Orientador : Woodruff Whitman Benson / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-07-17T03:19:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lewinsohn_ThomasMichael_D.pdf: 10728537 bytes, checksum: 6991e43c32a35b135f5ed6c28ac2be4e (MD5) Previous issue date: 1988 / Resumo: Para estudar a composição e riqueza de insetos fit6faQos associados a capítulos de Compostas, foram coletadas amostras de 70 espécies de plantas, principalmente das tribos Astereae, Eupatorieae, Heliantheae, Senecioneae e Vernonieae. As espécies amostradas incluiram desde espécies endêmicas da região até espécies de ampla distribuição geográfica. Para investigar o efeito de macroambientes sobre as características da fauna associada, as coletas incluíram localidades em regiões litorâneas, de planalto e de montanhas, até o limite de 2300 m de altitude. O estudo abrangeu localidades nos Estados de São Paulo, Rio de Janeiro e Minas Gerais. Foram coletadas 266 amostras, com um total de 5100 plantas. Capítulos de plantas foram mantidos em frascos de criação para obter insetos adultos, que foram separados em morfoespécies e identificados, quase tor'dos até gênero. Ao todo, dos grupos fit6fagos incluídos no estudo, foram sepa rados 8700 indivíduos em 112 espécies e, correspondentemente, cerca de 800 registros destes fit6fagos em diferentes plantas. A maioria destes registros é inédita. Os principais grupos de fit6fagos ocorrentes nos capítulos foram Tephritidae, Agromyzidae e Cecidomyiidae, nos Diptera; Cochylidae, Pterophoridae e pyralidae (Phycitinae), nos Lepidopterai Lygaeidae, Miridae e Rhopalidae, nos Hemiptera. Nos Dípteros, Tephritidae e Agromyzidae apresentaram os maiores números de espécies. Os Cecidomyiidae devem ser igualmente ricos em espécies, mas não foi possível separa-las plenamente. As três famílias foram também as mais abundantes. Nos Lepid6pteros, os Tortricoidea, especialmente os Cochylidae, foram mais ricos em espécies, mas os Pterophoridae e pyralidae, com duas espécies mais comuns em cada família, foram os mais abundantes. Padrões de riqueza de espécies foram analisados separadamente a nível família e superfamília (Tephritidae, AgromyÚdae e Tortricoidea) ; (Diptera e Lepidoptera); end6fagos em conjunto, e fit6fagos em conjunto. feito dos seguintes fatores sobre a riqueza total de espécies associadas a pécies de plantas foi investigado: (a) tribo da planta; (b) número de local idades de coleta; (c) extensão geográfica das plantas, grupadas em 3 classes distribuição; (d) tamanho do capítulo, expresso como peso seco; (e) número espécies aparentadas à planta no Brasil, a nível de gênero ou de tribo mero de localidades de coleta foi o principal fator associado a riqueza de espécies dos diferentes agrupamentos de fit6fagos. A extensão de distribuição das plantas, isoladamente, também mostrou relação significativa com o número de espécies fit6fagas; mas, combinada com o número de localidades, não contribuiu significativamente para explicar a variação na riqueza de espécies. Isto é interpretado como indicador de que a diversidade beta, entre localidades, importante fator de determinação da riqueza total de espécies fit6fagas. Outros fatores contribuíram pouco para explicar a variação de riqueza diferentes espécies de plantas consideradas em conjunto, mas em grupos dos de fit6fagos e em algumas tribos o tamanho de capítulo esteve significativamente associado à riqueza de espécies. O número de espécies do mesmo gênero ou da mesma tribo, no Brasil, também contribuiu para explicar a variação, tanto da riqueza total como da local, fit6fagos por espécie de planta. A interpretação desta relação é complexa vido à correlação estatística e funcional entre fatores que envolvem mecanismos distintos: as tribos mais ricas em espécies têm também distribuição ecológica mais ampla e geralmente têm um maior número de espécies por localidade. queza local média está correlacionada com a riqueza total das espécies, mas não de ordem O e de de O núesé um em separado de A ricom o número de localidades de coleta. Plantas mais amplamente distribuídas não tendem a ter faunas locais mais ricas. Espécies polífagas e oligófagas não utilizam hospedeiros indiscriminadamente. Afinidades e preferências por determinados grupos de plantas parecem ter origem na história evolutiva dos insetos, condicionadas pelas plantas em sua região de origem e diversificação; tais preferências se mantêm mesmo em condições ecológicas e geográficas distintas. A estrutura das comunidades de insetos em capítulos de Compostas da região do Sudeste do Brasil é semelhante às de Compostas de outras regiões, e apresenta as mesmas relações com fatores potencialmente determinantes. As diferenças entre comunidades de regiões temperadas e as da região tropical do presente estudo são, principalmente, históricas, sem aparentemente envolver processas ecológicos distintos / Abstract: Composition and species richness of phytophagous insects associated with flowerheads of Compositae were investigated in samples of 70 plant species, most of them in the Astereae, Eupatorieae, Heliantheae, Senecioneae and Vernonieae. Sampled plants ranged from highly endemic species to widespread ones To investigate the effect of macrohabitat on the associated faunas, collections included a range of localities ln coastal upland and highland sites (up to 2300 m elevation) in Southeast Brazil, in the States of São Paulo, Rio de Janeiro and Minas Gerais. In alI, 266 samples with a total of 5100 plants were collected. Samples of flowerheads were kept in jars to rear adult insects, These were sorted into morphospecies and identified, almost all to genus. (Agromyzidae) are recorded for the first time in flowerheads in the Western Hemisphere. The main phytophagous groups in flowerheads were Tephritidae, Agromyzidae a11d Cecidomyiidae (Diptera) , Cochylidae, Pterophoridae and pyralidae (Lepidoptera) and Lygaeidae, Miridae and Rhopalidae (Hemiptera); a large number of Curculionidae were collected on flowerheads, but most were only adults feeding externally on the flowers; of the Coleoptera, only Apionidae were included in the analyses. Among Diptera, Tephritidae and Agromyzidae had high species numbers. Cecidomyiidae are probably equally species-rich but could not Approximately 8700 individuaIs were sorted into 112 species, for which more than 800 different host records were obtained in alI. These are mostly new records; some represent first records of the insects. Líríomyza spp. be sorted into specieSi the three families were the most abundant ln flowerheads. Among Lepidoptera the Tortricoidea. especialI y the Cochylidae. were richest in species but Pterophoridae and pyralidae (Phycitinae). with only two common species each. were the most