowymi i występują w większości odmian szczepów konopi. Brak dokładnych standardów sprawia, że czasami naukowcom trudno jest sklasyfikować nowe terpeny. Profile terpenów podlegają zmianom w różnych warunkach środowiskowych, co może prowadzić do zmian w ekspresji genów TPS, ostatecznie prowadząc do zmian w syntetyzowanych terpenach. Terpeny mają unikalne, wyraźne aromaty, dlatego każdy szczep pachnie inaczej. Rośliny konopi, podobnie jak wiele innych, biochemicznie syntetyzują terpeny o intensywnym aromacie jako metodę obrony chemicznej w próbach odstraszenia drapieżników i zaproszenia zapylaczy. Ponieważ terpeny i terpenoidy są biologicznie aktywnymi cząsteczkami, możliwe jest, że zmiany w terpenach mogą wywoływać różne reakcje biologiczne i psychoaktywne u ludzi. To dlatego ludzie twierdzą, że różne szczepy mają różne efekty psychologiczne.
Chemiczna obrona przed stresem biotycznym
Jedną z form obrony przed konopiami indyjskimi jest zwiększenie poziomu kannabinoidów i wyspecjalizowanych terpenów w odpowiedzi na różne stresory biotyczne w środowisku, takie jak szkodniki i drapieżnictwo. W badaniu z 2019 r. dzioborożca tytoniu były karmione sztuczną dietą z kiełków pszenicy zawierającą substancję z konopi indyjskich. Wyniki pokazały, że przeciętnie znacznie wysokie dawki CBD w nowej diecie mogły zmniejszyć przeżywalność larw. Ponadto Maduca sexta unikają jedzenia roślin zawierających duże ilości CBD, co pozwala na wskazanie, że CBD może być naturalnym środkiem odstraszającym szkodniki. Jednak badania wykazały również, że gdy roślina jest poddawana mechanicznym uszkodzeniom przez niektóre owady, poziomy CBD pozostały niezmienione, a nawet spadły. Ta obserwacja może wynikać z różnic w gatunkach owadów i wydzielin chemicznych, dostarczając w ten sposób nowej hipotezy, że poziomy CBD różnią się w odpowiedzi na niektóre gatunki lub nawet nie mają żadnego wpływu.
Zawartość fitokannabinoidów i terpenów w liściach i kwiatach C. sativa wzrasta, gdy jest atakowana przez Tetranychus urticae , pospolitego szkodnika z rodzaju. W porównaniu z kontrolą Cannabis sativa bez uszkodzeń przez szkodniki, badania z 2022 r. wykazały ogólny wzrost metabolitów wtórnych w roślinach narażonych na inwazję Tetranychus urtivae i zmierzono wzrost tego metabolitu za pomocą spektrometrów mas z chromatografem cieczowym i gazowym . Stwierdzono, że wzrost był znaczny i jest przypisywany mechanizmowi obronnemu rośliny.
Indukcja i regulacja w górę kannabinoidów jako genów obronnych w konopiach indyjskich może być indukowana przez elicytory. W badaniu z 2019 r. kwas salicylowy (SA) został użyty z GABA jako elicytorem w celu określenia jego wpływu na ekspresję metabolitów biorących udział w biosyntezie THC i CBD. Wykazano, że SA i GABA skutecznie zwiększają ekspresję THCAS , kwasu kannabigerolowego używanego do tworzenia THC, co skutkowało wyższymi poziomami THC. Wyniki te potwierdzają mechanizm, w którym elicytory konopi, takie jak kwas salicylowy i GABA, wyzwalają kaskadę sygnałów dla zwiększonej ekspresji genów obronnych w odpowiedzi na stres.
Jedną z linii obrony jest uwalnianie lotnych związków organicznych (LZO) do powietrza w celu obrony przed roślinożercami poprzez ostrzeganie sąsiednich roślin. Uwalnianie LZO może rozpocząć się od szlaku jasmonowego (JA), który zwiększa regulację genów obronnych. Kwas jasmonowy , zwany także jasmonianem, jest hormonem związanym z sygnalizacją ran u roślin. Szybka sygnalizacja rany obejmuje napływ wapnia po pojawieniu się potencjału czynnościowego. Zwiększenie poziomu wapnia powoduje, że białko regulatorowe, kalmodulina , włącza kinazę białkową uwalniającą JASMONATE-ASSOCIATED VQ-MOTIF GENE1 (JAV1) poprzez połączenie go z kwasem fosforowym . Z badania przeprowadzonego w 2020 r., w odpowiedzi na nekrotroficzną patogenną szarą pleśń, markery, w których pośredniczy JA, były regulowane w górę w zainfekowanych liściach, od początku infekcji do końca. Poprzez serię sygnałów roślina wykrywa obecność elicytorów/patogenów grzybowych, następnie poprzez szlak JA dochodzi do zwiększenia ekspresji genów obronnych.
