Mining the chemical diversity of the hemp seed ( Cannabis sativa L.) metabolome

Изучение химического разнообразия метаболома семян конопли (Cannabis sativa L.): открытие нового семейства молекул, широко распространенных в конопле

Гильермо Федерико Падилья-Гонсалес, Эбигейл Росселли, Николас Дж Сэдгроув , Макс Цуй, Моник С. Симмондс.  Наука о растениях Front. Экологическая коллекция 2023.  doi: DOI:10.3389/fpls.2023.1114398 .

Mining the chemical diversity of the hemp seed ( Cannabis sativa L.) metabolome: discovery of a new molecular family widely distributed across hemp. Guillermo Federico Padilla-González, Abigail Rosselli , Nicholas J Sadgrove, Max Cui, Monique S J Simmonds 

АННОТАЦИЯ

Конопля (Cannabis sativa L.) - широко изучаемая техническая культура с различными применениями в фармацевтической, нутрицевтической, пищевой, косметической, текстильной промышленности и производстве материалов. Хотя многие из этих применений связаны с ее химическим составом, химическое разнообразие метаболома конопли детально не изучено, и, вероятно, будут обнаружены новые метаболиты с неизвестными свойствами. 

В текущем исследовании мы изучили химическое разнообразие метаболома семян конопли посредством нецелевого метаболомного исследования 52 образцов зародышевой плазмы, чтобы 1) идентифицировать новые метаболиты и 2) связать присутствие биологически важных молекул с конкретными образцами, на которых следует сосредоточиться в будущих исследованиях. 

Многомерный анализ масс-спектральных данных продемонстрировал большую вариабельность профиля полярного химического состава между образцами. Были выделены пять основных групп на основе их сходных метаболических характеристик. Расследование также привело к открытию нового соединения и четырех структурных аналогов, принадлежащих к ранее неизвестному химическому классу семян конопли: гликозилсульфаты коричной кислоты. Хотя вариабельность в профилях жирных кислот была не такой заметной, как у полярных компонентов, некоторые сорта имели более высокий выход жирных кислот, а также наблюдалась вариабельность в соотношении линолевой кислоты к α-линоленовой кислоте, причем некоторые сорта были ближе к 3: 1 (считается оптимальным для питания человека). Мы обнаружили, что амиды и лигнанамиды коричной кислоты, основные химические классы биологически активных метаболитов в семенах конопли, были более концентрированы в испанском сорте Kongo Hanf (CAN58) и французском сорте CAN37, в то время как итальянский сорт Eletta Campana (CAN48) продемонстрировал наибольший выход жирных кислот. Наши результаты показывают, что высокая вариабельность биологически активных и новых метаболитов в изученных сортах семян конопли может повлиять на требования, связанные с их коммерциализацией, и послужить основой для селекционных программ при создании сортов.

1 Введение

Cannabis sativa L., в частности подвиды, разновидности и сорта, известные как конопля, считаются одним из самых универсальных травянистых растений в сельском хозяйстве из-за его коммерческой ценности для фармацевтической, пищевой, нутрицевтической, косметической, текстильной, бумажной и строительной промышленности (Schluttenhofer and Yuan, 2017; Farinon et al., 2020). В контексте использования нутрицевтиков основное внимание уделялось его семенам, которые богаты полиненасыщенными жирными кислотами, белками, минералами и специализированными метаболитами, имеющими важное значение для питания человека и животных (Callaway, 2004; «Руссо и Реджани», 2015; Galasso et al., 2016; Farinon et al., 2020). В связи с этим семена конопли перерабатываются для получения пищевого масла, муки для выпечки и протеинового порошка (Farinon et al., 2020; Леонард и др., 2021b).