abundant. Patterns of species richness were analysed separately for the most important families (Tephritidae. Agromyzidae and Tortricoidea), orders (Diptera and Lepidoptera), total endophages and total phytophages. Several factors were included in analyses of total species richness per host species: (a) plant tribei (b) number of sampling localitiesi (c) host plant geographical range, grouped in three cl asses i (d) flowerhead size (dry weight) i (e) taxonomic isolation - number of Brazilian species in the same genus or tribe. The number of localities was the main factor affecting total richness of alI insect groupings. Geographical range. alone, was also significantly related to species richnes but, combined with number of locali ties, did not contribute significantly to explain variation in total richness. This indicates that beta di versity 1S a major constituent of total species richness in these phytophagous communities. other factors contributed little to explain variation in phytophagous richness of alI host species, but some insects on plants in some tribes were significantly affected by flowerhead size. The number of related species, at the genus or the tribe leveI, also is correlated both with total and local species richness per host species. This relationship is difficult to interpret because it involves severa 1 distinct factors which however are functionally and statistically correlated: larger tribes also have a wider ecological range and usually have also more species per locality. Higher species richness on larger tribes may be an evolutionary response to larger "evolutionary platforms" (Zwoelfer, 1988) but may equalIy well depend on the dynamic host interchange at a more immediate ecological leveI. Mean local richness is correlated with total richness but not with the number of sampling localities. Plant range shows no significant effect on local phytophagous species richness. Polyphagous and oligophagous species do not use hosts indiscriminately. Affinities and preferences for certain plant groups se em to have an evolutionary historical basis, involving associations with common plants in the center of origin of the insects; these preferences seem to be conserved even in highly different ecological and geographical conditions. The community structure of phytophagous insects in asteraceous flowerheads ln southeastern Brazil is very similar to that of Composites of other geographical regions and shows similar relationships with potential determining factors. Differences between communities of tem~perate and tropical regions are mostly historical and apparently not due to diverging ecological processes / Doutorado / Ecologia / Doutor em Ciências Biológicas

Desde as primeiras civilizações, o ser humano se utiliza da diversidade química encontrada na natureza como parte do seu desenvolvimento e até mesmo sobrevivência. Dentre os produtos naturais, as plantas possuem destaque pela quantidade de candidatos a fármacos que chegam à fase final de estudos clínicos. Uma família de plantas de grande interesse é a Asteraceae, cujas plantas biossintetizam diferentes tipos de terpenos, poliacetilenos e substâncias fenólicas. Na busca por novas substâncias ativas, surgem as bibliotecas ou coleções de substâncias, extratos e frações que se tornaram uma das bases para a pesquisa das propriedades químicas e biológicas na indústria. Para a análise e conhecimento dessas bibliotecas são utilizadas técnicas analíticas no estado da arte, como a Cromatografia Líquida de Ultra Eficiência (do inglês, UHPLC), acoplada a Espectrômetros de Massas de Alta Resolução (do inglês, HRMS). Nesse trabalho foi desenvolvido um método analítico em CLAE-EM utilizando a abordagem metabolômica da impressão digital. Esse método foi otimizado utilizando ferramentas in silico e validado segundo padrões internacionais para validação bioanalítica, mostrando-se linear, seletivo, robusto, preciso e acurado para o que foi proposto. Esse método foi utilizado ao longo do processo de otimização para a extração de 244 diferentes espécies de Asteraceae, após a obtenção da melhor condição: 20 mg/mL de droga vegetal, proporção de etanol e água de 80% e tempo de extração de ultrassom de 15 min. A partir dessa condição, foram obtidos os extratos e construída assim a coleção denominada AsterLibII. Cento e vinte substâncias de origem natural isoladas pelo grupo de pesquisa AsterBioChem foram devidamente organizadas para compor a AsterLibI. As estruturas 2D obtidas a partir dessas substâncias, juntamente com mais de 8000 estruturas adicionais obtidas pela conversão de arquivos de levantamento bibliográfico, utilizando ferramentas computacionais, formaram a AsterLibIII. Os dados obtidos pela análise da AsterLibII por UHPLC-HRMS mostram a diversidade dos sinais que representam possíveis substâncias em uma faixa de polaridade de alta a média-baixa, não sendo facilmente interpretadas relações entre as amostras, devido à baixa sensibilidade de gráficos de dispersão e da correlação linear necessária para se obter a redução dimensional efetiva por PCA (Principal Component Analysis). Os modelos matemáticos utilizados tanto para a otimização do método analítico como para a obtenção da melhor condição para as bibliotecas se mostraram estatisticamente significativos e forneceram informações sobre as variáveis. Através das ferramentas analíticas e computacionais utilizadas, foi possível a construção de bibliotecas de produtos naturais promissoras para estudos biológicos e químicos, incluindo estudos voltados para modelos de desreplicação / From the begining, civilizations use the chemical diversity found in nature as part of their growing culture and knowledge, even to overcome disease. Among natural products, plants are most noticed because of their success in reaching the final stage of drug discovery. Asteraceae species are of great interest because of the chemical diversity and their dissemination in nature. The chemical compounds found in Asteraceae are terpenes, flavonoids, coumarins, polyacetylenes, benzofurans and phenylpropanoids. With regard to drug discovery, a new emerging approach is the construction of libraries, collections of extracts, compounds and fractions, which have become a fundamental tool for understanding biological and chemical properties, especially in industry. To perform library analysis towards knowledge, state-of-the-art techniques used are UHPLC and HRMS, mainly coupled. In this work, the development and validation of an analytical methodology using the metabolic fingerprint approach was carried out. After validation, the analytical method was considered linear, precise, robust, accurate and selective for the metabolomics analysis. The analytical method was applied together with response surface studies to obtain an efficient extraction condition that allowed to reach most of the chemical diversity. After that, 244 plant samples were extracted and AsterLibII was constructed. 