The effect of different light spectra on berry callus pigment accumulation, lipid composition and secondary metabolism

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801151279
Title: The effect of different light spectra on berry callus pigment accumulation, lipid composition and secondary metabolism
Author: Åman, Olli
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy
Publisher: Helsingfors universitet
Date: 2014
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801151279
http://hdl.handle.net/10138/144491
Thesis level: master's thesis
Discipline: Farmaceutisk biologi
Pharmacological biology
Farmaseuttinen biologia
Abstract: Plant cells in plant cell cultures can be used for production of secondary metabolites and recombinant proteins. Producing the desired compounds can be problematic since cells grow slowly, yields can be low and sometimes plant cells do not produce the desired compounds. Yields can be increased by various methods, of which optimisation of growth conditions to favour growth and secondary metabolite biosynthesis is one of various strategies. Light quality is known to have an impact on growth of plants and on accumulation of secondary metabolites. Plants receive information of their environment with photoreceptors, which gives plants ability to alter their morphology and biochemistry to adapt to the prevailing conditions. One of the most important factors involved in controlling morphology and metabolism is activity of bZIP protein HY5, which levels are controlled by degradation by E3 ubiquitin ligase COP1. The photoreceptors are divided to three main groups. A group of Blue/UV-A photoreceptors consists of cryptochromes and phototropins. Phytochromes are photochrome photoreceptors of wavebands of red and far-red. UVR8 photoreceptors are specialized to sense UV-B wavebands. Activated photoreceptors reduce the activity of COP1 individually or inductively. Plant cells contain the same genetic information as intact plants. Object of this study is to investigate effects of different light spectra on plant cell mass pigment accumulation, lipid content and accumulation of secondary metabolites. Additionally, the obtained results can be utilized in designing new artificial light sources to enhance growth and nutritional value of horticultured plants grown under artificial light. VTT's callus cultures established from berries of Rubus (raspberry, cloudberry, arctic bramble) and Vaccinium (lingonberry, bilberry, cranberry) were used in this study. The cell cultures were grown in hormone balanced solid media. For this research Valoya provided four different LED light sources with different spectra, ranging between wavebands 400–800 nm. All berry callus cultures were grown for continuous period of 28–31 days under different light sources. Mass pigments, lipid composition, total phenolic concentration and anthocyanins were analysed from each cell cultures which received different light treatments. Samples were pooled and were by freeze dried and milled. Mass pigments were extracted with acetone and analysis was carried out with UPLC-DAD. Extraction of lipids was carried out with petroleum ether followed with transesterification of glycerolipids and silylation of free fatty acids. The lipid extracts were analysed with GC-MS. Phenolic compounds were extracted with methanol and the extracts were treated with Folin-Ciocalteu's reagent and then analysed with spectrophotometer. Anthocyanins were extracted with acidified methanol and a portion of the extracts were hydrolysed to qualify anthocyanidin moieties of anthocyanins. The extracts and the hydrolysed extract were analysed with UPLC-DAD. Analysis of volatile compounds from each light treated samples was carried out with SPME GC-MS. The obtained results were used to compare concentration differences of the analytes under different light treatments. Correlations between the concentrations of the analytes and different wavebands were possible to establish from the results. Activation of cryptochromes and phytochromes reduced certain lipids that are precursors in LOX-pathway which indicates to increased activity of the pathway. Same wavebands which activated the photoreceptors reduced accumulation of mass pigments, whereas, wavebands of far-red increased the concentrations of mass pigments. In some cases it was observed that small difference in light spectra reduced mass pigment accumulation significantly. The plant cell cultures produced mainly anthocyanins which anthocyanidin moieties were same as in intact plants. Cryptochrome and phytochrome activation increased accumulation of anthocyanins. Yields of anthocyanins can be increased significantly with certain spectra significantly. The effect of light spectra did not have as straightforward effect on total phenolic