Cuticular wax of Nordic berries : focus on composition, biosynthesis, and the effect of environmental factors
Trivedi, Priyanka (2021-12-03)
https://urn.fi/URN:ISBN:9789526231723
Kuvaus
Tiivistelmä
Abstract
Berries have an outer layer of hydrophobic cuticular wax which plays a role in preventing non-stomatal water loss and protection against UV-B radiation. In this thesis, the chemical composition and morphology of cuticular wax in the fruit of Nordic wild berry species, namely bilberry (Vaccinium myrtillus L.), lingonberry (V. vitis-idaea L.), bog bilberry (V. uliginosum L.), and crowberry (Empetrum nigrum L.) were explored. In bilberry, glossy type (GT) mutant and wild-type (WT) fruits at different developmental stages were investigated for the chemical composition, morphology, and biosynthesis of cuticular wax. Further, the effect of temperature and precipitation on the chemical composition of cuticular wax of bilberry fruit was studied through a latitudinal gradient from Latvia to Finland and Norway. The effect of temperature on the cuticular wax of bilberries was investigated through phytotron experiments.
Results showed that triterpenoids were the dominant compound class in the cuticular wax of bilberry and lingonberry, whereas fatty acids and alkanes dominated in bog bilberry and crowberry, respectively. During bilberry fruit development, a decrease in the proportion of triterpenoids was observed with an increase in total aliphatic compounds. A higher proportion of triterpenoids along with a lower proportion of fatty acids and ketones was found in GT fruit cuticular wax compared with WT. A lower density of crystalloid structures on GT fruit than on WT fruit could be attributed to a lower content of ketones and fatty acids. Wax biosynthetic genes CER26-like, FAR2, CER3-like, LTP, MIXTA, and BAS exhibited prevalent expression in bilberry fruit skin, indicating their role in cuticular wax biosynthesis and secretion.
Generally, through the latitudinal gradient, a decrease in the proportion of triterpenoids was observed in cuticular wax of bilberry fruit in the studied seasons. In phytotron studies, an increase in temperature led to an increase in the proportion of triterpenoids, as well as decrease in fatty acids, alkanes and ketones in bilberry fruit cuticular wax in both southern and northern clones.
This thesis brings new insights into the composition and biosynthesis of cuticular wax in Nordic wild berries. These findings serve as a stepping stone for future berry wax research and the results could have applications in the food industry.
Tiivistelmä
Pohjoisessa kasvavia marjoja ympäröi uloimpana hydrofobinen vahakerros, kutikulaarinen vaha, joka ehkäisee veden haihtumista ja suojaa marjoja UV-B-säteilyltä. Tässä väitöstyössä tutkittiin mustikan (Vaccinium myrtillus L.), puolukan (V. vitis-idaea L.), juolukan (V. uliginosum L.) ja variksenmarjan (Empetrum nigrum L.) kypsien marjojen vahakerroksen morfologiaa ja kemiallista koostumusta. Mustikan osalta sekä villityypin marjan että kiiltävän mutantin vahakerroksen koostumusta, morfologiaa ja biosynteesiä tutkittiin myös marjan kehityksen eri vaiheissa. Lisäksi ympäristötekijöiden vaikutusta mustikan vahakerrokseen tutkittiin eri leveyspiireiltä kerätyissä marjoissa. Näytteitä kerättiin Latviasta, Suomesta ja Norjasta. Työssä tarkasteltiin myös ilmastotekijöiden vaikutusta mustikan pohjoisten ja eteläisten ekotyyppien vahakerroksen koostumukseen käyttäen hyväksi suljettuja tutkimuskasvihuoneita eli fytotroneja.
