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Main Title: Impact of radiation, temperature and growth stage on the concentration of flavonoid glycosides and caffeic acid derivatives in red leaf lettuce
Translated Title: Der Einfluss von Strahlung, Temperatur und Wachstumsstadium auf die Konzentration von Flavonoidglykosiden und Kaffeesäurederivaten in rotem Blattsalat
Author(s): Becker, Christine
Advisor(s): Kroh, Lothar W.
Kläring, Hans-Peter
Krumbein, Angelika
Referee(s): Kroh, Lothar W.
Schreiner, Monika
Krumbein, Angelika
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Flavonoide und Phenolsäuren schützen Pflanzen unter anderem vor Strahlung, welche – neben Temperatur und Ontogenie – deren Konzentration beeinflusst. Roter Blattsalat (Lactuca sativa L. var. crispa L.) enthält Quercetin-, Luteolin- und Cyanidinglykoside und Kaffeesäurederivate mit gesundheits-fördernder Wirkung – teilweise auf Grund ihrer antioxidativen Aktivität. Salat wird in Mitteleuropa in kühlen Jahreszeiten häufig unter großem Energieverbrauch in Gewächshäusern angebaut. Niedrigere Anbautemperaturen und (leider strahlungsmindernde) Tagesenergieschirme können die CO2-Bilanz verbessern aber auch die Phenolkonzentration beeinflussen. In diesem Rahmen wurde der Einfluss verminderter photosynthetischer Photonenflussdichte (PPFD) und niedriger Anbautemperatur auf Salat verschiedener Wachstumsstadien untersucht. Phenolische Substanzen wurden per HPLC-DAD-ESI-MSn analysiert. Die gefundenen Effekte waren deutlich strukturabhängig. In einem Klimakammerversuch reagierten Quercetin- und Luteolinglykoside stark auf reduzierte PPFD (410 auf 225 µmol m-2 s-1). Temporäre Strahlungs-minderung in frühen Wachstumsstadien führte aber nicht zu permanent reduzierten Konzentrationen. Multiple Regressionsanalyse konnte im Gewächs-hausversuch erstmalig die hohe Sensibilität von Flavonoidglykosiden gegenüber noch geringerer PPFD-Bereiche (230 – 43 µmol m-2 s-1) zeigen. Zusätzlich wurde zum ersten Mal eine Interaktion zwischen Pflanzenalter und PPFD bezüglich des Cyanidinglykosids demonstriert. Die Kaffeesäurederivate reagierten nicht auf die getestete PPFD. Generell übertraf die Phenolkonzentration jüngerer Pflanzen die der Älteren. In einem weiteren Klimakammerversuch akkumulierten besonders in jungen Pflanzen Cyanidinglykosid und Kaffeoyläpfelsäure infolge niedriger Temperatur (12/ 7 °C verglichen mit 20/ 15 °C tags/ nachts, bei 247 µmol m-2 s-1 PPFD). Unerwartet war dies bei Quercetin- und Luteolinglykosiden nicht der Fall, solange Pflanzen in korrespondierenden Wachstumsstadien verglichen wurden. Die differenzielle Akkumulation könnte eine Reaktion auf die Bildung unterschiedlicher reaktiver Sauerstoffspezies durch die Einflussfaktoren sein. Es scheint machbar, Tagesenergieschirme in der ersten Anbauzeit einzusetzen. Niedrige Temperatur in der Folgezeit kann die Cyanidinglykosid-konzentration erhöhen aber die Entwicklung marktreifer Köpfe verzögern.
Among the many purposes flavonoids and phenolic acids are serving in plants is protection from radiation. It influences their concentration alongside with temperature and ontogeny. Red leaf lettuce (Lactuca sativa L. var. crispa L.) contains cyanidin, quercetin, and luteolin glycosides and caffeic acid derivatives which promote human health – partly due to their antioxidant activity. In cool seasons in Central Europe, lettuce cultivation in greenhouses often consumes a lot of energy. Lowering cultivation temperature or applying energy saving (but radiation reducing) screens can improve their CO2 balance but also influence the concentration of phenolics. In this context, the impact of low photosynthetic photon flux density (PPFD) and low cultivation temperature on lettuce in different growth stages were studied. Phenolics were analyzed via HPLC-DAD-ESI-MSn. Detected effects were highly structure dependent. In a growth chamber experiment, quercetin and luteolin glycosides responded strongly to PPFD reduction (410 to 225 µmol m-2 s-1). Yet, remarkably, temporary reduction in early growth stages did not permanently decrease the concentration of phenolics. In the greenhouse experiment, the sensitivity of flavonoid glycosides to even lower PPFD ranges (230 – 43 µmol m-2 s-1) could be shown for the first time via multiple regression analysis. A most interesting interaction between plant age and PPFD regarding cyanidin glycoside was revealed. Younger plants' concentration of phenolics generally exceeded the older ones'. In another growth chamber experiment, cyanidin glycoside accumulated due to low temperature (12/ 7 °C compared to 20/ 15 °C at day/ night with 247 µmol m-2 s-1 PPFD), especially in young plants. Against all expectations, quercetin and luteolin did not accumulate – as long as plants in corresponding growth stages were compared. Caffeic acid derivatives were unresponsive to PPFD and mostly to low temperature. The observed differential accumulation of flavonoids might be due to different reactive oxygen species induced by the respective impact factors. Energy saving screen application only in the first weeks of greenhouse lettuce cultivation appears feasible. Lower temperature in the remaining time until harvest may increase cyanidin glycoside concentration but postpone development of marketable lettuce heads.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-46860
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4231
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3934
Exam Date: 9-Dec-2013
Issue Date: 26-Feb-2014
Date Available: 26-Feb-2014
DDC Class: 540 Chemie
570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): Flavonoidglykoside
Polyphenole
Salat
Strahlung
Temperatur
Flavonoid glycosides
Lettuce
Polyphenols
Radiation
Temperature
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
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