120 natural compounds isolated by members of the AsterBioChem group were duly organized and became AsterLibI. Then, the 2D structures drawn from AsterLibI, along with about 8000 2D structures extracted and converted by computational means from the bibliographic search, became AsterLibIII. Graphical and mathematical analysis was performed on AsterlibII, although it was not easy to see patterns and continue the investigation of metabolites. This was due to the low sensitivity of the dispersion plots and the expected linear correlation to obtain a real dimensional reduction using Principal Component Analysis (PCA). The mathematical models used to understand the variables in the extraction and development of the method showed statistical significance and they were important to access information. Using analytical and computational tools, it was possible to construct libraries of natural products with great potential for biological and chemical studies, including dereplication studies

Estudos metabolômicos de plantas, estudos in silico e ensaios biológicos in vitro são estratégias que, em conjunto, otimizam a busca por substâncias inéditas e/ou ativas correlacionadas a determinados mecanismos de ação. Embora a família Asteraceae possua inúmeras espécies com reconhecido potencial anti-inflamatório (AI), várias delas nunca foram investigadas, como algumas espécies endêmicas do Cerrado brasileiro. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi encontrar extratos e substâncias AI que apresentassem um mecanismo de ação superior ao dos AIs atuais. Foram estudadas 57 espécies da família pertencentes a várias tribos, agrupadas em três diferentes grupos: plantas com prévia evidência AI, plantas alimentícias e espécies do Cerrado. Para se encontrar substâncias com potencial AI foi realizada a avaliação da inibição concomitante das enzimas ciclooxigenase (COX-1) e lipoxigenase (5-LOX), sendo ambas as principais vias envolvidas na inflamação, cuja inibição pode conferir maior eficácia e menores efeitos adversos do que os AI atualmente disponíveis. Adequados estudos metabolômicos (HPLC-UV-HRFTMS) e in silico (diferentes modelos estatísticos) foram realizados. O conjunto de metabólitos secundários (metaboloma) das 57 espécies investigadas representou um vasto universo de substâncias (n=6.215), que conseguiu abranger várias delas com o mecanismo de ação investigado. Corroborando o potencial desta família em apresentar espécies AI, cerca de 23% das plantas aqui investigadas foram capazes de promover a dupla inibição, com valores de IC50 (36,0 a 0,03 ?g/mL) para seus extratos comparáveis com aqueles dos inibidores padrões. Através dos estudos in silico foi possível determinar que as substâncias ativas dos extratos se referem a seus constituintes minoritários, sugerindo que devem ser muito potentes. Dentre as substâncias correlacionadas com a propriedade de dupla inibição, algumas não puderam ser identificadas, mesmo utilizando abrangentes bibliotecas de dados de produtos naturais, sugerindo que se tratam de substâncias inéditas. Além disso, dentre as espécies ativas, uma é consagrada como alimentícia e, portanto, pode vir a exercer um importante papel como nutracêutico, por exemplo vir a ser incluída na dieta de pacientes que sofrem de patologias inflamatórias. As demais espécies ativas, por sua vez, apresentam potencial para o desenvolvimento de fitoterápicos e descoberta de novos princípios ativos. Devido ao fato dos modelos estatísticos terem sido validados, as substâncias ativas ainda poderão ser utilizadas para predição de novos extratos ativos a partir apenas de seu metaboloma. Portanto, este trabalho, além de resultar em relevantes resultados, exemplifica muito bem as novas estratégias para a busca de produtos naturais inéditos e AI para um mecanismo de ação requerido, através de uma abordagem inédita e explorando espécies de importância da flora brasileira, alimentícia ou farmacológica, a partir de mínima quantidade de material vegetal. / Plant metabolomic studies, in silico studies and in vitro biological assays are strategies that together, optimize the discovery of new and/or active compounds correlated to a specific mechanism of action. Asteraceae family has many species with well known anti-inflammatory (AI) potential. Several of them have never been investigated, as some of Brazilian Cerrado. In this context, the objective of this work was to find the AI extracts and substances with a better mechanism of action than the usual AI. It was studied 57 species from different tribes of Asteraceae family, which were divided in three groups: plants with known AI property, food plants and species from Cerrado. In order to find substances with AI potential, the inhibition of cyclooxygenase (COX-1) and lipoxygenase (5-LOX) were evaluated to access AI property, once both are the main pathways involved in inflammatory process and the dual inhibition of them can provide better efficacy and less side effects than current AI. Suitable metabolomic (HPLC-UV-HRFTMS) and in silico (statistical models) studies were performed. All the secondary metabolites (metabolome) of the 57 species covered a huge number of substances (n=6,215) and some of them displayed the investigated mechanism of action. About 23% of the plants extracts were able to be dual inhibitor, with IC50 (36.0 - 0.03 ?g/mL) similar of the standard drugs, corroborating the AI potential of Asteraceae family. Through the in silico studies it was possible to determine the AI substances and that they are the minor compounds in the active extracts, suggesting that these must be potent AI. Among the substances correlated with the dual inhibition some could not be identified, even using comprehensive data bases of natural products, suggesting that these ones could be new compounds. Besides, among the active species, one is a food plant that could be useful as nutraceutical, being included in the dietary of people with inflammatory diseases. The other active plants have potential to the development of phytomedicines or drug discovery. Due to the fact that statistical models were validated, the substances also can be useful for prediction of new AI extracts only from the plant metabolome. Therefore, this work has many relevant results and also exemplifies the recent strategies to discovery of new compounds and AI with a required specific mechanism of action, trough a new approach and studying important species of the Brazilian flora, food plants and AI plants, from a minimum quantity of plant material.

