Análisis Multi-ómico de la Biosíntesis y Diversidad de Alcaloides Tropánicos en el Género Brugmansia

Abstract

Los alcaloides tropánicos (TAs) son uno de los grupos de metabolitos especializados en defensa frente a la herbivoría y producidos por algunos géneros de la familia de las solanáceas. Para la medicina moderna, las plantas que los producen representan un recurso esencial, por atender una gama de efectos farmacológicos asociados al sistema nervioso central. Los TAs son típicamente obtenidos del cultivo de algunas especies endémicas de Australia, lo que ha orientado recientemente la investigación en fuentes alternativas y sostenibles para su obtención, así como el uso de las ciencias ómicas para elucidar su biosíntesis y el origen de su diversidad. Los enfoques biotecnológicos de producción crecen recientemente y se empieza a entender la ruta metabólica, llenando vacíos en su regulación, señalización y transporte, a través de genomas de referencia cada vez mejor anotados de especies productoras de TAs, un reto recurrente en el trabajo con organismos no modelo. En este trabajo se presenta la promisoria diversidad de TAs dentro del género Brugmansia y un enfoque novedoso para la búsqueda de metabolitos y genes candidatos de la ruta biosintética, combinando cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas (LC-MS/MS) y secuenciación de RNA. El análisis incluyó 18 taxones (40 accesiones) de este género, incluyendo las siete especies descritas y nueve cultivares de origen ancestral y uso medicinal en Colombia. Se logró identificar de forma putativa la escopolamina y la atropina en diversas muestras, así como dos isómeros previamente clasificados como "unknown", mediante un análisis detallado de los patrones de fragmentación suave y fuerte de TAs usando herramientas bioinformáticas. Se construyó y aplicó una base de datos ad hoc denominada ATP(O), basada en compuestos tipo (A)lcaloide, (T)ropánicos, (P)recursores y (O)tros metabolitos, con la cual fue posible analizar perfiles metabolómicos a través de 102 datos metabólicos representativos del género. A nivel transcriptómico, se logró mapear genes candidatos de la ruta biosintética de los TAs de acuerdo con la literatura disponible y se evidenció una compartimentalización en tejidos mediante un análisis de presencia y ausencia de transcritos entre hojas y raíces. Además, se realizaron agrupamientos de coexpresión para identificar posibles candidatos de genes relacionados con funciones enzimáticas, de transporte y señalización. Finalmente, se presentan por primera vez los perfiles químicos y transcriptómicos de cultivares medicinales tradicionales en comparación con especies reconocidas por su valor ornamental, contribuyendo al conocimiento de la diversidad funcional del género Brugmansia. (Texto tomado de la fuente)

Tropane alkaloids (TAs) are specialized metabolites involved in defense against herbivory and produced bycertain genera within the Solanaceae family. For modern medicine, plants producing these compounds are essential due to their wide range of armacological effects on the central nervous system. TAs are traditionally extracted from a limited group of endemic species from Australia, which has recently shifted research interest toward sustainable and alternative sources, as well as the use of omics sciences to elucidate their biosynthesis and origins of diversity. Biotechnological production approaches remain scarce and inefficient, but research on this field is increasing to fill knowledge gaps in the metabolic pathway and its regulation, especially through the report of well-annotated reference genomes from TA-producing species—a common challenge analysing non-model organisms. High-throughput, integrative approaches have been key to overcoming these limitations in several studies. This work explores the promising diversity of TAs in the genus Brugmansia, using a novel strategy that combines liquid chromatography–mass spectrometry (LC-MS/MS) and RNA sequencing. The study comprises 18 taxa (40 accessions), including all seven described species and nine ancestral medicinal cultivars from Colombia. Scopolamine and atropine were putatively identified in several samples, as well as two isomers previously reported as “unknown” based on detailed fragmentation pattern analysis (both soft and hard ionization modes) supported by bioinformatic tools. A custom database—ATP(O)—was developed and applied, focusing on (A)lkaloids, (T)ropane alkaloids, (P)recursors, and (O)ther compounds, allowing the annotation of metabolic profiles of 102 features. At the transcriptomic level, the study successfully mapped candidate genes of the TA biosynthetic pathway based on an exhaustive review of the literature. Comparative analyses between roots and leaves revealed transcript-specific patterns consistent with tissue compartmentalization of the pathway. Co-expression clustering allowed the identification of novel candidate genes possibly involved in enzymatic activity, transport, and signaling. Finally, this is the first report comparing chemical and ranscriptomic profiles of traditional medicinal cultivars with those of primarily ornamental Brugmansia species, contributing to the understanding of functional diversity within this genus.