Spelling suggestions: "subject:"plant metabolomics"" "subject:"slant metabolomics""
1 |
Metabolomic profiling and micropropagation of Salvia africanalutea L. potent against Fusarium verticillioidesNkomo, Mpumelelo 02 1900 (has links)
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: Salvia africana lutea is one of 26 Sage species indigenous to Southern Africa from a total of 900
worldwide. The genus Salvia belongs to the Lamiaceae family. Labeled a ‘broad spectrum remedy’ S.
africana lutea amongst other sage species is medicinally important. Reports are many highlighting its
benefits, which include from alleviating coughs and colds to gynaecological complaints. Studies have
revealed in vitro antimicrobial, anti-cancer and antioxidant activity.
Plant secondary metabolites fundamentally have a strong bearing on the phytochemical activities a
plant may possess. Consequently the environment indirectly affects the phytochemical properties as it
influences the variation in the plant metabolome via plant-environment interactions. Five S. africana
lutea plant populations, within the Western Cape province of South Africa were sampled and
chemotypes and bioactivity tested. Four populations were wild growing in protected areas namely;
Brackenfell, Koeberg, Silwerstroomstrand and Yzerfontein, while the fifth was a garden growing
population from Stellenbosch.
Using gas chromatography hyphenated with mass spectrometry (GC-MS), compounds such as
monosaccharides, carboxylic acids and fatty acids were detected. Variation of compounds identified
with 80% certainty was compared across all populations. Stellenbosch population showed some
compounds that were not present in the other four sites. These compounds were namely; propanoic
acid, rythronic acid, 2-keto-1-gluconic acid and 1,3-dibromobicyclon, while this population also did not
have xylitol that was detected in all the other four populations. To consolidate the GC-MS findings, analysis on the metabolite profiles (utilizing liquid
chromatography linked with mass spectrometry (LC-MS) and nuclear magnetic resonance (1H NMR))
was done. Principal component analysis (PCA) was applied to the NMR data. The partial least squaresdiscriminant
analysis (PLS-DA) was used to integrate LC-MS and NMR data sets. All statistics were
performed with the SIMCA-P+ 12.0 software. By integrating LC-MS and 1H NMR analyses, large
chemotype differences leading to samples grouping by site, suggested strong plant-environment
interactions as factors influencing metabolite composition. Signals distinguishing the Stellenbosch
profile were in the aromatic part of the 1H NMR spectra. Antimicrobial activity was tested against two Fusarium species. Fusarium is a plant pathogenic species
that causes large agricultural losses particularly in the maize crop, one of the staple foods in the African
continent. Some species also produce mycotoxins in infected crop and lead to a significant increase in
the risk factor of cancers when contaminated foods are consumed. Four high-mycotoxin producing
strains from two species F. verticillioides (MRC 826 and MRC 8267); F. proliferatum (MRC 7140 and
MRC 6809) were utilized in all in vitro antifungal assays in this study. A preliminary assay using
dichloromethane: methanol (1:1 v/v) crude plant extracts of the five populations; Stellenbosch,
Brackenfell, Koeberg, Silwerstoomstrand and Yzerfontein, from 2009 and 2011. All test samples
exhibited good activity as the minimum inhibitory concentrations (MIC) values ranged from 0.031 mg
ml-1 to 0.5 mg ml-1, values below the latter are regarded as strong inhibitors. The Stellenbosch extracts
were the most active for both 2009 and 2011 collections, with the best activity against F. verticillioides
MRC 8267 and MRC 826 at 0.031 mg ml-1. While the least activity, albeit still a strong inhibitor, was
observed from the Yzerfontein extracts with an MIC value of 0.5 mg ml-1. Generally comparison
between the two years revealed that samples collected in 2011 were more potent than those in 2009,
possibly due to prolonged storage that may have resulted in chemical decomposition. As the Stellenbosch population had shown the best activity as well as a relatively different chemical
profile, leaves from these plants were then introduced into tissue culture conditions. Leaf explants were
placed on solid plant growth regulator (PGR)-free Murashige and Skoog media and that supplemented
with hormones in various combinations. (two concentrations of benzyl adenine (BA) utilized
individually and in combination with naphthalene acetic acid (NAA) 4.4 and 8.8, while for NAA 0.27,
2.7 and 5.4.) Namely: 4.4 BA, 8.8 BA, 0.27 NAA: 4.4 BA, 2.7 NAA: 4.4 BA, 5.4 NAA: 4.4 BA, 2.7
NAA: 8.8 BA and 5.4 NAA: 8.8 BA. The PGR combinations did not induce shooting nor rooting, only
callus on PGR-free MS media. Antifungal activity of the callus extract was in the same range as the
whole plant extracts from which the leaf explants were harvested from, showing no ‘loss’ of activity
after introduction to tissue culture conditions. Metabolite profiles using LC-MS, however, did reveal
qualitative and quantitative differences, though they appear to not have any bearing on the activity.