O gênero Espeletia Mutis ex Bonpl (Asteraceae, Millerieae, Espeletiinae) constitui um exemplo clássico de um táxon sujeito a rápidos processos adaptativos evolutivos. Com ca. 71 espécies, este gênero se diversificou em elevadas altitudes num ecossistema emergente formado após o retraimento dos glaciares no final do Plioceno e início do Pleistoceno, os páramos, um tipo de ecossistema que biogeograficamente funciona como um complexo de \"ilhas\" presentes principalmente no noroeste dos Andes tropicais da Venezuela, Colômbia e Equador. Devido à sua complexa história evolutiva e morfologia característica, este gênero tem sido foco de muitas pesquisas envolvendo sua biologia, ecologia, taxonomia e filogenia. No entanto, do ponto de vista fitoquímico, tem sido pouco estudado e é desconhecida a influência da geografia na química do metabolismo secundário destas espécies. Neste estudo, a impressão digital metabólica de 120 amostras do gênero Espeletia foi obtida por UHPLC-UV-MS e submetida a análises quimiométricas. A correlação com dados geográficos revelou uma forte influência da biogeografia no metabolismo secundário das espécies deste gênero, apresentando uma impressão digital característica de acordo com seu país de origem numa escala global e de acordo com complexo de páramos de origem numa escala regional, o qual concorda com a filogenia atual da subtribo baseada nos marcadores ITS, ETS, rp116 e AFLPs. A análise por OPLS-DA e a desreplicação de extratos permitiu identificar as principais substâncias correlacionadas com a origem geográfica das espécies, mesmo como permitir a construção de modelos de predição da origem geográfica de novos extratos baseados nos seus perfis químicos. Além disso, uma análise filogenética efetuada com dados metabolômicos revelou, embora com pouco suporte, uma correlação geográfica em que as espécies da Venezuela correspondem ao clado ancestral do gênero. Adicionalmente, a química do metabolismo secundário da subtribo Espeletiinae foi revisada e um bando de dados, o ChemEsp (Chemistry of Espeletiinae), foi construído incluindo todos os metabólitos descritos na literatura, mesmo como outras informações químicas, botânicas e geográficas. Finalmente, a desreplicação de extratos permitiu a identificação de várias substâncias não descritas previamente no gênero Espeletia e/ou na subtribo Espeletiinae, incluindo uma grande variedade de flavonoides e ácidos cafeoilquínicos, junto com outros metabólitos já descritos no gênero por métodos fitoquímicos clássicos. Os resultados obtidos, além de contribuírem para a geração de conhecimento sobre a química do metabolismo secundário do gênero Espeletia, revelaram informações sobre as relações filogenéticas e biogeográficas do gênero baseadas em marcadores químicos, empregando-se modernas metodologias analíticas e computacionais. / The genus Espeletia Mutis ex Bonpl (Asteraceae, Millerieae, Espeletiinae) constitutes a classic example of a taxon undergoing rapid adaptive evolutionary processes. With ca. 71 species, this genus diversified at high altitudes in an emerging ecosystem formed after the retreat of the glaciers in the late Pliocene and early Pleistocene, the páramos, a type of ecosystem that biogeographically acts as an \"island\" complex in the northwestern tropical Andes of Venezuela, Colombia and Ecuador. Due to its complex evolutionary history and characteristic morphology, this genus has been focus of several investigations regarding its biology, ecology, taxonomy and phylogeny. However, phytochemically, they have been poorly studied and it is unknown the influence of geography in their secondary metabolism. In this study, the metabolomic fingerprint of 120 samples of the genus Espeletia was analyzed by UHPLC-UV-MS and chemometrics. Correlations with geographical data revealed a strong influence of biogeography on their secondary metabolism, displaying a characteristic fingerprint according to their country of origin in a global scale and by páramo complex in a regional scale, which is in agreement with the current phylogeny of the subtribe based on ITS, ETS, rp116 and AFLPs markers. An OPLS-DA analysis and extract dereplication allowed the identification of the main compounds correlated with their geographical origin, which also served for building models to predict the geographical origin of unknown samples based on their chemical profile. Also, a phylogenetic analysis was performed with metabolomic data which interestingly, although with low support, also displayed a geographical structure with the Venezuelan cluster as the ancestral clade of the genus. Furthermore, the secondary metabolite chemistry of the subtribe Espeletiinae was reviewed and a data base, ChemEsp (Chemistry of Espeletiinae), was built including all secondary metabolite reports available in the literature as well as other chemical, botanical and geographical information. Finally, the extract dereplication allowed the identification of several compounds previously unreported in the genus Espeletia and/or the subtribe Espeletiinae, including a wide range of flavonoids and caffeoylquinic acids, along with other metabolites already reported in the genus by classic phytochemical methods. These results, besides of contributing to further knowledge about the secondary metabolite chemistry of the genus Espeletia, provided valuable information about the phylogenetic and biogeographic relationships in the genus based on chemical markers by means of modern analytical and computation techniques.

