Tannins and other polyphenols in Geranium sylvaticum : Identification, intraplant distribution and biological activity

Abstract

This thesis studies the phenolic compounds of Geranium sylvaticum L. It focuses especially on geraniin and related ellagitannins. The literature review covers the phytochemistry of Geranium species, the biological activity of tannins and methods for the analysis and identification of tannins.

In the experimental work, methods were developed for the extraction and high-pressure liquid chromatographic analysis of polyphenols in G. sylvaticum organs and their degradation products in the alkaline pH. Using a high-resolution mass spectrometry and diode array detection, water-soluble polyphenols in the organs of Geranium sylvaticum were tentatively identified and studied for their seasonal variation. Moreover, the main compounds were isolated and structures further elucidated. The biological activity of organ extracts and fractions was measured with antioxidant activity and pro-oxidant activity assays.

Results showed that the plant organs of G. sylvaticum have distinctive intraplant variation in their phenolic profiles. Geraniin and other ellagitannins dominated in all the green photosynthetic organs. While the pistils accumulated gallotannins, the stamens kaempferol glycosides, and seeds and roots accumulated oligomeric proanthocyanidins. Of these, galloylglucoses, gallotannins and minor ellagitannins in particular showed seasonal and ontogenic variation. The petals contained unique acetylglucosylated hydrolysable tannins. These compounds showed capacity to act as copigments for anthocyanins. Due to the high content of ellagitannins and galloyl quinic acids, the leaf, pistil and hairy root extracts showed high antioxidant and pro-oxidant activity. Hydrolyzable tannins degraded fast in the alkaline conditions used in the pro-oxidant test and produced hydrolysis, deprotonation and oxidation products.

The observed intraplant distribution of the polyphenol groups, seasonal and ontogenic variation, and the various biological activities observed may reflect the different functions and importance of various types of tannins in the plants’ interaction with pollinators, herbivores and/or pathogens.

Metsäkurjenpolven (Geranium sylvaticum) tanniinit ja muut polyfenolit: tunnistaminen, kasvinsisäinen jakaantuminen ja biologinen aktiivisuus

Tutkimustyö käsittelee metsäkurjenpolven (Geranium sylvaticum L.) fenolisia yhdisteitä keskittyen erityisesti geraniiniin ja muihin ellagitanniineihin. Kirjallisuusosiossa käydään läpi kurjenpolvikasvien kemiaa, tanniinien biologista aktiivisuutta ja niiden analysointimenetelmiä.

Kokeellisessa osiossa kehitettiin nestekromatografisia analyysimenetelmiä, joilla tutkittiin metsäkurjenpolven eri kasvinosien polyfenoleja sekä niiden hajoamistuotteita emäksisissä olosuhteissa. Vesiliukoiset polyfenolit tunnistettiin ja niiden kasvukauden aikainen vaihtelu metsäkurjenpolven eri kasvinosissa tutkittiin käyttäen massaspektrometriaa. Lisäksi pääyhdisteet eristettiin tarkempaa rakenteen määrittämistä varten. Kasvinosauutteiden ja fraktioiden biologista aktiivisuutta mitattiin antioksidantti- ja pro-oksidanttiaktiivisuustesteillä.

Tuloksista nähtiin, että metsäkurjenpolven kasvinosien polyfenolikoostumukset erosivat merkittävästi. Geraniinia ja muita ellagitanniineja esiintyi etenkin vihreissä yhteyttävissä osissa. Emeistä löytyi korkeita pitoisuuksia gallotanniineja, heteistä kemferoliglykosideja, siemenistä ja juurista oligomeerisia proantosyanidiineja. Näistä etenkin galloyyliglukooseilla, gallotanniineilla ja ellagitanniineilla havaittiin kasvukaudenaikaista ja kasvuvaiheesta riippuvaa vaihtelua. Terälehdistä tunnistettiin aivan uusi asetyyliglykosyloituneiden hydrolysoituvien tanniinien ryhmä, joiden havaittiin toimivan antosyaanien väriä tehostavina kopigmentteinä. Korkean ellagitanniini- ja galloyylikviinihappopitoisuuden takia etenkin lehti-, emi- ja hiusjuuriuutteet osoittivat voimakasta antioksidantti- ja pro-oksidanttiaktiivisuutta. Hydrolysoituvat tanniinit hajosivat nopeasti pro-oksidanttitestissä käytetyissä emäksisissä olosuhteissa ja reaktiossa syntyi hydrolyysi-, deprotonaatio- ja hapettumistuotteita.

Havaittu kasvinsisäinen jakaantuminen, kasvukauden ja kasvuvaiheen aikainen vaihtelu ja biologinen aktiivisuus kuvastavat kuinka erityyppisillä tanniineilla voi olla erilaisia tehtäviä ja merkitys kasvin ja sen pölyttäjien, kasvinsyöjien sekä patogeenien välisissä vuorovaikutuksissa.