On St. John’s Wort and Approaches to Promoting its Cultivation, Breeding, and Pharmaceutical Use

Немецкий. Das Echte Johanniskraut (Hypericum perforatum) zählt zu den ökonomisch wertvollsten Arzneipflanzen und erreicht laut zuletzt veröffentlichten Daten eine jährliche Nachfrage von etwa 580 Tonnen bei einem Preis von bis zu 9.000 € pro Hektar Anbaufläche. Gemeinsam mit dem Sonnenhut (Echinacea purpurea) weist es die höchste Wertschöpfung unter den Arzneipflanzen auf. Diese wirtschaftliche Bedeutung ist auf die evidenzbasierte Wirksamkeit seiner Inhaltsstoffe zurückzuführen, die eine Grundlage für die breite Anwendung von Johanniskrautpräparaten in der modernen Medizin bildet. Gleichzeitig machen sich jedoch Herausforderungen wie die sich verändernden klimatischen Bedingungen, wirtschaftliche Schwankungen und personelle Engpässe zunehmend bemerkbar. Dies unterstreicht die dringende Notwendigkeit, den Anbau von Arzneipflanzen in Deutschland zu fördern und weiterzuentwickeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher verschiedene Ansätze untersucht, um diese Herausforderungen zu adressieren, die nachhaltige Produktion von Johanniskraut zu sichern und neue Anwendungen mit Bedeutung für die öffentliche Gesundheit sowie ökonomisches Potenzial zu erschließen. Kern der Arbeit ist ein detailliertes phänotypisches Screening verschiedener Akzessionen der Gattung Hypericum mit Schwerpunkt auf Hypericum perforatum, um für die Züchtung geeignete genetische Ressourcen aufzudecken. Dabei konnten besonders interessante Akzessionen identifiziert werden, die vorteilhafte Ausprägungen unterschiedlicher Merkmale aufweisen. Da ein kontinuierliches Monitoring wertgebender Merkmale für die digitalisierte Pflanzenproduktion unerlässlich ist, wurden erfolgreich zwei „Computer-Vision“ Modelle für die Pflanzen- und Blütenerkennung entwickelt. Diese Werkzeuge werden die Möglichkeiten zur Echtzeitüberwachung und Quantifizierung der Pflanzenentwicklung bei Hypericum spp. erweitern und personelle Engpässe im Selektionsprozess abmildern. Um die Züchtungsziele im Hinblick auf sekundäre Metaboliten zu konkretisieren, wurde das Potenzial von H. perforatum-Extrakten zur Reduktion von β-Amyloid in Alzheimer-Modellen untersucht. Während in vielen Nutzpflanzenarten unterschiedliche Techniken zur genetischen Manipulation adaptiert sind, gibt es bei Hypericum perforatum große Schwierigkeiten bei der Übertragung der etablierten Transformationstechniken. Zur Überwindung dieser Situation wurde die Anwendbarkeit von zellpenetrierenden Peptiden an in vitro Kulturen von H. perforatum getestet und war erfolgreich. Dieser Ansatz eröffnet insbesondere für Pflanzen mit antimikrobiellen sekundären Inhaltsstoffen neue Perspektiven zur transienten Genmanipulation, da die üblichen Herausforderungen wie toxische Effekte auf Transformationssysteme umgangen werden können. Darüber hinaus bietet er auch Potenzial für die Anwendung in stabilen Transformationstechniken und anderen biotechnologischen Verfahren. Die Ergebnisse der durchgeführten Arbeiten tragen wesentlich zur Verbreiterung der wissenschaftlichen Basis im Bereich der Arzneipflanzenforschung bei und bieten Perspektive und direkten Nutzen für Züchtungsprogramme, Pflanzenproduzenten und weiterführende wissenschaftliche Projekte.

Английский. St. John’s Wort (Hypericum perforatum) is one of the most economically valuable medicinal plants, with a reported annual demand of approximately 580 tons and a cultivation value of up to €9,000 per hectare. Along with Echinacea (Echinacea purpurea), it represents the highest economic yield among medicinal plants. This economic significance is primarily based on the evidence-based efficacy of its bioactive compounds, which serves as the foundation for the widespread use of St. John’s Wort preparations in modern medicine. However, challenges such as changing climatic conditions, economic fluctuations, and labor shortages are increasingly affecting cultivation. This highlights the urgent need to promote and further develop the cultivation of medicinal plants in Germany. To address these challenges, this study investigated various approaches aimed at ensuring the sustainable production of H. perforatum while exploring new applications with potential benefits for public health and economic value. The core of this work is a detailed phenotypic screening of various accessions of the genus Hypericum, focusing on H. perforatum, to identify genetic resources suitable for breeding. Particularly promising accessions were identified and exhibit advantageous characteristics across a range of traits. Given the necessity of continuous monitoring of valuable traits for digitized plant production, two "computer vision" models were successfully developed for plant and flower recognition. These tools enhance the capabilities for real-time monitoring and quantification of plant development in Hypericum spp. and help alleviate labor shortages in the selection process. To refine breeding objectives regarding secondary metabolites, the potential of H. perforatum extracts to reduce β-amyloid in Alzheimer’s models was also investigated. While various techniques for genetic manipulation have been adapted for many crop species, H. perforatum poses significant challenges for the application of established transformation techniques. To overcome these limitations, the applicability of cell-penetrating peptides (CPPs) was tested on in vitro cultures of H. perforatum and proved successful. This approach offers new perspectives for transient gene manipulation, particularly for plants with antimicrobial secondary metabolites, as it bypasses common issues such as the toxic effects on transformation systems. Furthermore, it holds potential for applications in stable transformation techniques and other biotechnological methods. The findings of this work make a significant contribution to expanding the scientific foundation of medicinal plant research. They also provide valuable perspectives and direct benefits for breeding programs, plant producers, and further scientific projects.