o presente trabalho estuda a evolução química em Asteraceae com base em dados da literatura a respeito de vários grupos de metabólitos secundários (poliacetilenos, lactonas sesquiterpênicas, diterpenos, triterpenos, flavonóides e ácidos ramificados). Foram usadas três diferentes metodologias quimiotaxonômicas. A primeira, baseada no cálculo de parâmetros evolutivos em relação à oxidação e em relação à especialização de esqueleto de substâncias, resultou numa abordagem fenética das relações entre as tribos de onde foram isoladas as substâncias. A segunda, baseada em análise de grupos, resultou numa abordagem filética da evolução de Asteraceae. A terceira, baseada em estudos computacionais e em banco de dados, tenta comprovar a validade dos parâmetros utilizados nas duas etapas iniciais realizando estudos de previsão sobre a posição taxônomica e sobre a composição química de gêneros da família. Os resultados obtidos usando parâmetros evolutivos calculados para as tribos ou usando taxonomia numérica evidenciaram o caráter bifilético da famíliao Foi sugerida uma sequência evolutiva desde o precursor até os grupos mais avançados. Os resultados fornecem também uma comprovação experimental de um dos princípios da sistemática micromolecular. O surgimento de novas linhagens botânicas é acompanhado pe1o explosivo aumento do estado de oxidação de um importante grupo biogenético. O desenvolvimento posterior da linhagem é acompanhado pela gradativa diminuição do grau de oxidação. O princípio permite acompanhar a evolução química da família. Algumas relações entre especiação e quimismo ficaram evidenciadas. / This thesis describes the chemical evolution in Asteraceae based on bibliographic data about groups of secondary metabolites (polyacetylenes, sesquiterpene lactones, diterpenes tritepenes, flavonoids and chain ramified acids). Were used three chemotaxonomic methodologies. The first based on evolutive parameters calculation (oxidation and specialization indexes of isolated substances) which gave a phenetie approaching concerning of the relationships among tribes containing the considered substances. The second, based on cluster analisys gave a phyletic approaching concerning of Asteraceae evolution. The third, based on computational studies and on data bases, comproves the validity of the parameters obtained by the two previous approachings, making prevision studies about the taxonomic position and about the chemistry composition of taxa. The evidence for the biphyletic constituion was showed by using evolutive parameters calculated for the tribes or numerical taxonomy. Were suggested evolutive steps from the precursor to the more advanced groups in the family. The results obtained provide experimental corroboration of a Micromolecular sistematics postulate: \"The development of novel botanic lineage is accompained by vigorous increase in oxidation state of allelochemics. The posterior development of the lineage is accompained by a diminution in the oxidation state. This postulate permits to study the chemical evolution of the family. Were evidenced, using the known evolutive sequences, others relationships between speciation and chemistry composition of taxa.

Estudos metabolômicos de plantas, estudos in silico e ensaios biológicos in vitro são estratégias que, em conjunto, otimizam a busca por substâncias inéditas e/ou ativas correlacionadas a determinados mecanismos de ação. Embora a família Asteraceae possua inúmeras espécies com reconhecido potencial anti-inflamatório (AI), várias delas nunca foram investigadas, como algumas espécies endêmicas do Cerrado brasileiro. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi encontrar extratos e substâncias AI que apresentassem um mecanismo de ação superior ao dos AIs atuais. Foram estudadas 57 espécies da família pertencentes a várias tribos, agrupadas em três diferentes grupos: plantas com prévia evidência AI, plantas alimentícias e espécies do Cerrado. Para se encontrar substâncias com potencial AI foi realizada a avaliação da inibição concomitante das enzimas ciclooxigenase (COX-1) e lipoxigenase (5-LOX), sendo ambas as principais vias envolvidas na inflamação, cuja inibição pode conferir maior eficácia e menores efeitos adversos do que os AI atualmente disponíveis. Adequados estudos metabolômicos (HPLC-UV-HRFTMS) e in silico (diferentes modelos estatísticos) foram realizados. O conjunto de metabólitos secundários (metaboloma) das 57 espécies investigadas representou um vasto universo de substâncias (n=6.215), que conseguiu abranger várias delas com o mecanismo de ação investigado. Corroborando o potencial desta família em apresentar espécies AI, cerca de 23% das plantas aqui investigadas foram capazes de promover a dupla inibição, com valores de IC50 (36,0 a 0,03 ?g/mL) para seus extratos comparáveis com aqueles dos inibidores padrões. Através dos estudos in silico foi possível determinar que as substâncias ativas dos extratos se referem a seus constituintes minoritários, sugerindo que devem ser muito potentes. Dentre as substâncias correlacionadas com a propriedade de dupla inibição, algumas não puderam ser identificadas, mesmo utilizando abrangentes bibliotecas de dados de produtos naturais, sugerindo que se tratam de substâncias inéditas. Além disso, dentre as espécies ativas, uma é consagrada como alimentícia e, portanto, pode vir a exercer um importante papel como nutracêutico, por exemplo vir a ser incluída na dieta de pacientes que sofrem de patologias inflamatórias. As demais espécies ativas, por sua vez, apresentam potencial para o desenvolvimento de fitoterápicos e descoberta de novos princípios ativos. Devido ao fato dos modelos estatísticos terem sido validados, as substâncias ativas ainda poderão ser utilizadas para predição de novos extratos ativos a partir apenas de seu metaboloma. Portanto, este trabalho, além de resultar em relevantes resultados, exemplifica muito bem as novas estratégias para a busca de produtos naturais inéditos e AI para um mecanismo de ação requerido, através de uma abordagem inédita e explorando espécies de importância da flora brasileira, alimentícia ou farmacológica, a partir de mínima quantidade de material vegetal. / Plant metabolomic studies, in silico studies and in vitro biological assays are strategies that together, optimize the discovery of new and/or active compounds correlated to a specific mechanism of action. Asteraceae family has many species with well known anti-inflammatory (AI) potential. Several of them have never been investigated, as some of Brazilian Cerrado. In this context, the objective of this work was to find the AI extracts and substances with a better mechanism of action than the usual AI. It was studied 57 species from different tribes of Asteraceae family, which were divided in three groups: plants with known AI property, food plants and species from Cerrado. In order to find substances with AI potential, the inhibition of cyclooxygenase (COX-1) and lipoxygenase (5-LOX) were evaluated to access AI property, once both are the main pathways involved in inflammatory process and the dual inhibition of them can provide better efficacy and less side effects than current AI. Suitable metabolomic (HPLC-UV-HRFTMS) and in silico (statistical models) studies were performed. All the secondary metabolites (metabolome) of the 57 species covered a huge number of substances (n=6,215) and some of them displayed the investigated mechanism of action. About 23% of the plants extracts were able to be dual inhibitor, with IC50 (36.0 - 0.03 ?g/mL) similar of the standard drugs, corroborating the AI potential of Asteraceae family. Through the in silico studies it was possible to determine the AI substances and that they are the minor compounds in the active extracts, suggesting that these must be potent AI. Among the substances correlated with the dual inhibition some could not be identified, even using comprehensive data bases of natural products, suggesting that these ones could be new compounds. Besides, among the active species, one is a food plant that could be useful as nutraceutical, being included in the dietary of people with inflammatory diseases. The other active plants have potential to the development of phytomedicines or drug discovery. Due to the fact that statistical models were validated, the substances also can be useful for prediction of new AI extracts only from the plant metabolome. Therefore, this work has many relevant results and also exemplifies the recent strategies to discovery of new compounds and AI with a required specific mechanism of action, trough a new approach and studying important species of the Brazilian flora, food plants and AI plants, from a minimum quantity of plant material.

