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Main Title: Pulsed electric field induced stress in plant systems
Translated Title: Gepulste Elektrische Felder zur Stressinduktion in pflanzlichen Systemen
Author(s): Balasa, Ana
Advisor(s): Knorr, Dietrich
Referee(s): Knorr, Dietrich
Alvarez, Ignacio
Rauh, Cornelia
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Pflanzen produzieren eine Reihe von komplexen Phytochemikalien als Reaktion auf verschiedene abiotische Stressoren. Polyphenolische Verbindungen sind dabei die größte Gruppe von Sekundärmetaboliten mit einer Bedeutung für die Stressreaktion von Planzen. Sie spielen eine wesentliche Rolle in der Anpassung der Planze an Stressbedingungen und tragen zu Farbe, Aroma und Geschmack von Lebensmitteln bei. Aufgrund ihrer hohen antioxidativen Kapazität und ihres positiven Einflusses auf die Gesundheit wächst das Interesse am Verzehr von Lebenmitteln mit einem hohen Gehalt an natürlichen Antioxidantien. Zur Erhöhung der Konzentration an Polyphenolen durch Stressinduktion wurde die Anwendung gepulster elektrischer Felder (engl. Pulsed electric fields PEF) in der Nach-Ernte Lagerung untersucht. Veränderungen im Gesamtpolyphenolgehalt, in der Aktivität und Konzentration ausgewählter Enzyme sowie der Einfluss auf die Permeabilisierung von Zellmembranen wurden in der Reaktionszeit nach Stressauslösung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anwendung niedriger PEF-Behandlungsintensitäten eine Anreicherung von polyphenolischen Verbindungen in verschiedenen Früchten induziert. Ein um 65 % höherer Polyphenolgehalt wurde in Äpfeln nach einer Behandlung mit 300 V/cm innerhalb einer Stressreaktionszeit von 48 Stunden festgestellt. De novo Synthese phenolischer Verbindungen wird dabei als Ursache angesehen, da keine Zerstörung der Zellmembran aber eine Veränderung der Gesamtpolyphenol-Akkumulation während der Stressreaktionszeit beobachtet wurde. Nach der Induktion einer irreversiblen Membranpermeabilisierung bei 1200 und 4000 V/cm kam es zu einer Verringerung der Gesamtpolyphenolkonzentration um 88 % während der Reaktionszeit von 24 Stunden. Die Abnahme phenolischer Verbindungen wird dabei auf die umfangreiche Zerstörung des Zellmaterials und die Auslaugung durch Zellmembranschädigung zurückgeführt. Oxidative Prozesse werden als Ursache angesehen, da ein starker Abbau und eine entsprechend starke Bräunung des Apfelgewebes auftraten. Ähnliche Beobachtungen einer de novo Synthese von Schutzsubstanzen bei optimaler PEF-Intensität konnten nach der PEF-Behandlung von verschiedenen Früchten gemacht werden. Ein Einfluss vom ursprünglichen physiologischen Zustand und der angewendeten PEF-Intensität auf die induzierte Stressantwort konnte beobachtet werden. Weiterhin wurde eine differenzierte Stressantwort bzgl. der Polyphenolakkumulation im vielzelligen Fruchtgewebe festgestellt und damit die zellgrößenabhängige Wirkung von PEF untermauert. Aufgrund der Komplexität der metabolischen Reaktion in vielzelligem Fruchtgewebe und der Vielschichtigkeit der Umweltbedingungen, die einen möglichen PEF-Effekt maskieren, wurden Zellsuspensionskulturen als Modellsysteme entsprechender höherer Pflanzen genutzt. Die Analyse der physiologischen Fitness und Zellvitalität wurde während der Kultivierung unter kontrollierten Umweltbedingungen nach Stressinduktion durchgeführt, um das Auftreten sublethaler Schäden zu detektieren. Polyphenolkonzentration und für die Polyphenolsynthese und –oxidation relevante Enzyme wurden untersucht um den Effekt des Stressfaktors auf die Zellen und den Einfluss auf Veränderungen des Sekundärmetabolismus zu ermitteln. Eine erhöhte PAL-Aktivität unmittelbar nach PEF-Behandlung gefolgt von einer Erhöhung des Gesamtpolyphenolgehaltes 9 h nach der Stressauslösung konnte als Indiz für die de novo Synthese polyphenolischer Substanzen festgestellt werden. Obwohl eine direkte Korrelation zwischen Gesamtpolyphenolakkumulation und PPO-Aktivität nicht festgestellt werden konnte, zeigte die Behandlung mit PEF, dass das phenolische Oxidationssystem zusammen mit der Phenylpropanoid-Biosynthese in die Pflanzenstressreaktion involviert ist. Die Ergebnisse geben einen Hinweis auf einen deutlichen Effekt einer PEF-Behandlung mit niedriger Intensität auf den Metabolismus und die nachfolgende Synthese von Sekundärmetaboliten.
