Distribution and oxidative activities of phenolic compounds in the plant kingdom

Abstract

Plant phenolics have been studied for decades because of their role as chemodefensive compounds against herbivores and pathogens, and their assumed health benefits to humans. One of their proposed modes of actions is oxidation, which can happen enzymatically or spontaneously at alkaline conditions. An underlying issue is that the majority of studies only focus on one or few plant species or families, so gaining a comprehensive overview of the distribution of phenolics across the plant kingdom requires compiling data from several studies which may utilize fundamentally different extraction and analytical methods and have different research foci.

This thesis has two parts. First, an existing analytical method was improved with an addition of a simple in planta enzymatic oxidation step. Thereby a single analytical procedure results in three types of data: the phenolic profile of the oxidized and non-oxidized plant samples as well as the alkaline and enzymatic oxidative activity of the individual compounds as well as the raw extract. Analyzing hundreds of samples revealed that at alkaline conditions, the most active compounds either contained a pyrogallol moiety or a catechol moiety at the end of an alkane chain. While enzymatic oxidation tended to favor compounds with a catechol moiety, the activity varied between plant species and even between tissues within the same species. In addition, a method for estimating the prevailing pH in larval gut was developed by studying the isomerization of caffeoylquinic acids at alkaline pH and comparing the results to the existing data of the isomer ratios in larval frass.

Second, a research gap in the field of composition and ecology of the phenolics of tropical plants was covered in a large-scale screening study. Several predictions inspired by theories and hypotheses on plant apparency as well as resource availability and allocation were confirmed. For example, there was a strong positive correlation between seed mass and polyphenol content. The majority of seeds containing phenolics were rich in either various hydrolysable tannins or proanthocyanidins.

Kasvikunnan fenolisten yhdisteiden esiintyvyys jahapettumisaktiivisuus

Kasvien fenolisia yhdisteitä on tutkittu vuosikymmeniä, koska ne toimivat kemiallisena puolustuskeinona kasvinsyöjiä ja taudinaiheuttajia vastaan, minkä lisäksi niiden uskotaan olevan hyödyllisiä ihmisten terveydelle. Entsyymien katalysoiman sekä emäksisissä olosuhteissa tapahtuvan spontaanin hapettumisen on esitetty olevan eräs niiden toimintamuodoista. Valtaosa tutkimuksista keskittyy vain yhteen tai korkeintaan muutamaan kasvilajiin tai -heimoon, joten kattavan kokonaiskuvan saaminen edellyttää useiden tutkimustulosten koostamista siitäkin huolimatta, että mahdollisesti eri tavoitteisiin tähtäävissä tutkimuksissa on voitu käyttää oleellisesti erilaisia uutto- ja analyysimenetelmiä.

Tämä väitöskirjatyö on kaksiosainen. Ensimmäisessä osassa olemassa olevaan analyysimenetelmään lisättiin yksinkertainen vaihe, jossa fenoliset yhdisteet hapetetaan itse kasvinäytteessä. Yhdellä analyysikerralla saadaan näin kerättyä kolmenlaista dataa: hapetettujen ja hapettamattoman näytteen sisältämät fenoliset yhdisteet sekä yksittäisten yhdisteiden ja raakauutteen emäksinen ja entsymaattinen hapettumisaktiivisuus. Satojen kasvinäytteiden analysointi osoitti, että emäksisissä olosuhteissa aktiivisimmat yhdisteet sisältävät joko pyrogallooliryhmän tai tyydyttyneen hiilivetyketjun päähän sitoutuneen katekoliryhmän. Katekoliryhmän sisältävät yhdisteet olivat niin ikään altteimpia hapettumaan entsymaattisesti, mutta hapettumisaktiivisuus vaihteli eri kasvilajien ja jopa saman lajin kasvinosien välillä. Lisäksi tässä osassa kehitettiin menetelmä toukkien suolen vallitsevan pH:n arvioimiseksi tutkimalla kahveoyylikviinihappojen isomeroitumista toukkien suolen emäksisiä olosuhteita imitoivissa pH:issa ja vertaamalla tuloksia aiemmin kerättyyn tietoon kahveoyylikviinihappoisomeerien määrällisistä suhteista toukkien ulosteessa.

Työn toisessa osassa tutkittiin trooppisten kasvilajien siemeniä. Trooppisten kasvien sisältämiä fenolisia yhdisteitä ja niiden ekologiaa ei ole aiemmin juurikaan tutkittu, varsinkaan tässä mittakaavassa. Monet kasvien näkyvyyteen sekä ravinteiden saatavuuteen ja kohdentamiseen perustuvista ennusteista saivat kokeista vahvistusta – esimerkiksi siementen painon ja polyfenolikoostumuksen välillä havaittiin vahva korrelaatio. Fenolisia yhdisteitä sisältävistä lajeista valtaosa sisälsi joko erityyppisiä hydrolysoituvia tanniineja tai proantosyanidiineja.