O gênero Espeletia Mutis ex Bonpl (Asteraceae, Millerieae, Espeletiinae) constitui um exemplo clássico de um táxon sujeito a rápidos processos adaptativos evolutivos. Com ca. 71 espécies, este gênero se diversificou em elevadas altitudes num ecossistema emergente formado após o retraimento dos glaciares no final do Plioceno e início do Pleistoceno, os páramos, um tipo de ecossistema que biogeograficamente funciona como um complexo de \"ilhas\" presentes principalmente no noroeste dos Andes tropicais da Venezuela, Colômbia e Equador. Devido à sua complexa história evolutiva e morfologia característica, este gênero tem sido foco de muitas pesquisas envolvendo sua biologia, ecologia, taxonomia e filogenia. No entanto, do ponto de vista fitoquímico, tem sido pouco estudado e é desconhecida a influência da geografia na química do metabolismo secundário destas espécies. Neste estudo, a impressão digital metabólica de 120 amostras do gênero Espeletia foi obtida por UHPLC-UV-MS e submetida a análises quimiométricas. A correlação com dados geográficos revelou uma forte influência da biogeografia no metabolismo secundário das espécies deste gênero, apresentando uma impressão digital característica de acordo com seu país de origem numa escala global e de acordo com complexo de páramos de origem numa escala regional, o qual concorda com a filogenia atual da subtribo baseada nos marcadores ITS, ETS, rp116 e AFLPs. A análise por OPLS-DA e a desreplicação de extratos permitiu identificar as principais substâncias correlacionadas com a origem geográfica das espécies, mesmo como permitir a construção de modelos de predição da origem geográfica de novos extratos baseados nos seus perfis químicos. Além disso, uma análise filogenética efetuada com dados metabolômicos revelou, embora com pouco suporte, uma correlação geográfica em que as espécies da Venezuela correspondem ao clado ancestral do gênero. Adicionalmente, a química do metabolismo secundário da subtribo Espeletiinae foi revisada e um bando de dados, o ChemEsp (Chemistry of Espeletiinae), foi construído incluindo todos os metabólitos descritos na literatura, mesmo como outras informações químicas, botânicas e geográficas. Finalmente, a desreplicação de extratos permitiu a identificação de várias substâncias não descritas previamente no gênero Espeletia e/ou na subtribo Espeletiinae, incluindo uma grande variedade de flavonoides e ácidos cafeoilquínicos, junto com outros metabólitos já descritos no gênero por métodos fitoquímicos clássicos. Os resultados obtidos, além de contribuírem para a geração de conhecimento sobre a química do metabolismo secundário do gênero Espeletia, revelaram informações sobre as relações filogenéticas e biogeográficas do gênero baseadas em marcadores químicos, empregando-se modernas metodologias analíticas e computacionais. / The genus Espeletia Mutis ex Bonpl (Asteraceae, Millerieae, Espeletiinae) constitutes a classic example of a taxon undergoing rapid adaptive evolutionary processes. With ca. 71 species, this genus diversified at high altitudes in an emerging ecosystem formed after the retreat of the glaciers in the late Pliocene and early Pleistocene, the páramos, a type of ecosystem that biogeographically acts as an \"island\" complex in the northwestern tropical Andes of Venezuela, Colombia and Ecuador. Due to its complex evolutionary history and characteristic morphology, this genus has been focus of several investigations regarding its biology, ecology, taxonomy and phylogeny. However, phytochemically, they have been poorly studied and it is unknown the influence of geography in their secondary metabolism. In this study, the metabolomic fingerprint of 120 samples of the genus Espeletia was analyzed by UHPLC-UV-MS and chemometrics. Correlations with geographical data revealed a strong influence of biogeography on their secondary metabolism, displaying a characteristic fingerprint according to their country of origin in a global scale and by páramo complex in a regional scale, which is in agreement with the current phylogeny of the subtribe based on ITS, ETS, rp116 and AFLPs markers. An OPLS-DA analysis and extract dereplication allowed the identification of the main compounds correlated with their geographical origin, which also served for building models to predict the geographical origin of unknown samples based on their chemical profile. Also, a phylogenetic analysis was performed with metabolomic data which interestingly, although with low support, also displayed a geographical structure with the Venezuelan cluster as the ancestral clade of the genus. Furthermore, the secondary metabolite chemistry of the subtribe Espeletiinae was reviewed and a data base, ChemEsp (Chemistry of Espeletiinae), was built including all secondary metabolite reports available in the literature as well as other chemical, botanical and geographical information. Finally, the extract dereplication allowed the identification of several compounds previously unreported in the genus Espeletia and/or the subtribe Espeletiinae, including a wide range of flavonoids and caffeoylquinic acids, along with other metabolites already reported in the genus by classic phytochemical methods. These results, besides of contributing to further knowledge about the secondary metabolite chemistry of the genus Espeletia, provided valuable information about the phylogenetic and biogeographic relationships in the genus based on chemical markers by means of modern analytical and computation techniques.

