Centaurium taxa (fam. gentianaceae) in the Balkan peninsula: diversity, specialized metabolism and ecophysiology

Abstract

The genus Centaurium Hill (fam. Gentianaceae) comprises about 25 annual or biannual species of the Mediterranean origin possessing widely recognized bioactive properties. Five species of this genus are represented within the flora of the Balkan Peninsula: Centaurium erythraea Rafn, C. littorale (Turner) Gilmour, C. tenuiflorum (Hoffmanns. & Link) Fritsch, C. pulchellum (Sw.) Druce, and C. maritimum (L.) Fritsch. Decades of research on the Centaurium species within the Institute for Biological Research “Siniša Stanković” - National Institute of the Republic of Serbia, has resulted in the establishment of ex situ seed collection, which fully represents the biodiversity of this genus in the Balkan Peninsula. In addition to accepted taxa with diploid or polyploid genomes, homoploid and allopolyploid hybrids of different origin are stored within the ex situ collection, which contains totally 153 accessions. This valuable source of plant material has facilitated resolving the complex phylogenetic relationships within the Centaurium genus by adopting morphological, molecular (EST-SSR, trnL-F, TRAP, etc.) and chemical markers with high discrimination resolution within taxa. Furthermore, it enabled studying the interplay between ecological and evolutionary processes (e.g. interspecific hybridization, polyploidization, habitat fragmentation, genetic drift), and their effects on the biodiversity of Centaurium taxa (both genetic and chemical). By adopting multi-omics approach we study secoiridoid glucosides metabolism and its relationship to the overall plant physiology, as well as its role in plant-biotic and plant-abiotic interactions. The multidisciplinary approach of our studies provided an insight into the molecular background and regulatory networks of constitutive secoiridoids’ biosynthesis in Centaurium taxa as influenced by environmental factors, while resolving their complex multi-level diversity at inter- and intra-species, as well as at intra-species level. Through the implementation of biotechnology tools,our intention is to provide sustainable sources of valuable secoiridoids in homologous or heterologous systems.

Rod Centaurium Hill (fam. Gentianaceae) sadrži oko 25 jednogodišnjih ili dvogodišnjih biljnih vrsta mediteranskog porekla, koje poseduju dobro poznata bioaktivna svojstva. U flori Balkanskog poluostrva prisutno je pet vrsta roda Centaurium: Centaurium erythraea Rafn, C. littorale (Turner) Gilmour, C. tenuiflorum (Hoffmanns. & Link) Fritsch, C. pulchellum (Sw.) Druce i C. maritimum (L.) Fritsch. Višegodišnja istraživanja vrsta roda Centaurium u okviru Instituta za biološka istraživanja „Siniša Stanković“ - Instituta od nacionalnog značaja za Republiku Srbiju, Univerziteta u Beogradu, rezultovala je formiranjem kolekcije semena ex situ, koja dobro oslikava biodiverzitet roda Centaurium na Balkanskom poulostrvu. Pored priznatih taksona sa diploidnim i poliploidnim genomima, kolekcija semena koja broji ukupno 153 uzorka, sadrži homoploidne i alopoliploidne hibridogene jedinke različitog porekla. Ovaj neprocenjivi izvor biljnog materijala olakšao je rasvetljavanje složenih filogenetskih odnosa u okviru roda Centaurium, primenom morfoloških, molekularnih (EST-SSR, trnL-F, TRAP, etc.) i hemijskih markera, koji pokazuju visoku rezoluciju u diskriminaciji taksona. Pored toga, omogućeno je istraživanje ekoloških i evolucionih procesa (kao što su: međuvrsna hibridizacija, poliploidizacija, fragmentacija staništa, genetički drift) i njihovog efekta na biodiverzitet (genetički i hemijski) taksona koji pripadaju rodu Centaurium. Primena “multi-omics” pristupa u istraživanjima, omogućila je rasvetljavanje metabolizma sekoiridoidnih glukozida kod vrsta roda Centaurium, opisivanje njegovog odnosa sa celokupnom fiziologijom biljaka i njegove uslovljenosti biotičkim i abiotičkim faktorima spoljašnje sredine. Multidisciplinarni pristup istraživanjima dao je uvid u molekularne osnove i regulatorne mehanizme konstitutivne biosinteze sekoiridoida kod vrsta roda Centaurium pod uticajem faktora spoljašnje sredine, i na različitim nivoima organizacije: unutar- i među-vrsna varijabilnost, kao i ona na unutar-individualnom nivou. Primenom biotehnoloških metoda u istraživanjima težimo održivoj proizvodnji bioaktivnih jedinjenja vrsta roda Centaurium u homologim i heterologim sistemima.