Exploring the connection between plant histochemistry and phytochemical prospection in species of Athenaea Sendtn. (Solanaceae)

Abstract

Although morphoanatomical and chemical markers exist for the systematics of Solanaceae, there are gaps in understanding how these traits may influence the recent and substantial changes in the taxonomy of the subtribe Withaninae. Athenaea is the only Latin American genus of this subtribe, which was recently circumscribed. Athenaea species have been the subject of recent pharmacological studies due to the presence of withanolides. These compounds are considered as chemotaxonomic markers in Withaninae. However, there is limited knowledge about their diversity in Athenaea. In Withania somnifera, a plant used in Ayurvedic medicine and phylogenetically related to Athenaea, numerous withanolides with confirmed biological properties have been described. These properties include neurotherapeutic effects that are useful for treating Alzheimer's disease (AD). The main goal of this thesis was to investigate the histolocalization of secondary metabolites in the leaves of Athenaea species, their metabolic profile focusing on withanolides and which species may be promising in future biotechnological investigations, especially for cholinesterase inhibition. Additionally, the site of synthesis and accumulation of these and other substances in the cells/tissues of the species was identified. The pharmacological potential of Athenaea extracts was also tested to inhibit enzymes involved in the progression of Alzheimer's Disease (AD) symptoms. Secretory trichomes and idioblasts are the structures specialized in the accumulation of alkaloids, steroids, phenolics and lipids in Athenaea leaves. The morphotypes of the trichomes can help in the distinction of the species. Sixteen withanolides were manually recorded in the biological samples and this is the first report of withanolides for A. brasiliana and Athenaea tomentosa. The diversity and distribution of withanolides allowed us to understand the phylogenetic proximity with other phylogenetically related taxa, such as W. somnifera. Athenaea tomentosa is considered promising because it presents strong inhibition for AChE, for both the dichloromethane (102.2 (± 6.7) %) and ethanolic (93.3 (± 3.6) %) extract. Through the use of standard techniques for anatomical, metabolomic, and phytochemical prospecting, this integrative approach is groundbreaking for Athenaea. The findings have the potential to help resolve taxonomic issues and guide biotechnological research in the Solanaceae family. They could also identify source species of withanolides for future biological studies. KEYWORDS: Alkaloids, Anticholinesterase activity, Histolocalization, Metabolomics, Ontogeny, Phytochemistry, Plant anatomy, Plant chemotaxonomy, Withanolides.Embora existam marcadores morfoanatômicos e químicos para a sistemática de Solanaceae, existem lacunas nos conhecimentos sobre como os caracteres podem impactar as recentes e significativas modificações na taxonomia da subtribo Withaninae. Athenaea é o único gênero latino-americano desta subtribo, o qual foi recentemente circunscrito e tem sido alvo de estudos farmacológicos devido à presença de vitanolídeos. Esses compostos são apontados como marcadores quimiotaxonômicos em Withaninae, mas pouco se conhece sobre a sua diversidade em Athenaea. Em Withania somnifera, uma planta utilizada na medicina Ayurvédica e filogeneticamente relacionada a Athenaea, são descritos inúmeros vitanolídeos com propriedades farmacológicas comprovadas, incluindo neuroterapêuticas, úteis para o tratamento da doença de Alzheimer (DA). Buscando compreender a diversidade química, especialmente de vitanolídeos e seu significado taxonômico, o objetivo desta tese foi prospectar sobre a histolocalização de metabólitos secundários nas folhas de espécies de Athenaea, o seu perfil metabólico direcionado aos vitanolídeos e elencar espécies que podem ser promissoras em futuras investigações biotecnológicas, especialmente para inibição de colinesterases. Adicionalmente, foi identificado o sítio de síntese e acúmulo dessas e de outras substâncias nas células/tecidos das espécies. O potencial farmacológico dos extratos de Athenaea também foi testado para inibir enzimas envolvidas no avanço dos sintomas da Doença de Alzheimer (DA). Tricomas secretores e idioblastos são as estruturas especializadas no acumulo de alcaloides, esteroides, fenólicos e lipídios nas folhas de Athenaea e os morfotipos dos tricomas podem auxiliar na distinção das espécies. Dezesseis vitanolídeos foram registrados nos extratos, sendo este o primeiro relato de vitanolídeos para A. brasiliana e Athenaea tomentosa. A diversidade e distribuição de vitanolídeos nos permitiram entender a proximidade filogenética com outros táxons filogeneticamente relacionados, como W. somnifera. Athenaea tomentosa é apontada como promissora por apresentar forte inibição para AChE, tanto para o extrato diclorometânico (102.2 (± 6.7) %) quanto etanólico (93.3 (±3.6) %). Por meio de técnicas usuais para estudos anatômicos, metabolômicos e de prospecção fitoquímica, essa abordagem integrativa é inédita para Athenaea e, os resultados podem contribuir para resolver os problemas taxonômicos e direcionar estudos biotecnológicos em Solanaceae, bem como conduzir para espécies fonte de vitanolídeos em estudos biológicos futuros. PALAVRAS-CHAVE: Alcaloides, Anatomia vegetal, Atividade anticolinesterásica, Fitoquímica, Histolocalização, Metabolômica, Ontogenia, Quimiotaxonomia vegetal, Vitanolídeos.