o presente trabalho estuda a evolução química em Asteraceae com base em dados da literatura a respeito de vários grupos de metabólitos secundários (poliacetilenos, lactonas sesquiterpênicas, diterpenos, triterpenos, flavonóides e ácidos ramificados). Foram usadas três diferentes metodologias quimiotaxonômicas. A primeira, baseada no cálculo de parâmetros evolutivos em relação à oxidação e em relação à especialização de esqueleto de substâncias, resultou numa abordagem fenética das relações entre as tribos de onde foram isoladas as substâncias. A segunda, baseada em análise de grupos, resultou numa abordagem filética da evolução de Asteraceae. A terceira, baseada em estudos computacionais e em banco de dados, tenta comprovar a validade dos parâmetros utilizados nas duas etapas iniciais realizando estudos de previsão sobre a posição taxônomica e sobre a composição química de gêneros da família. Os resultados obtidos usando parâmetros evolutivos calculados para as tribos ou usando taxonomia numérica evidenciaram o caráter bifilético da famíliao Foi sugerida uma sequência evolutiva desde o precursor até os grupos mais avançados. Os resultados fornecem também uma comprovação experimental de um dos princípios da sistemática micromolecular. O surgimento de novas linhagens botânicas é acompanhado pe1o explosivo aumento do estado de oxidação de um importante grupo biogenético. O desenvolvimento posterior da linhagem é acompanhado pela gradativa diminuição do grau de oxidação. O princípio permite acompanhar a evolução química da família. Algumas relações entre especiação e quimismo ficaram evidenciadas. / This thesis describes the chemical evolution in Asteraceae based on bibliographic data about groups of secondary metabolites (polyacetylenes, sesquiterpene lactones, diterpenes tritepenes, flavonoids and chain ramified acids). Were used three chemotaxonomic methodologies. The first based on evolutive parameters calculation (oxidation and specialization indexes of isolated substances) which gave a phenetie approaching concerning of the relationships among tribes containing the considered substances. The second, based on cluster analisys gave a phyletic approaching concerning of Asteraceae evolution. The third, based on computational studies and on data bases, comproves the validity of the parameters obtained by the two previous approachings, making prevision studies about the taxonomic position and about the chemistry composition of taxa. The evidence for the biphyletic constituion was showed by using evolutive parameters calculated for the tribes or numerical taxonomy. Were suggested evolutive steps from the precursor to the more advanced groups in the family. The results obtained provide experimental corroboration of a Micromolecular sistematics postulate: \"The development of novel botanic lineage is accompained by vigorous increase in oxidation state of allelochemics. The posterior development of the lineage is accompained by a diminution in the oxidation state. This postulate permits to study the chemical evolution of the family. Were evidenced, using the known evolutive sequences, others relationships between speciation and chemistry composition of taxa.

A presente tese tenta demonstrar a validade do uso de lactonas sesquiterpênicas como marcadores sistemáticos em angiospermas, principalmente dentro da família Asteraceae, onde se encontram quase todas as substâncias isoladas até o momento. O trabalho teve como etapa inicial o levantamento de dados sobre ocorrência de lactonas sesquiterpênicas em plantas, e a sistematização desdes dados de acordo com a classificação vegetal das espécies portadoras destas substâncias. Na tentativa de estabelecer os prováveis caminhos evolutivos destas micromoléculas, e usá-las como marcadores sistemáticos, utilizam-se dois parâmetros químicos designados O e E. O primeiro consiste em um índice de oxidação médio por átomo de carbono das substâncias. O segundo consiste em um grau de especialização dos esqueletos, dado ou pelos seus números de ordem nas colunas do esquema biogenético, ou pelo seu número médio de transformações (ligamento ou desligamento de ligações carbono-carbono) sofridos por cada átomo de carbono do esqueleto em comparação com um precursor. As médias dos valores de O e E de lactonas sesquiterpênicas de um taxon produzem seus respectivos AEo e AEe , ou seja seus índices de avanço evolutivo em relação a oxidação e à especialização destas substâncias. Estes foram comparados (a nível de família) com índices de evolução morfológicasegundo Sporne (IS) obtendo bons resultados. Com base na metodologia indicada traçou-se para o grupo das lactonas sesquiterpênicas um caminho evolutivo provável que ajuda a entender as relações filéticas entre Apiaceae e Asteraceae. Dentro de Asteraceae, lactonas sesquiterpênicas mostram-se úteis para confirmar os trabalhos mais recentes da subdivisão da família em subfamílias e tribos. Dentro da tribo Heliantheae a análise de dados citogenéticos, aliados aos valores de AEo e AEe , mostra claramente tendências paralelas dos números de cromossomos das subtribos, comparados com a diversificação estrutural e o nível de oxidação de suas substâncias. Finalmente o valor dos índices AEo e AEe em classificação vegetal foi posto a prova tentando classificar, dentro das tribos de Asteraceae, espécies recentemente estudadas, obtendo-se excelentes resultados. / The present thesis attempts to demonstrate the validity of the use of sesquiterpene lactones as systematic markers in angiosperms, chiefly in the family Asteraceae where nearly all presently known compounds are located. Initially all published data on the occurrence of sesquiterpene lactones in plants are listed. followed by the systematization of the data with respect to the classification of the sesquiterpene lactone containing species. In the attempt to establish the probable evolutionary pathways of these micromolecules and to use them as systematic markers, two chemical parameters. designated O and S, were used. The former consists in a mean oxidation index per carbon atom of the compounds. The latter consists in a specialization index for skeletons, given by the symbols which define their position on the columns of the biogenetic scheme, or by the mean number of transformations (formation or breakage of carbon-carbon bonds) suffered by each carbon atom of a skeleton in comparason with a precursor. The means of the O and E values of sesquiterpene lactones of a taxon give the respective EAo and EAe values, i. e. their evolutionary advancement in relation to the oxidation state and the skeletal specialization of these compounds. The EA values were compared (at the family leveI) with Sporne indices (SI) based on morphological criteria. Based on the indicated methodology a probable pathway for the biogenetic group of sesquiterpene lactones was developed. This aids in the understanding of phyletic relations between Apiaceae and Asteraceae. Within the Asteraceae sesquiterpene lactone data are consistent with recent subdivisions of the family in subfamilies and tribes. Within the tribe Heliantheae the analysis of cytagenetic data, compared with EAo and EAe values, shows clearly parallel trends in the number of the chromosomes of the subtribes, as compared with the oxidation state and the skeletal specialization of their sesquiterpene lactones. Finally the value of the EAo and EAe indices in plant classification was evaluated achieving the placement, within the Asteraceae tribes, of recently studied species with satisfactory results.