Учитывая, что некоторые разновидности C. sativa экспрессируют психоактивные каннабиноиды, которые иногда обнаруживаются в продуктах на основе каннабиса, было проведено различие между коноплей и рекреационной разновидностью (Schluttenhofer and Yuan, 2017). Европейская ассоциация промышленной конопли (EIHA) определяет коноплю как «растение Cannabis sativa L. или любую его часть с концентрацией дельта-9 тетрагидроканнабинола (ТГК) до 0,3% в пересчете на сухой вес», чтобы отличить его от психоактивного C. sativa, в котором концентрация ТГК превышает 0,3% и может составлять до 20% (Европейская ассоциация промышленной конопли, https://eiha.org/). Впоследствии несколько стран, в основном из Европы, Северной Америки и Азии, легализовали выращивание сортов конопли с низким содержанием ТГК (Leonard et al., 2021b). К 2018 году более 50 000 гектаров было отведено под выращивание этой культуры в Европе, одном из основных производителей технической конопли. В Европе Франция в настоящее время является крупнейшим производителем, за ней следуют Италия и Нидерланды (Европейская ассоциация промышленной конопли, https://eiha.org/). На протяжении многих лет сорта конопли были разработаны для отбора по определенным признакам, и семена многих из этих сортов в настоящее время хранятся в международных коллекциях зародышевой плазмы и ботанических садах. В настоящее время в каталоге ЕС зарегистрировано 75 сортов, все они с содержанием ТГК ниже 0,3% и разнообразным профилем других метаболитов (Европейская ассоциация промышленной конопли, https://eiha.org/).

Помимо хорошо известных каннабиноидов, C. sativa содержит разнообразный метаболом биологически активных метаболитов, участвующих в здоровье и питании человека. Семена конопли содержат мало каннабиноидов и богаты фенилпропионамидами (амидами коричной кислоты и лигнанамидами) и ненасыщенными жирными кислотами, что привлекает нутрицевтический и коммерческий интерес (Crescente et al., 2018; Леонард и др., 2021а; Леонард и др., 2021b). Основная нутрицевтическая ценность масла семян конопли заключается в его жирнокислотном составе, в котором преобладает >90% полиненасыщенных жирных кислот (Schluttenhofer and Yuan, 2017). Оно содержит две диетические незаменимые жирные кислоты, линолевую кислоту и α-линоленовую кислоту в соотношении 2,5–3:1. Предполагается, что это идеально подходит для питания человека и здоровья сердечно-сосудистой системы (Leizer et al., 2000; Симопулос, 2008; Galasso et al., 2016). Однако присутствие высоких количеств фенилпропионамидов в семенах конопли также связано с некоторыми их биологическими свойствами (Chen et al., 2012; Moccia et al., 2020; Леонард и др., 2021а). Семена конопли накапливают самое высокое структурное разнообразие лигнанамидов среди других таксонов, продуцирующих лигнанамиды, с более чем 80 различными соединениями (Leonard et al., 2021a).

Амиды коричной кислоты и лигнанамиды проявляют мощную противовоспалительную, антиоксидантную и противораковую активность как в исследованиях in vitro, так и в исследованиях in vivo (Chen et al., 2012; Фаринон и др., 2020; Moccia et al., 2020; Леонард и др., 2021а). Предыдущие исследования продвигали эти полифенолы конопли в качестве защитных средств против хронических заболеваний человека (Leonard et al., 2021a). Например, фенилпропионамиды, такие как каннабизин B и N-транс-кофеоилтирамин, являются значительно более сильными антиоксидантами, чем стандартные изофлавоны сои (Chen et al., 2012). Последующие исследования показали, что каннабизин B также проявляет антипролиферативную активность, вызывая аутофагическую гибель клеток в клетках гепатокарциномы печени (HepG2) (Chen et al., 2013). Другие лигнанамиды конопли, такие как каннабизин F, продемонстрировали потенциальный нейропротекторный эффект за счет снижения уровня мРНК провоспалительных медиаторов, внутриклеточных активных форм кислорода (АФК) и фактора некроза опухоли α (TNF-α) в стимулированных липополисахаридами клетках микроглии BV2 (Wang et al., 2019).

Таким образом, полезные и питательные свойства семян конопли зависят от их химического состава, который различается в основном в зависимости от используемого сорта. С таким большим количеством сортов конопли, доступных в настоящее время в международных коллекциях зародышевой плазмы, всесторонняя химическая оценка этих образцов особенно актуальна, в частности, для обнаружения новых метаболитов и связывания присутствия биологически важных молекул с определенными образцами, в конечном итоге для использования зародышевой плазмы конопли путем разработки коммерческих сортов с определенными атрибутами. Однако на сегодняшний день фитохимическое разнообразие метаболома семян конопли детально не изучено. В настоящем исследовании мы сосредоточились на характеристике химического разнообразия метаболома семян конопли по сортам/образцам, используя нецелевое метаболомное исследование 52 образцов семян конопли.