Tutkimuksessa saatiin selville, että mustikoiden ja puolukoiden marjan vahakerros koostuu pääosin triterpenoideista, kun taas juolukalla ja variksenmarjalla se koostuu pääosin rasvahapoista. Mustikan marjan kehityksen aikana triterpenoidien määrän havaittiin vähenevän ja alifaattisten yhdisteiden määrän kasvavan. Kiiltävän mutanttimarjan vahakerroksen havaittiin sisältävän villityypin musikkaan verrattuna suhteessa enemmän triterpenoideja, mutta vähemmän ketoneja ja rasvahappoja. Myös kristalloidirakenteiden määrä oli kiiltävässä marjassa alhaisempi. Vahan biosynteesiin osallistuvien geenien CER26-like, FAR2, CER3-like, LTP, MIXTA ja BAS havaittiin ilmentyvän vahvasti mustikan kehityksen eri vaiheissa, mikä viittaa niiden olevan tärkeässä roolissa kutikulaarisen vahakerroksen synteesissä.
Perustuen väitöstyön aikana eri leveyspiireillä tehtyihin keräyksiin, triterpenoidien osuuden mustikan vahakerroksessa havaittiin laskevan etelästä pohjoiseen mentäessä. Fytotronikokeet osoittivat, että lämpötilan nousu johtaa triterpenoidien määrän ja osuuden kasvuun, mutta toisaalta rasvahappojen, alkaanien ja ketonien määrän laskuun sekä eteläisten että pohjoisten mustikkakloonien vahakerroksessa.
Väitöstyö tuo uutta tietoa liittyen pohjoisten marjojen vahakerroksen kemialliseen koostumukseen ja biosynteesiin. Tutkimuksen tulokset luovat pohjaa tulevaisuuden vahatutkimukselle, minkä lisäksi niitä voidaan hyödyntää mustikan osalta myös elintarviketeollisuudessa.
Original papers
Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.
Trivedi, P., Karppinen, K., Klavins, L., Kviesis, J., Sundqvist, P., Nguyen, N., Heinonen, E., Klavins, M., Jaakola, L., Väänänen, J., Remes, J., & Häggman, H. (2019). Compositional and morphological analyses of wax in northern wild berry species. Food Chemistry, 295, 441–448. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.05.134
Trivedi, P., Nguyen, N., Klavins, L., Kviesis, J., Heinonen, E., Remes, J., Jokipii-Lukkari, S., Klavins, M., Karppinen, K., Jaakola, L., & Häggman, H. (2021). Analysis of composition, morphology, and biosynthesis of cuticular wax in wild type bilberry (Vaccinium myrtillus L.) and its glossy mutant. Food Chemistry, 354, 129517. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129517
Trivedi, P., Klavins, L., Hykkerud, A. L., Kviesis, J., Elferts, D., Martinussen, I., Klavins, M., Karppinen, K., Häggman, H., & Jaakola, L. (2021). Effect of temperature on the chemical composition of berry cuticular wax of bilberry (Vaccinium myrtillus L.) through a latitudinal gradient. Manuscript in preparation.
Osajulkaisut
Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.
Trivedi, P., Karppinen, K., Klavins, L., Kviesis, J., Sundqvist, P., Nguyen, N., Heinonen, E., Klavins, M., Jaakola, L., Väänänen, J., Remes, J., & Häggman, H. (2019). Compositional and morphological analyses of wax in northern wild berry species. Food Chemistry, 295, 441–448. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.05.134
Trivedi, P., Nguyen, N., Klavins, L., Kviesis, J., Heinonen, E., Remes, J., Jokipii-Lukkari, S., Klavins, M., Karppinen, K., Jaakola, L., & Häggman, H. (2021). Analysis of composition, morphology, and biosynthesis of cuticular wax in wild type bilberry (Vaccinium myrtillus L.) and its glossy mutant. Food Chemistry, 354, 129517. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129517
Trivedi, P., Klavins, L., Hykkerud, A. L., Kviesis, J., Elferts, D., Martinussen, I., Klavins, M., Karppinen, K., Häggman, H., & Jaakola, L. (2021). Effect of temperature on the chemical composition of berry cuticular wax of bilberry (Vaccinium myrtillus L.) through a latitudinal gradient. Manuscript in preparation.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38841]