Biotechnology of medicinal and aromatic plants

Ing. Josef Baltazar ŠENKYŘÍK

Disertační práce

Abstract:

Medicinal and aromatic plants (MAPs) remain indispensable sources of pharmacologically active compounds; however, their sustainable production is constrained by variable metabolite accumulation, developmental plasticity, and limited breeding resources in many species. This doctoral thesis advances MAP biotechnology through four interconnected studies that combine in vitro culture, targeted physiological manipulation and molecular profiling, with a particular emphasis on hormone-regulated development and the structural consequences of genome duplication. First, embryogenic development in Cannabis sativa was examined using in vitro embryo cultures spanning defined developmental stages, and the expression dynamics of auxin- and ABA-associated genes (including selected IAA, X15 and PP2C loci) were quantified alongside the LEA gene CanLea34. Stage-resolved transcriptional dynamics were consistent with a model in which auxin-ABA crosstalk coordinates the transition from morphogenesis to maturation, coupling developmental patterning with activation of stress-protective programmes. Second, the auxin antagonist PEO-IAA was evaluated as a chemical modulator of transcriptional networks related to cannabinoid biosynthesis under controlled in vitro conditions, demonstrating that interference with auxin perception can reshape hormone-responsive expression patterns and, in a genotype- and condition-dependent manner, influence the biochemical output of cultured tissues. Third, oryzalin-induced polyploidisation in Astragalus membranaceus established a platform for generating and screening polyploid lines, showing that genome duplication does not act as a uniform driver of secondary metabolism but, in interaction with genetic background, yields divergent expression outcomes in flavonoid pathway-associated targets. Finally, polyploidisation of Borago officinalis was integrated with quantitative anatomy and immunofluorescence mapping of cell wall epitopes, providing evidence that induced tetraploidy is accompanied by consistent shifts in leaf functional anatomy and the spatial organisation of pectic and hemicellulosic domains. Overall, the thesis positions in vitro-based, non-transgenic interventions as mechanistically tractable levers for MAP improvement, enabling phenotypic variation to be generated, interpreted and screened across developmental, metabolic and structural readouts. By linking transcriptional evidence with metabolic outputs and tissue-level phenotyping, the work supports selection aimed at trait stability, functional tissue organisation and robustness to culture-relevant stressors, rather than yield alone.

Abstract:

Léčivé, aromatické a kořeninové rostliny (LAKR) představují klíčový zdroj farmakologicky aktivních látek, avšak jejich udržitelná produkce je limitována výraznou variabilitou ve vývoji i v akumulaci sekundárních metabolitů a často také omezenými šlechtitelskými zdroji. Tato disertační práce rozvíjí biotechnologické přístupy k LAKR prostřednictvím čtyř provázaných studií, které kombinují in vitro kultivaci, cílené fyziologické zásahy a molekulární analýzy, se zvláštním důrazem na hormonálně řízený vývoj a na strukturální dopady zdvojení genomu. V první studii byl u Cannabis sativa sledován průběh embryogeneze v podmínkách in vitro a byly kvantifikovány změny exprese vybraných genů souvisejících s auxinem a ABA (včetně vybraných lokusů IAA, X15 a PP2C) spolu s LEA genem CanLea34. Stadiálně rozlišená transkripční dynamika byla v souladu s modelem, podle něhož souhra auxinu a ABA koordinuje přechod od morfogeneze ke zrání a propojuje vývojové procesy s aktivací stresově ochranných programů. Druhá studie testovala auxinového antagonistu PEO-IAA jako chemický modulátor transkripčních sítí souvisejících s biosyntézou kanabinoidů v in vitro podmínkách a ukázala, že zásah do auxinové percepce může měnit hormonálně responzivní expresní profily a (v závislosti na genotypu a podmínkách) také ovlivnit biochemický výstup kultury. Třetí studie se zaměřila na oryzalinem indukovanou polyploidizaci u Astragalus membranaceus a vytvořila platformu pro generování a screening polyploidních linií; ukázala, že zdvojení genomu nepůsobí jako jednotný hnací faktor sekundárního metabolismu, ale v interakci s genetickým pozadím vede k divergentním expresním profilům cílových genů flavonoidní dráhy. Čtvrtá studie integrovala polyploidizaci Borago officinalis s kvantitativní anatomií a imunofluorescenčním mapováním epitopů buněčné stěny a doložila, že indukovaná tetraploidie je provázena konzistentními posuny ve funkční anatomii listu a v prostorové organizaci pektinových a hemicelulózových domén. Celkově tato disertační práce vymezuje in vitro založené, netransgenní intervence jako mechanisticky dobře uchopitelné nástroje pro zlepšování LAKR, které umožňují vytvářet, interpretovat a selektovat fenotypovou variabilitu napříč vývojovými, metabolickými i strukturními ukazateli. Propojením transkripčních důkazů s metabolickými výstupy a fenotypizací na úrovni pletiv práce podporuje selekci zaměřenou na stabilitu znaků, funkční organizaci pletiv a robustnost vůči stresorům relevantním pro podmínky kultivace, nikoli pouze na samotný výnos.

Keywords

léčivé aromatické a kořeninové rostliny, LAKR, Cannabis sativa, Astragalus membranaceus, Borago officinalis, in vitro kultivace, RT-qPCR, auxin, kyselina abscisová, LEA, polyploidie, oryzalin, imunofluorescence, buněčná stěna, kanabinoidy, flavonoidy

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 2. 3. 2026

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: doc. RNDr. Vladan Ondřej, Ph.D., doc. RNDr. Vladan Ondřej, Ph.D.

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Botanika / Botanika