content. Specie- and linewise differences were observed in light conditions where the highest concentrations of total phenolics were obtained.Kasvisoluja voidaan käyttää useiden sekundaarimetaboliittien ja rekombinattiproteiinien tuottoon. Haluttujen yhdisteiden tuottaminen kasvisoluilla saattaa olla ongelmallista solujen kasvun hitauden, alhaisen saannon tai yhdisteen esiintymättömyyden vuoksi. Sekundaarimetaboliittien saantoa voidaan kuitenkin kasvattaa useilla eri menetelmillä, joista kasvuympäristön optimoiminen kasvua ja sekundaarimetaboliittien tuottoa suosivaksi on yksi useista strategioista. Valon laadun tiedetään vaikuttavan kasvien kasvuun sekä useiden sekundaarimetaboliittien muodostumiseen kasveissa. Kasvit saavat tietoa ympäristöstään valoreseptoreiden avulla, joiden avulla kasvit pystyvät muuntamaan morfologiansa ja biokemialliset prosessinsa vallitseviin olosuhteisiin soveltuviksi. Yksi tärkeimmistä morfologiaan ja metaboliaan vaikuttavista tekijöistä on bZIP proteiinin HY5:n aktiivisuus, jonka määrää E3 ubikitiini COP1 hillitsee. Valoreseptoreita on kolme eri pääryhmää. Sinisen ja UV-A-aallonpituuksien reseptoreihin kuuluvat kryptokromit ja fototropiinit. Fytokromit ovat punaisten ja kaukopunaisten aallonpituuksien fotokromivaloreseptoreita. UVR8 valoreseptorit ovat erikoistuneet UV-B säteilyn aistimiseen. Aktivoituneet valoreseptorit itsessään sekä induktiivisesti vähentävät COP1:n aktiivisuutta. Kasvisolut sisältävät saman geneettisen tiedon kuin kasvit, joista soluviljelmät on aloitettu. Tutkimuksen on tarkoitus selvittää valon eri aallonpituuksien vaikutus kasvisoluviljelmien massapigmenttien määrään, lipidikoostumukseen ja sekundaarimetabolittien saantoon. Saatuja tuloksia voidaan myös hyödyntää uusien keinovalojen suunittelussa, jolla voidaan parantaa keinovalaistuksella kasvatettujen ravintokasvien kasvua ja ravintosisältöä. Tutkimuksessa käytettiin VTT:n Rubus-suvun (vadelma, lakka, mesimarja) ja Vaccinium-suvun (puolukka, mustikka, karpalo) perustettuja kallusviljelmiä. Soluviljelmiä kasvatettiin petrimaljoissa ravinteita sisältävillä ja hormonitasapainotetuilla kasvualustoilla. Tutkimusta varten Valoya toimitti neljä eri spektrin omaavaa LED-valonlähdettä, joiden spektrit olivat 400-800 nm välillä. Jokaisen marjalajin kallusviljelmiä kasvatettiin yhtäjaksoisesti eri valonlähteiden alla 28-31 vuorokauden ajan. Kasvisoluviljelmistä analysoitiin massapigmentit, lipidikoostumus, kokonaisfenolikonsentraatio sekä antosyaanit. Lisäksi marjalajikohtaiset antosyanidit tunnistettiin. Näytteet yhdistettiin, esikäsiteltiin pakkaskuivaamalla ja jauhamalla. Massapigmentit uutettiin asetonilla ja määritettiin UPLC-DAD laitteistolla. Lipidit uutettiin petrolieetterillä jonka jälkeen uutteen glyserolipidit vaihtoesteröitiin ja vapaat rasvahapot silyloitiin. Tämän jälkeen lipidinäytteet määritettiin GC-MS laitteistolla. Kokonaisfenolikonsentraation määritystä varten fenolit uutettiin metanolilla ja uutteet käsiteltiin Folin-Ciocalteun reagenssilla. Antosyaanit uutettiin happamalla metanolilla, sekä osa uutoksesta hydrolysoitiin antosyanidien tunnistusta varten. Antosyaaniuutos ja hydrolysoitu uutos analysoitiin UPLC-DAD laitteistolla. Haihtuvien yhdisteiden määritys pyrittiin tekemään elävästä kasvisoluviljelmästä GC-MS:llä SPME-uuttotekniikkaa käyttäen. Kokonaisuudessaan saaduista tuloksista pystyttiin vertailemaan pitoisuuseroja eri valonlähteiden alla, sekä tuloksista pystyttiin laskemaan eri yhdisteiden konsentraatioiden ja valon aallonpituuksien välinen korrelaatio. Kryptokromien ja fytokromien aktivoituminen vähensi tiettyjen LOX-metaboliareitin lähtöaineina olevien lipidien pitoisuutta, joka viittaa kyseisen metaboliareitin aktiivisuuden kasvuun. Samat aallonpituudet, jotka aktivoivat kyseisiä valoreseptoreita, vähensivät massapigmenttien määrää ja kaukopunaiset aallonpituudet kasvattivat niiden pitoisuutta. Joissain tapauksissa oli nähtävissä, että vähäinen ero valon spektrissä vähensi massapigmenttien määrää merkittävästi. Kasvisoluviljelmät tuottivat pääsääntöisesti antosyaaneja joiden antosyanidi-osat olivat samoja kuin kokonaisissa kasveissa. Antosyaanien saantoa suurensi kryptokromien ja fytokromien aktivaatio. Antosyaanien saantoa pystytään kasvattamaan joissain tapauksissa merkittävästi sopivien aallonpituuksien avulla. Valon vaikutus kokonaisfenolipitoisuuteen ei ollut yhtä selvä, näytteissä oli nähtävissä laji- ja linjakohtaisia eroja.
Subject: LED
secondary metabolism
anthocyanin
plant phenols
fatty acid
plant cell cultures
light quality
photoreceptor
sekundaarimetabolismi
antosyaani
kasvifenolit
rasvahappo
kasvisoluviljelmä
valon laatu
valoreseptori


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
pro_gradu_Aman_Olli_2014.pdf 5.528Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record