Towards a comprehensive understanding of the fruit development and ripening process of wild bilberry (Vaccinium myrtillus L.)

Abstract

Abstract

Bilberry (Vaccinium myrtillus L.) is well-known as an excellent natural dietary source due to its high level of bioactive compounds, attracting significant interest from scientific research and industrial applications. Numerous studies have focused on understanding the molecular mechanism and metabolic profiling of bioactive compounds during fruit ripening. However, knowledge of biological systems from genes to compounds during the ripening process and database resources on bilberry have been scarce. Therefore, the primary aim of the thesis is to narrow these gaps.

The present thesis provides the first transcriptome, proteome, and metabolome datasets throughout fruit development and ripening in bilberry. Based on the transcriptome dataset, candidate genes related to bilberry ripening, including transcription factors and structural genes of plant hormone biosynthetic pathways, were identified. Dynamic changes in metabolite and protein profiles during fruit ripening in bilberry were observed. The datasets reveal a regulatory network between plant hormones and physiological processes during bilberry ripening. The results clarify that abscisic acid is a primary regulator in the ripening stages and indicate that gibberellin, jasmonic acid, and salicylic acid are essential for the development process of bilberry.

Bilberry wax has recently drawn increasing attention due to the contents of bioactive compounds and as a potential source of natural waxes. In this thesis, insights into the composition and biosynthesis of bilberry cuticular wax were obtained. The results showed that triterpenoids and fatty acids are the main compositional classes of bilberry cuticular wax. In addition, a comparison of the wax composition between glaucous wildtype and glossy mutant bilberries was conducted and implied that lower levels of fatty acids and ketones may lead to the glossy appearance. Further, candidate genes related to the biosynthesis of wax in bilberry were identified utilizing the transcriptome dataset.

Tiivistelmä

Mustikka (Vaccinium myrtillus L.) tunnetaan erinomaisena luonnollisena ravinnonlähteenä, sillä sen marja sisältää korkeita määriä bioaktiivisia yhdisteitä. Tämän vuoksi mustikka on herättänyt suurta kiinnostusta myös sekä tieteellisen tutkimuksen että teollisten sovellusten parissa. Lukuisten tutkimusten avulla on pyritty ymmärtämään mustikan bioaktiivisten yhdisteiden molekulaarisia vaikutusmekanismeja sekä niiden aineenvaihdunnallisia profiileja marjan kypsymisen aikana. Tosin tuntemus biologisista järjestelmistä geenien ja yhdisteiden välillä kypsymisprosessin aikana on vähäistä. Lisäksi mustikan tietokantaresurssit ovat niukat. Tämän väitöskirjan ensisijaisena tavoitteena on näiden aukkojen kaventaminen.

Väitöskirja esittelee ensimmäiset transkriptomi-, proteomi- ja metabolomitietokannat kattavasti mustikan kypsyvän marjan eri kehitysvaiheista. Tutkimuksissa havaittiin transkriptomitietokannan avulla marjan kehitykseen liittyviä kandidaattigeenejä, mukaan lukien transkriptiotekijöitä sekä kasvihormonien biosynteesiin liittyviä rakennegeenejä. Metaboliittien ja proteiinien profiileissa havaittiin muutoksia marjan kypsymisen aikana. Lisäksi tietokannat paljastivat säätelyverkoston kasvihormonien ja fysiologisten prosessien välillä marjan kypsymisen eri vaiheissa. Tulosten perusteella abskissihappo on merkittävä marjan kypsymistä säätelevä tekijä, minkä lisäksi gibberelliinillä, jasmonihapolla ja salisyylihapolla on tärkeä rooli marjan eri kehitysvaiheissa.

Viime aikoina mustikan marjan vahapinta on herättänyt kasvavaa kiinnostusta, ei ainoastaan sen sisältämien bioaktiivisten yhdisteiden vuoksi, vaan myös luonnollisena vahan lähteenä. Tässä väitöskirjassa tutkittiin sekä mustikan vahapeitteen koostumusta että sen biosynteesiä. Saadut tulokset osoittavat, että vahapinta koostuu pääasiassa triterpenoideista ja rasvahapoista. Tutkimuksessa verrattiin myös mustikan sinertävän villityypin ja kiiltävän mutantin vahapinnan koostumusta. Tulosten perusteella mutantin kiiltävän vahapinnan taustalla voi olla sen sisältämien rasvahappojen ja ketonien alhaisempi määrä. Lisäksi transkriptomitietokantaa hyödyntämällä löydettiin kandidaattigeenejä, jotka liittyvät vahan biosynteesiin.

<div lang="en" class="abs"> <p class="abs_header">Original papers</p> <ol type="I"> <li> <p>Nguyen, N., Suokas, M., Karppinen, K., Vuosku, J., Jaakola, L., &amp; H&auml;ggman, H. (2018). Recognition of candidate transcription factors related to bilberry fruit ripening by de novo transcriptome and qRT-PCR analyses. Scientific Reports, 8(1), 9943. https://doi.org/10.1038/s41598-018-28158-7 <a href="https://doi.org/10.1038/s41598-018-28158-7">https://doi.org/10.1038/s41598-018-28158-7</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018090534604">Self-archived version</a></p> </li> <li> <p>Nguyen, N., Bergmann, U., Jaakola, L., H&auml;ggman, H., Jokipii-Lukkari, S., &amp; Toth, K. (2024). Metabolomic and proteomic profiling during the fruit ripening of wild bilberry (Vaccinium myrtillus L.). Manuscript in preparation. </p> </li> <li> <p>Trivedi, P., Nguyen, N., Klavins, L., Kviesis, J., Heinonen, E., Remes, J., Jokipii-Lukkari, S., Klavins, M., Karppinen, K., Jaakola, L., &amp; H&auml;ggman, 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 <a href="https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129517">https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129517</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021041410442">Self-archived version</a></p> </li> </ol> </div>

<div lang="fi" class="abs"> <p class="abs_header">Osajulkaisut</p> <ol type="I"> <li> <p>Nguyen, N., Suokas, M., Karppinen, K., Vuosku, J., Jaakola, L., &amp; H&auml;ggman, H. (2018). Recognition of candidate transcription factors related to bilberry fruit ripening by de novo transcriptome and qRT-PCR analyses. Scientific Reports, 8(1), 9943. https://doi.org/10.1038/s41598-018-28158-7 <a href="https://doi.org/10.1038/s41598-018-28158-7">https://doi.org/10.1038/s41598-018-28158-7</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018090534604">Rinnakkaistallennettu versio</a></p> </li> <li> <p>Nguyen, N., Bergmann, U., Jaakola, L., H&auml;ggman, H., Jokipii-Lukkari, S., &amp; Toth, K. (2024). Metabolomic and proteomic profiling during the fruit ripening of wild bilberry (Vaccinium myrtillus L.). Manuscript in preparation. </p> </li> <li> <p>Trivedi, P., Nguyen, N., Klavins, L., Kviesis, J., Heinonen, E., Remes, J., Jokipii-Lukkari, S., Klavins, M., Karppinen, K., Jaakola, L., &amp; H&auml;ggman, 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 <a href="https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129517">https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129517</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021041410442">Rinnakkaistallennettu versio</a></p> </li> </ol> </div>