A lagarta da borboleta Chlosyne lacinia utiliza como plantas hospedeiras quase exclusivamente espécies da família Asteraceae, tais como Vernonia sp e Tithonia diversifolia. V. polyanthes e T. diversifolia apresentam lactonas sesquiterpênicas (LST) em sua constituição química foliar, as quais, entre outras atividades biológicas, podem ser deterrentes e tóxicas para lepidópteras. Os objetivos deste trabalho foram investigar se os metabólitos secundários das Asteraceae V. polyanthes e T. diversifolia são metabolizados, excretados intactos e/ou sequestrados durante a fase larval de C. lacinia, e se são conservados pelo adulto, elucidando, assim, parte da interação ecoquímica da lagarta-do-girassol com Asteraceae. Os extratos das folhas de V. polyanthes e T. diversifolia permitiram a identificação de 22 substâncias entre ácidos clorogênicos, flavonoides e LST. As folhas de V. polyanthes apresentaram 12 destas substâncias, sendo estas, ácidos clorogênicos, flavonoides glicuronizados e LST do subtipo hirsutinolido. Já as folhas de T. diversifolia apresentaram 13 das 22 substâncias, tais como ácidos clorogênicos e LST dos subtipos furanoeliangolido e heliangolido. As lagartas de C. lacinia cultivadas em T. diversifolia se desenvolveram até o quarto estágio completando a metamorfose para a fase adulta, enquanto que as lagartas cultivadas em V. polyanthes se desenvolveram apenas até o segundo estágio. Além disso, o peso médio das lagartas no segundo estágio larval dos três cultivos feitos com T. diversifolia foi estatisticamente maior do que o peso médio das lagartas no mesmo estágio dos três cultivos feitos com V. polyanthes. Assim provavelmente, a diferença na composição química das duas plantas pode ter sido responsável pela diferença na performance de C. lacinia. Além disso, as lagartas no terceiro e no quarto estágios, alimentadas com T. diversifolia, acumularam metabólitos secundários ingeridos a partir das folhas, principalmente LST. Em relação à excreção, as lagartas tratadas com T. diversifolia foram capazes de excretar alguns metabólitos sob a forma inalterada em todos os estágios larvais, já as lagartas tratadas com V. polyanthes excretaram apenas flavonoides glicuronizados sob a forma inalterada e duas flavonas. Enquanto que as lagartas do segundo estágio cultivadas em V. polyanthes, apresentaram acúmulo apenas do flavonoide apigenina-7-O-glicuronil e do ácido 3-O-E-cafeoilquínico hidroxilado. Sugere-se que a presença de flavonoides glicuronizados e LST do subtipo hirsutinolido em V. polyanthes justifica, ao menos parcialmente, o desenvolvimento deficiente e a morte de C. lacinia quando cultivada com esta planta. Por outro lado, a presença de LST dos subtipos furanoeliangolido e heliangolido nas folhas de T. diversifolia podem ser favoráveis ao desenvolvimento completo deste herbívoro na presença desta planta. / The caterpillar of Chlosyne lacinia uses almost exclusively Asteraceae species as host plant, such as Vernonia sp and Tithonia diversifolia. V. polyanthes and T. diversifolia show sesquiterpene lactones (STL) in their chemistry composition. STL have biological activities and also can be feeding deterrents and toxics for Lepidoptera. The aims of this study were to investigate whether secondary metabolites of the Asteraceae V. polyanthes and T. diversifolia are metabolized, excreted intact and/or sequestered during larval stage of C. lacinia, and if they are retained by adult, thus explaining a part of the ecochemical interaction between sunflower caterpillar and Asteraceae. The extracts of leaves of V. polyanthes e T. diversifolia allowed the identification of 22 substances among chlorogenic acids, flavonoids and STL. The leaves of V. polyanthes presented 12 of these substances, which were chlorogenic acids, flavonoids glucuronides and STL of hirsutinolide subtype, whereas the leaves of T. diversifolia had 13 of these substances, such as chlorogenic acids and STL of furanoeliangolido and heliangolido subtypes. The caterpillars of C. lacinia cultivated with T. diversifolia developed up to the fourth stage, completing the metamorphosis into adult stage, while the caterpillars cultivated with V. polyanthes developed only until to the second stage. Moreover the average weight of caterpillars in the second stage of three replicates made with T. diversifolia was statistically higher than the average weight of caterpillars at the same stage of the three replicates made with V. polyanthes. The difference in chemical composition of the two plants may has been responsible for the difference in the performance of C. lacinia crops. Also, the caterpillars in the third and fourth stages cultivated with T. diversifolia accumulated secondary metabolites taken from these leaves, mainly STL. Regarding the excretion, caterpillars in all stages fed with T. diversifolia were able to excrete unchanged metabolites, while caterpillars fed with V. polyanthes excreted only unchanged flavonoids glucuronide and the respective aglicones. In the other hand, the caterpillars in the second stage cultivated in V. polyanthes showed that there was only accumulation of apigenin-7-O-glucuronyl and 3-hydroxy-O-E-caffeoylquinic acid. It is suggested that the presence of flavonoids glucuronides and STL of hirsutinolide subtype in V. polyanthes, justify, at least partially, defective development and deaths of C. lacinia cultivated with this plant. While the presence of STL of furanoheliangolide and heliangolide subtypes in T. diversifolia may be favorable to the full development of this herbivore in the presence of this plant.