Plants produce a wide range of complex phytochemicals in response to different abiotic stressors. Polyphenolic compounds are one of the largest groups of secondary metabolites responsible for the plant resistance. They play a major role in plant adaptation to strained environmental conditions and contributing to color, flavor and taste of the foods. Due to their high antioxidative capacity and positive influence on human health, an increased interest in the consumption of food rich in natural antioxidants has been observed. To increase concentration of polyphenolic compounds through stress induction, pulsed electric field (PEF) treatment has been applied on fruit tissue during postharvest storage. Changes in total polyphenol (TP) concentration, activity and concentration of selected enzymes and impact on the cell membrane permeabilization have been investigated during the stress reaction period after imposed stress. The results showed that application of low treatment intensities induced increased accumulation of polyphenolic compounds in different fruits. 65 % larger TP concentration was observed in apples after 300 V/cm electric field treatment during stress reaction period of 48 h. De novo synthesis of phenolic compounds were suggested due to no detrimental impact on the cell membrane and due to changes in TP accumulation during the stress reaction period. After induction of irreversible membrane permeabilization at 1200 and 4000 V/cm, 88 % lower TP concentration was observed after a stress reaction period of 24 h. Loss of phenolic compounds was attributed to large disintegration of cellular material and leakage through damaged cell membrane. Oxidative processes were suggested based on the strong deterioration and excessive browning of apple tissue. Similar observations were made after PEF treatment of different fruits, indicating de novo synthesis of protective substances at optimal stress intensity. An impact of the initial physiological fruit fitness and the attained PEF intensity on the induced stress response has been observed. Furthermore, a distinguishable response in terms of polyphenol accumulation in the multicellular fruit tissue was observed, supporting cell size dependant impact of PEF treatment. Due to complexity of metabolic responses in multicellular fruit tissue and diversity of environmental factors that might mask impact of PEF stress, cell culture suspensions were used as model systems of corresponding higher plants. The analysis of physiological fitness and cell viability has been determined during a cultivation period in a controlled environment after imposed stress to observe the occurrence of sublethal injury. To investigate the effect of the stressor on the cells through changes in secondary metabolism, polyphenolic concentration was analyzed simultaneously with enzymes involved in polyphenol synthesis and oxidation. Increased phenylalanine ammonia-lyase (PAL) activity immediately after PEF treatment preceded increase in TP concentration observed 9 h after imposed stress, indicating de novo synthesis of polyphenolic substances. Even though a direct correlation of TP accumulation and polyphenol-oxidase (PPO) activity was not found, exposure to PEF treatment revealed that a phenolic oxidation system might be involved in the plant resistance together with phenylpropanoid biosynthesis. The obtained results represent evidence of the marked effect of low intensity PEF treatments on changed metabolic processes, followed by secondary metabolite synthesis.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-51992
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4362
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4065
Exam Date: 6-Dec-2013
Issue Date: 28-May-2014
Date Available: 28-May-2014
DDC Class: 500 Naturwissenschaften
Subject(s): Gepulste elektrische Felder
Nach-Ernte Stress
Polyphenole
Pflanzenzellkultur
Pulsed electric fields
postharvest stress
total polyphenolics
plant cell culture
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