Proteomic analysis of benzylisoquninoline alkaloid (BIA) biosynthesis in different opium poppy cultivars and examination of differentially expressed proteins in relation to bia content

Abstract

Haşhaş (Papaver somniferum), eczacılıkta kullanılan benzilizokinolin alkaloidleri (BIA) üretmesi nedeniyle Türkiye için stratejik öneme sahip bir bitkidir. Yalnızca haşhaş bitkisinden elde edilebilen bu alkaloidler, ağrı kesici, öksürük kesici ve narkotik amaçlı ilaç olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Türkiye'nin haşhaş çeşitleri, yüksek BIA içeriği hedeflenerek geliştirilmiş olup küresel rekabet için verimlerinin artırılması gerekmektedir. Bu çalışmada, farklı haşhaş çeşitlerinin belirli organlarındaki protein seviyelerinin değişen BIA içeriği ile ilişkili olarak karşılaştırılmasını içeren proteomik bir yaklaşım kullanılmıştır. Çalışmada, belirli alkaloidler açısından öne çıkan üç Türk haşhaş çeşidi kullanılmıştır: tebain (TMO T), morfin (Ofis 2) ve noskapin (Ofis NM). Haşhaş bitkisinin belirli dokularından alınan protein ekstraktları, LC-MS/MS kullanılarak incelenmiş ve ardından kuru kapsüllerdeki BIA miktarı TLC/HPLC analizleriyle ölçülmüştür. Bu şekilde, farklı haşhaş çeşitlerinin ve organlarının protein ekspresyon modelleri ile kapsüllerdeki alkaloid birikimi arasındaki bağlantılar araştırılmış ve BIA metabolizmasının biyosentetik ve düzenleyici yollarına dair bilgi edinilmiştir. İncelenen beş doku arasında, olgun kapsüller en yüksek sayıda anlamlı farklı şekilde ifade edilen proteini gösterirken, Ofis 2 protein ifade profilleri açısından tüm dokularda TMO T ve Ofis NM'den belirgin şekilde ayrışmıştır. BIA yolağındaki kilit enzimler, üç haşhaş çeşidinin kapsülleri ve lateks içeren gövdeleri arasında anlamlı yukarı ve aşağı regülasyon göstermiştir. Gelecekteki araştırmalar, BIA biyosentezini aydınlatmak ve manipüle etmek için karakterize edilmemiş proteinlerin işlevlerini, çoklu omik entegrasyonunu, dokuya özgü enzim lokalizasyonunu ve işlevsel gen çalışmalarını araştırabilir. Bu sayede farmasötik amaçlar için yüksek verimli haşhaş çeşitlerinin geliştirilmesine olanak sağlanabilir.

The opium poppy (Papaver somniferum) is a strategic crop due to its production of benzylisoquinoline alkaloids (BIAs), valuable pharmaceuticals used for pain relief, cough suppression, and as narcotics. Opium poppy is the sole feasible source for commercial BIA production. Türkiye's opium poppy cultivars, bred for high BIA content, require yield improvement to maintain global competitiveness. This study employed a proteomic approach to compare protein profiles from various organs of different cultivars with varying BIA content. Three Turkish cultivars were analyzed: TMO T (thebaine), Ofis 2 (morphine), and Ofis NM (noscapine). Protein extracts from specific tissues were examined using LC-MS/MS, and BIA content in dry capsules was quantified via TLC/HPLC analysis. This enabled investigation of connections between protein expression patterns in different organs and cultivars with alkaloid accumulation. Mature capsules exhibited the highest number of significant differentially expressed proteins (DEPs), with Ofis 2 diverging significantly from TMO T and Ofis NM across all tissues in terms of protein expression. Key enzymes in the BIA pathway showed significant up- and down-regulation in mature capsules and latex-containing stems. These findings provide insights into differential proteome profiles involved in BIA biosynthetic and regulatory pathways. Future research should focus on unannotated protein functions, multi-omics integration, tissue-specific enzyme localization, and functional gene studies to enhance understanding of BIA biosynthesis. This could facilitate the development of high-yield opium poppy cultivars, ensuring sustainable pharmaceutical production.