Innovations in Ilex paraguariensis A. St-Hil. In vitro culture

Abstract

Resumo: Ilex paraguariensis (erva-mate) é uma espécie de grande importância cultural, ambiental e econômica na América do Sul, amplamente utilizada na produção de bebidas e em aplicações farmacêuticas. Nesse contexto, a cultura de tecidos vegetais surge como uma ferramenta biotecnológica promissora, possibilitando a propagação clonal de genótipos elites, a produção de plantas livres de patógenos, a conservação de germoplasma e a síntese in vitro de compostos bioativos. No entanto, o cultivo in vitro da erva-mate ainda enfrenta desafios significativos, como altas taxas de contaminação, intensa oxidação fenólica e baixa eficiência de regeneração. Esta dissertação teve como objetivo aprimorar a regeneração in vitro da erva-mate por meio de duas abordagens complementares: a otimização da composição do meio de cultura e a aplicação de nanopartículas. No primeiro estudo, utilizou-se um delineamento Box–Behnken para ajustar as concentrações de NH4NO3, KNO3 e micronutrientes no meio Murashige e Skoog (MS). As melhores respostas de regeneração foram obtidas com níveis reduzidos de nitrogênio (NH4NO3 em 0,5× ou 0,2× MS e KNO3 em 0× ou 0,1× MS), combinados com 1,5× MS de micronutrientes, resultando em taxas de regeneração de até 30%. O segundo estudo avaliou os efeitos das nanopartículas de prata (AgNPs) e de quitosana (ChNPs) sobre a assepsia, a oxidação e as respostas morfogênicas de explantes nodais, foliares e internodais. A desinfestação superficial com prata coloidal (20 ppm) reduziu significativamente a contaminação (~15%) sem comprometer a viabilidade. Em explantes foliares, concentrações de 4–6 mg·L?¹ de AgNPs reduziram a oxidação e aumentaram a indução de calos quando combinadas com citocininas. Embora não tenha ocorrido embriogênese somática, os resultados demonstraram que a eficácia das AgNPs depende de sua concentração, do tipo de explante e do balanço hormonal. Em conjunto, os achados fornecem subsídios valiosos para a otimização nutricional e o uso de nanopartículas no desenvolvimento de protocolos eficientes e reprodutíveis de regeneração in vitro voltados à propagação e conservação da erva-mate

Abstract: Ilex paraguariensis (Yerba mate) is a culturally, environmentally and economically important South American species widely used for beverages and pharmaceutical purposes. In this context, plant tissue culture emerges as a promising biotechnological tool, enabling the clonal propagation of elite genotypes, the production of pathogen-free plants, the conservation of germplasm, and the in vitro synthesis of bioactive compounds. However, its in vitro propagation is challenged by high contamination rates, intense phenolic oxidation, and low regeneration efficiency. This dissertation aimed to improve in vitro regeneration of Yerba mate through two complementary approaches: optimization of culture medium composition and application of nanoparticles. In the first study, a Box–Behnken experimental design was used to adjust NH4NO3, KNO3, and micronutrient concentrations in the Murashige and Skoog (MS) medium. The best responses for shoot induction were obtained with reduced nitrogen levels (NH4NO3 at 0.5× or 0.2× MS and KNO3 at 0× or 0.1× MS) combined with 1.5× MS micronutrients, resulting in regeneration rates up to 30%. The second study evaluated the effects of silver (AgNPs) and chitosan (ChNPs) nanoparticles on asepsis, oxidation, and morphogenic responses of nodal, leaf, and internodal explants. Surface disinfection with colloidal silver (20 ppm) significantly reduced contamination (~15%) without compromising viability. In leaf explants, 4–6 mg·L?¹ AgNPs effectively decreased oxidation and enhanced callus induction when combined with cytokinins. Although no somatic embryogenesis was observed, the results demonstrated that the effectiveness of AgNPs depends on their concentration, explant type, and hormonal balance. Altogether, these findings provide new insights into nutrient optimization and nanoparticle applications for developing efficient and reproducible in vitro regeneration protocols for Yerba mate propagation and conservation