Synergistic effects of polyploidization and elicitation on biomass and hyoscyamine content in hairy roots of Datura stramonium

Abstract

Description of the subject. The hyoscyamine, a tropane alkaloid, widely used in medicine, can be produced from Datura sp. (Solanaceae). However, its content in the spontaneous roots remains low; therefore, hairy roots (HRs) were envisaged as a potential alternative to improve its biosynthesis. The hairy roots are characterized by a good genetic stability and a rapid growth. Indeed, Datura stramonium HRs have widely been studied in the perspective of improving the yield of hyoscyamine. This study is part of this same perspective. Objectives. This paper aims to study the effects of polyploidization of HRs induced by colchicine in synergy with elicitation (with acetylsalicylic [ASA] or salicylic acids [SA]) on the hyoscyamine content in D. stramonium. Method. Colchicine was applied at different concentrations and periods, on a selected hairy root line (LDS) of D. stramonium obtained by infection with Agrobactrium rhizogenes strain A4. The selection of tetraploid HR lines was performed by the cytogenetic analysis using light microscopy. The effect of polyploidization and elicitation was studied on the biomass (dry weight) and hyoscyamine content of HRs. Results. The untreated HR line (control) shows a diploid level with 2n = 24 chromosomes. However, the HR lines treated with colchicine show, in most cases, an endoreduplication of their genetic material. The survival rate of endoreduplicated lines varies between 30% and 93%, depending on concentration and exposure time to colchicine. Moreover, the tetraploid HR line shows an increase in its biomass and hyoscyamine content in comparison to the diploid HR line (LDS). Further, elicitation of HRs by ASA or AS at the 10-4 M concentration causes a low decrease or increase in dry weight, respectively. However, the same treatments show a significant increase in the yield of hyoscyamine in elicited HR lines. Consequently, our work indicates that the combination of polyploidy and elicitation can lead to significant improvements in hyoscyamine biosynthesis and content due to their synergistic effects. Conclusions. Elicitation of tetraploid hairy root lines improves significantly their content of hyoscyamine.Effets synergiques de la polyploïdisation et de l’élicitation sur la biomasse et le contenu en hyoscyamine des chevelus racinaires de Datura stramonium Description du sujet. L'hyoscyamine, un alcaloïde tropanique largement utilisé en médecine, peut être produit à partir de Datura sp. (Solanaceae). Cependant, son contenu dans les racines spontanées reste faible. Par conséquent, les chevelus racinaires (CRs) ont été envisagés comme une alternative potentielle pour améliorer sa biosynthèse. Les chevelus racinaires se caractérisent par une bonne stabilité génétique et une croissance rapide. En effet, les CRs de Datura stramonium ont été largement étudiés dans la perspective de l'amélioration du rendement en hyoscyamine. Objectifs. Ce document vise à étudier les effets de la polyploïdisation des CRs induits par la colchicine en synergie avec l’élicitation (avec des acides acétylsalicylique ou salicylique) sur la teneur en hyoscyamine de D. stramonium. Méthode. La colchicine a été appliquée à différentes concentrations et périodes, sur une lignée sélectionnée de chevelu racinaire (LDS) de D. stramonium obtenu par une infection par la souche A4 d’Agrobacterium rhizogenes. La sélection des lignées de CRs tétraploïdes a été réalisée par l'analyse cytogénétique en utilisant la microscopie optique. Les effets de la polyploïdisation et de l’élicitation ont été étudiés sur la biomasse (poids sec) et la teneur en hyoscyamine des CRs. Résultats. La lignée de CR non traitée (témoin) montre un niveau de diploïde avec 2n = 24 chromosomes. Cependant, les lignées de CRs traitées avec la colchicine montrent, dans la plupart des cas, une endoréplication de leur matériel génétique. Le taux de survie des lignées endorépliquées varie entre 30 % et 93 %, en fonction de la concentration et du temps d'exposition à la colchicine. En outre, la lignée de CR tétraploïde montre une augmentation de sa biomasse et de son contenu en hyoscyamine par rapport à la lignée diploïde de CR (LDS). En outre, l’élicitation des CRs par AAS ou AS à la concentration de 10-4 M provoque une faible diminution ou une augmentation du poids sec, respectivement. Cependant, les mêmes traitements montrent une augmentation significative du rendement en hyoscyamine dans les lignées de CRs élicitées. Par conséquent, notre travail indique que la combinaison de la polyploïdie et de l’élicitation peut conduire à des améliorations significatives dans la biosynthèse et le contenu en hyoscyamine en raison de leurs effets synergiques. Conclusions. L’élicitation de lignées tétraploïdes de chevelus racinaires améliore considérablement leur teneur en hyoscyamine.