Chemiczna obrona przed stresem abiotycznym
Odporność na suszę
Susza ma negatywny wpływ na wzrost i plony konopi, dlatego konopie wyewoluowały mechanizmy przetrwania w przypadku stresu abiotycznego . Komórki roślinne przestaną normalnie rosnąć, gdy zostaną wystawione na stres suszy wraz z innymi procesami fizjologicznymi, takimi jak fotosynteza. Obniżenie ekspresji niektórych genów lub czynników transkrypcyjnych może pomóc w tej odpowiedzi. Na przykład wykazano, że białka anten fotosyntezy i geny o różnej ekspresji (DEG) w szlaku kwasu jasmonowego są regulowane w dół podczas stresu związanego z suszą. W artykule badawczym Gao z 2018 r. przypisują regulację w dół zmniejszonej fotosyntezie w roślinie. Mogą również wystąpić geny regulujące w górę, takie jak czynniki transkrypcyjne z rodziny genów NAC, które, jak wykazano, ulegają nadekspresji w odpowiedzi na leczenie suszą, prawdopodobnie przyczyniając się do tolerancji. Liczne geny regulacyjne zaangażowane w biosyntezę kwasu abscysynowego (ABA), hormonu roślinnego związanego z reakcją na stres, ulegają nadmiernej ekspresji w okresach stresu związanego z suszą. Niektóre z tych genów pochodzą z rodzin genów PP2C i SnPK, powiązanych z tolerancją na suszę ze względu na ich nieodłączną rolę w sygnalizacji ABA. Sygnalizacja ABA, kontrolowana przez zmiany w szlakach metabolicznych ABA, pomaga w aparatów szparkowych i zmianach w procesach fotosyntezy u roślin konopi w celu zwalczania utraty wody podczas stresu związanego z suszą.
Inny hormon stresu, auksyna , może odgrywać ważną rolę w tolerancji na suszę za pośrednictwem genu GH3. Wykazano, że homolog genu konopi GH3 zwiększa odporność ryżu na suszę poprzez zmniejszenie ekspresji kwasu indolo-3-octowego (IAA), który zmniejsza fotosyntezę i wzrost komórek.
Stres solny
Równowaga jonowa jest kluczowym czynnikiem w rozwoju roślin w celu uzyskania plonów. Zbyt duże stężenie soli w glebie obniża potencjał wody w tkance korzeniowej, która staje się toksyczna; zahamowanie wzrostu i zahamowanie kwitnienia poprzez odwodnienie rośliny. Zamknięcie aparatów szparkowych jest również odpowiedzią na wysokie zasolenie, co prowadzi do obniżenia produkcji cukru i szybkości transpiracji. Rośliny reagują na gleby o wysokim zasoleniu, gromadząc sód i chlor oraz zmniejszając pobieranie makroelementów i innych jonów. Ta akumulacja powoduje zahamowanie sygnalizacji wapniowej. Aby zwalczyć ten rodzaj stresu, rośliny muszą mieć strategie i adaptacje umożliwiające przetrwanie, takie jak szlaki stresu osmotycznego. Sekwencjonowanie RNA i analiza qRT-PCR umożliwiły znalezienie tych szlaków ekspresji genów, takich jak MAPK , co pozwoliło na zbadanie potencjalnych genów odpowiedzialnych za większą tolerancję na zasolenie. Geny kandydujące do tego typu odpowiedzi na stres znaleziono również w szlakach transdukcji sygnału hormonów roślinnych. Różne gatunki konopi niosą ze sobą unikalne odmiany ekspresji genów, przy czym niektóre mają większą zdolność wykorzystywania tolerancji na sól poprzez utrzymywanie poziomu potasu na poziomie wystarczającym, aby uniemożliwić wchłanianie sodu.
Usuwanie sodu z cytoplazmy za pomocą anty-porterów sodowych lub wodorowych to kolejny mechanizm przeciwdziałający wysychaniu ze środowisk o wysokim zasoleniu za pomocą szlaku regulacji nadwrażliwości na sól (SOS). Szlak SOS wymienia nadmiar sodu na wodór i jest uruchamiany przez strumień sygnału wapnia.
Modyfikowanie cytoszkieletu lub wykorzystanie szlaku stresu osmotycznego to dwie inne fizjologiczne mechanizmy obronne, których rośliny używają do radzenia sobie z zasoleniem. Zdolność do wykrywania nadmiernego zasolenia jest cennym narzędziem, w którym nadmiar sodu może wywołać napływ wapnia i reaktywnych form tlenu (ROS). Bez zdolności zauważenia sodu, wapń nie zostałby uruchomiony w kaskadzie sygnalizacyjnej, aby wpłynąć do cytozolu. Ten przepływ powiadamia system, aby zablokował wejście jonów soli do korzeni, używając wszelkich dostępnych środków obronnych, takich jak modyfikacja ściany komórkowej. Roślina bez tych zdolności wykrywania i sygnalizacji jest uważana za wrażliwą na sól, znaną jako glikofit.
Toksyczność metali
Zanieczyszczenie gleb metalami powoduje wysoką toksyczność roślin konopi. Udowodniono, że toksyczność kadmu (Cd) jest długotrwała i nieodwracalna dla roślin. Cd w szczególności powoduje stres oksydacyjny i wzrost wolnych rodników. Stwierdzono, że wolne rodniki powodują stres oksydacyjny, uszkodzenie komórek i śmierć. Stwierdzono, że rośliny konopi w glebach zanieczyszczonych kadmem pomagają w detoksykacji metalu, gdy rośliny są nadal konserwowane. Podczas gdy wzrost tych roślin konopi był nieco zmniejszony, gdy były sadzone w glebie o stężeniu Cd, dalszy wzrost roślin wskazywał, że rośliny konopi były w stanie odtruć trochę Cd. W szczególności białka transportowe przenosiłyby Cd do ściany komórkowej, a geny o zróżnicowanej ekspresji (DEG) aktywowałyby, wiązały się i broniły przed stresem Cd. Stwierdzono, że te DEG są zaangażowane w metabolizm ściany komórkowej i były najbardziej aktywne w kontakcie z Cd. Hormon roślinny ABA odgrywa ważną rolę w aktywacji kaskad transdukcji sygnału oraz cyklach i wzroście komórek. Wzrost transporterów ABC w roślinach konopi przyczynia się do wzrostu stężenia wapnia, co wskazuje, że białka wiążące wapń mogą kontrolować stężenie i wchłanianie Cd.
