H2O2-Elicitation of Black Carrot Hairy Roots Induces a Controlled Oxidative Burst Leading to IncreasedAnthocyanin Production

Abstract

Hairy roots (HRs) grown in vitro are a powerful platform for plant biotechnological advances and for the bio-based production of metabolites of interest. In this work, black carrot HRs able to accumulate anthocyanin as major secondary metabolite were used. Biomass and anthocyanin accumulation were improved by modulating growth medium composition—different Murashige & Skoog (MS)-based media—and H2O2-elicitation, and the level of the main antioxidant enzymes on elicited HRs was measured; (3) Results: higher growth was obtained on liquid 1/2 MS medium supplemented with 60 g/L sucrose for HRs grown over 20 days. In this medium, 200 M H2O2 applied on day 12 induced anthocyanin accumulation by 20%. The activity of superoxide dismutase (SOD)—which generates H2O2 from O2 �����—increased by over 50%, whereas the activity of H2O2- scavenging enzymes was not enhanced. Elicitation in the HRs can result in a controlled oxidative burst, in which SOD activity increased H2O2 levels, whereas anthocyanins, as effective reactive oxygen species scavengers, could be induced to modulate the oxidative burst generated. Moreover, given the proven stability of the HR lines used and their remarkable productivity, this system appears as suitable for elucidating the interplay between antioxidant and secondary metabolism.

Las raíces pilosas (HRs) cultivadas in vitro son una potente plataforma para los avances en biotecnología vegetal y para la producción biológica de metabolitos de interés. En este trabajo se utilizaron HRs de zanahoria negra capaces de acumular antocianina como principal metabolito secundario. Se mejoró la biomasa y la acumulación de antocianina modulando la composición del medio de crecimiento -diferentes medios basados en Murashige & Skoog (MS)- y la elicitación con H2O2, y se midió el nivel de las principales enzimas antioxidantes en las HRs elicitadas; Se obtuvo un mayor crecimiento en medio MS líquido 1/2 suplementado con 60 g/L de sacarosa para las HRs cultivadas durante 20 días. En este medio, la aplicación de 200 M de H2O2 el día 12 indujo la acumulación de antocianinas en un 20%. La actividad de la superóxido dismutasa (SOD), que genera H2O2 a partir de O2�����, aumentó en más de un 50%, mientras que la actividad de las enzimas que eliminan el H2O2 no aumentó. La elicitación en las HR puede dar lugar a una explosión oxidativa controlada, en la que la actividad de la SOD aumentó los niveles de H2O2, mientras que las antocianinas, como eficaces eliminadoras de especies reactivas del oxígeno, podrían ser inducidas para modular la explosión oxidativa generada. Además, dada la probada estabilidad de las líneas HR utilizadas y su notable productividad, este sistema parece adecuado para dilucidar la interacción entre el metabolismo antioxidante y el secundario.