Development of an in vitro regeneration protocol, synthetic seed production and determination of antioxidant activity of goldenberry (physalis peruviana l.)

Abstract

Altın çilek olarak bilinen Physalis peruviana L., içeriğindeki polifenol ve karotenoidler sebebiyle anti enflametuar ve antioksidan aktiviteleri ile diyabete karşı kullanılmaktadır. Bu bitki, yüksek verimli in vitro rejenerasyon protokolü oluşturularak boğum eksplantlardan çoklu sürgün yoluyla üretilmiştir. Hızlı rejenerasyon sistemi oluşturmak için, boğum eksplantları 4 haftalık çimlenmiş fidelerden kesilip, farklı bitki büyüme düzenleyicilerinin (KIN, BAP, Zeatin, TDZ, GA3, IAA, IBA, NAA) farklı konsantrasyonlarında (0.1, 0.5, 1.0 veya 2.0 mg/l) kültüre alınmıştır. Dört haftalık inkübasyon süresince 0.5 mg/1 TDZ içeren MS ortamında, eksplant başına 6,5 sürgün üretimiyle en yüksek ortalama değer gözlenmiştir. En yüksek kök oluşumu, %100 köklenme yanıtları ile sürgün başına 9.0 kök üreten, MS 2.0 mg/l IAA içeren besi ortamından elde edilmiştir. Boğum eksplantlarını yüksek rejenerasyon kapasitesi ile sentetik tohum üretimi, aynı zamanda sodyum aljinat (NaAlg) kaplama teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Dört günden 70 güne uzayan depolanma sürecinden sonra 3% (w/v) sukroz içeren MS ortamında bulunan ya da bulunmayan sodyum aljinat veya çimlenme geciktirici etkisi olan 0.5 mg/l absisik asit (ABA) kombinasyonuyla sentetik tohumları yeniden çimlendirme performanslarını test etmek için 4 farklı matriks bileşeni kullanılmıştır. Test edilen matriks bileşinleri arasında en yüksek çimlenme hızı 70. günün sonunda %60'lık başarıyla, MS ortamı ve sukroz içeren NaAlg içinde kapsüllenmiş boğumlarda elde edilmiştir. Buna ek olarak, dikim ortamı olarak MS ve toprak ortamının etkileri sentetik tohum için karşılaştırılmıştır. Test edilen dikim ortamı arasında MS ortamının toprağa göre daha verimli olduğu saptanmıştır. İn vitro koşullarda üretilmiş olan rejenerantların meyve, yaprak, gövde, çanak ve kallus dokularının yanı sıra ex vitro koşullar altında çimlenen fidelerin de meyve, yaprak, gövde ve çanak yaprak özütlerinin antioksidant aktiviteleri karşılaştırılmıştır. En yüksek antioksidan kapasitesi, toplam fenolik ve flavonoid miktarı, gövde ve çanak yaprak özütlerini takiben meyve özütlerinden elde edilmiştir. Rejenerasyonlardan elde edilen yaprak ve gövde özütleri, fidelerden elde edilenlere göre daha fazla antioksidan özelliği ihtiva ettiği gözlemlenmiştir. Bu çalışma sadece doğal antioksidanların alternatif kaynaklarına ışık tutmanın yanında, aynı zamanda mikro çoğaltım ve birçok patlıcangiller familyasından farklı türlerin sentetik tohum üretimi için protokol geliştirmesine de yeni bakış açısı sağlamaktadır.

Physalis peruviana L., commonly known as goldenberry or cape gooseberry contains polyphenols and carotenoids with anti-inflammatory and antioxidant activities used against diabetes. A highly efficient in vitro culture protocol of this plant was developed via direct and indirect organogenesis. To establish a rapid regeneration system, nodal explants excised from 4-week-old germinated seedlings were cultured on different plant growth regulators (KIN, BAP, Zeatin, TDZ, GA3, IAA, IBA, NAA) at various concentrations (0.1, 0.5, 1.0 or 2.0 mg/l) and combinations. The highest mean number of shoots was obtained on MS medium containing 0.5 mg/l TDZ, producing 6.5 shoots per explant with 100% explants developing shoots within four weeks of incubation. The highest root formation was achieved on MS containing 2.0 mg/l IAA, producing 9.0 roots per explant, with 100% rooting responses. Due to the high regeneration capacity of nodal segments, synthetic seed was developed using sodium alginate (NaAlg) encapsulation techniques. Four different matrix compositions, including NaAlg, NaAlg together with MS medium with or without 3% (w/v) sucrose or in combination with 0.5 mg/l abscisic acid (ABA) as a growth retardant, were tested for the regrowth performance of synthetic seeds after storage at +4 °C up to 70 days. Of the tested matrix compositions, the highest re-germination rate was observed from nodal segments encapsulated in NaAlg bead containing MS medium and sucrose, with 60% conversion after 70 days of storage. In addition, the effects of soil and MS as a sowing medium for synthetic seeds were also compared, and MS medium was found more productive than soil. Antioxidant activity of fruit, leaf, stem, calyx and callus extracts obtained from in vitro-derived regenerants as well as fruit, leaf, stem and calyx extracts obtained from seedlings germinated under ex vitro were also compared. Regardless of plant resource, the highest antioxidant capacity, total phenolics and flavonoids were obtained from fruit extracts followed by stem and calyx extracts. Leaf and stem extracts obtained from regenerants show more antioxidant activity than those obtained from seedlings. This study not only demonstrates the interest in alternative sources of natural antioxidants but also provides a new insight into protocol development for micropropagation and synthetic seed production of many solanaceous species with economic relevance.