Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1335
Main Title: Impact of elicitors on glucosinolate production in plants and exudates of turnip (Brassica rapa)
Translated Title: Einfluss von Elicitoren auf die Glucosinolatproduktion in Pflanzen und Exsudaten von Rüben (Brassica rapa)
Author(s): Smetanska, Iryna
Advisor(s): Knorr, Dietrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Glucosinolate sind charakteristische sekundäre Pflanzenstoffe der Brassicaceae. Ausgewählte Glucosinolate besitzen nachweislich antikanzerogene, antioxidative sowie antimikrobielle Eigenschaften. Die Extraktion von Glucosinolaten erfolgte bisher aus pflanzlichen Rest- bzw. Abfallmaterial (z.B. Brokkoli-Stiele), in denen oft nur sehr niedrige Konzentrationen an gewünschten, gesundheitsfördernden Gesamtglucosinolaten vorhanden sind. Zudem variiert der Gehalt an Gesamt- und Einzelglucosinolaten je nach Sortenwahl, Anbauverfahren und Erntetermin sehr stark, so dass das Rohmaterial eine sehr unterschiedliche Qualität hinsichtlich der Glucosinolatgehalte und des Glucosinolatmusters aufweist. Durch die Wahl der Brassica-Art kann über die Ausnutzung des genetischen Potentials im ersten Schritte die Gehaltshöhe an Gesamt- und gewünschten, d. h. gesundheitsfördernden Einzel-glucosinolaten gezielt beeinflusst werden. Aufgrund dessen wurde die Teltower Rübe (Brassica rapa L. var. rapa pygmea teltoviensis) ausgewählt, weil dies in Vergleich zu anderen Brassicaceae einen höheren Gehalt an gewünschten Glucosinolaten wie z. B. Glucobrassicin, Gluconasturtiin und Neoglucobrassicin aufweist. Wurzelexsudate sind im Vergleich zu Pflanzenextrakten relativ einfache Stoffgemische. Diese Eigenschaft der Wurzelexsudate kann den Aufwand und damit die Kosten für die Einengung und Reinigung zur Gewinnung der Glucosinolate minimieren. Pflanzen wurden in hydroponischen und aeroponischen Systemen kultiviert, so dass durch kontinuierliche Rhizosekretion die Glucosinolate ohne aufwendige Extraktionsverfahren aus den Wurzelexsudaten gewonnen werden konnten. Diese Technologie ermöglicht einen neuen und effizienten Weg für ein “Phytomanufacturing” zur Gewinnung von Glucosinolaten. Es wurde zudem eine Methode zur Separation der Glucosinolate vom Nährmedium und zu ihrer Anreicherung entwickelt. Für ein ausgeprägtes Wurzelwachstum und damit für eine verstärkte Glucosinolatausbildung ist die Entwicklung eines geeigneten Anbausystems von entscheidender Bedeutung. Daher wurden hydroponische und aeroponische Systemen für Rübe konzipiert und verglichen. Pflanzenwachstum, Rhizosekretion sowie auch die Glucosinolatsynthese können durch die Applikation verschiedener Nährlösungszusammensetzungen und durch die Anwendung von Elicitoren gesteuert werden. Um das Sekundärwurzelwachstum und Glucosinolatesynthese zur stimulieren, wurde eine spezielle Nährlösung entwickelt. Die Beeinflussung der Genexpression durch gezielte Elicitorenverwendung in den verschiedenen Schritten der Glucosinolatesynthese ermöglicht Veränderung der Gehalte und des Glucosinolatprofils in der Pflanze sowie in den Exsudaten. Als Elicitoren wurden Salicylsäure und Methyljasmonat ausgewählt. Da die Reaktion der Pflanzen auf die Elicitoren, und folglich die Erhöhung der Glucosinolatgehalte im Pflanzengewebe sowie in den Exsudaten kurzzeitig, und die Erhöhung der Glucosinolatsynthese in Abhängigkeit vom Entwicklungsstadium unterschiedlich hoch sein kann, wurde der Elicitoreneinfluss bei verschiedenen Entwicklungsstadien der Rübenpflanzen auf den Glucosinolatgehalt untersucht. Durch die Optimierungen des Kulturmanagements erhörte sich der Glucosinolatgehalt in den Pflanzen und auch in den Exsudaten. Die Ergebnisse, die während dieser Forschungsarbeit gefunden worden, können in weiteren Untersuchungen für die Gewinnung von sekundären Metaboliten aus Pflanzen durch Wurzelsekretion genutzt werden.
Glucosinolates are a group of phytochemicals found in plants of the family Brassicaceae. Due to their anti-carcinogenic, antioxidative, and antimicrobial properties glucosinolates have generated considerable interest for the food and pharmaceutical industry. For the extraction of glucosinolates the plant wastes (ex. broccoli stalks) are used, but they often have low concentrations of health-promoting glucosinolates. Moreover, the content of total as well as individual glucosinolates depends strongly on plant variety, cultivation, harvesting and storage conditions, which influence the quality of the initial row material for glucosinolates manufacturing. The content and profile of glucosinolates can be matched through the selecting of Brassica plants with proper genetic potential. Turnip (Brassica rapa L. var. rapa pygmea teltoviensis) was selected because of its high level of desirable glucosinolates, particularly glucobrassicanapin, gluconasturtiin, and neglucobrassicin, as compared to other Brassicaceae. Glucosinolates could be produced by continuous rhizosecretion from the roots of soil-free grown plants. Root exudates are relatively simple mixtures in comparison to plant tissues, which allow reducing the costs and procedure of their extraction and purification. Moreover, to the advantages of rhizosecretion belongs its continuity. This technology offers a novel and efficient way of glucosinolate “phytomanufacturing”. In the course of investigation it was developed the method of glucosinolate extraction from the growing medium. To increase the yield of glucosinolates, it is necessary to activate their synthesis in plant tissues and to alter their exudation from plant roots. For enhancing root growth, and consequently root surface, the optimal soil-free system had to be constructed. It was compared different, particularly hydroponic and aeroponic systems were compared. Plant growth, glucosinolate synthesis, and rhizosecretion intensity can be regulated by creating special plant nutrition status and elicitor application. To increase the yield of glucosinolates from plant tissues and exudates it was composed special nutrient solution. The way to modulate the profile of individual glucosinolates is to influence the expression of genes, involved in phytochemical synthesis by the elicitor application. Salicylic acid and methyl jasmonate were selected based on the previous investigations. Plant response on elicitor application showed to be decreased with the time. This made important to study the kinetic of plant reaction on elicitor treatment and its dependence on the stage of elicitor application. Through the development of the complex technology of turnip plant cultivation it was accessed the enhancement of total and individual, particularly the content of health-promoting glucosinolates in plants and exudates. This study makes the contribution in developing of the approaches for designing the novel strategies for the production and isolation of phytochemicals.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12519
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1632
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1335
Exam Date: 20-Dec-2005
Issue Date: 5-Apr-2006
Date Available: 5-Apr-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Brassicaceae
Elicitoren
Exsudate
Glucosinolate
Rhizosekretion
Brassicaceae
Elicitors
Exudates
Glucosinolates
Rhizosecretion
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