A bioassay-guided fractionation was then conducted on samples collected from Stellenbosch. This led
to the identification of carnosol and carnosic acid being involved in the anti-Fusarium activity of S
africana-lutea. A combinational study revealed no synergistic activity of the two compounds against
four Fusarium test strains, with fractional inhibitory concentration (FIC) values of 1.5 and 3.0. Antifungal activity of carnosol and carnosic acid was observed to be in the same range (strong
inhibitor) as was the callus and whole plant extracts.
The study showed variation in population chemotypes and identified two compounds that are involved
in S. africana-lutea activity against Fusarium species. It also provided a tissue culture system onto
which mass production of the two bioactives may be achieved from, in the development of new
fungicides. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Salvia Africana lutea is een van die 26 Salie spesies wat inheems aan Suid-Afrika is uit ‘n totaal van
900 spesies wêreldwyd. Die genus Salvia hoort tot die Lamiaceae familie. S. africana lutea word
geklassifiseer as ‘n “breë spektrum geneesmiddel”, en medisinaal as belangrik geag tussen die ander
salie spesies, want volgens verslag word dit gebruik vir die verligting van hoes en verkoues tot selfs
ginekologiese ongesteldhede. Definitiewe biologiese aktiwiteit eksperimente het anti-mikrobiese, antikanker
en anti-oksidant aktiwiteite aan die lig gebring.
Plant sekondêre metaboliete het fundamenteel ‘n baie sterk verband met die fitochemiese aktiwiteite
van ‘n plant. Gevolglik affekteer die omgewing indirek die fitochemiese eienskappe, want dit
beïnvloed die variasie in die plant metaboloom deur die interaksies van die plant met die omgewing. In
vyf streke binne die Wes-Kaap van Suid-Afrika waar S. africana lutea bevolkings voorkom, is
steekproewe gedoen en chemotipes en bioaktiwiteit getoets. Vier bevolkings was wild-groeiende
bevolkings in beskermde areas, naamlik; Brackenfell, Koeberg, Silwerstroomstrand en Yzerfontein,
terwyl die vyfde uit ‘n tuingroeiende bevolking in Stellenbosch geneem is.
Deur gas chromatografie gekoppel met massa spektrometrie te gebruik, is primêre samestellings soos
monosakkariede, karboksielsure en vetsure gevind. Variasies van samestellings wat met 80% sekerheid
geïdentifiseer is, is oorkruis met al die bevolkings vergelyk. Die Stellenbosch bevolking het ‘n paar
samestellings geopenbaar wat nie aanwesig was in die ander vier terreine nie. Hierdie samestellings
was: propanoësuur, erythroniese suur, 2-keto-1-glukoniese suur en 1,3-dibromobicyclon. Verder het
hierdie bevolking geen xylitol gehad nie en dit is in al vier die ander bevolkings gevind. Verdere studies was gedoen met die gebruik van vloeibare chromatografie gekoppel met massa
spektrometrie (LC-MS) sowel as kern magnetiese resonansie (1H NMR). Chemiese profiele het hoë
variasies getoon, en dus deur te fokus op die aromatiese samestelling streke, het die Stellenbosch
terrein duidelik merkbare verskille en punte op die PLS-DA aangetoon. Met die koppeling van NMR
data met LC-MS data, is daar gevind dat onderskeidende punte van die NMR PLS-DA wat gegroepeer
is met retensie tye die skeiding van die Stellenbosch terrein van ander terreine gedryf het. Dit het
onweerlegbaar bewys dat daar variasie binne die vyf bevolkings voorkom en dat Stellenbosch die mees
noemenswaardige chemotipe variasie het. Dit blyk uit die anti-mikrobiese eksperimente dat aktiwiteit teen Fusarium heel nuwe belangstelling
wek. Fusarium is ‘n plant-patogeniese spesie wat groot landbou verliese veroorsaak veral in die mielie
gewasse, een van die stapelvoedsels van die Afrika kontinent. Dit produseer ook mikotoksiene in
aangetaste gewasse en hierdie kan lei tot die ontstaan van kankers wanneer besmette voedsel op groot
skaal verbruik word. Vier hoë-mikotoksien produserende swamlyne van twee spesies, naamlik F.
verticillioides (MRC 826 en MRC 8267) en F. proliferatum (MRC 7140 en MRC 6809) is gebruik in
alle in vitro anti-swam ondersoeke in hierdie studie. Die eerste analise het dichloromethan: methanol
(1:1 v/v) ongesuiwerde plant ekstrakte bevat van die vyf bevolkings: Stellenbosch, Brackenfell,
Koeberg, Silwerstroomstrand en Yzerfontein, geneem gedurende 2009 en 2011. Al hierdie toets
monsters het goeie aktiwiteit getoon waar die minimum beperkende konsentrasie (MIC) waardes van
0.031 mg ml-1 tot 0.5 mg ml-1 gevarieer het. Waardes laer as laasgenoemde word beskou as sterk
inhibeerders. Die Stellenbosch ekstrakte was die mees aktief vir albei jare hierbo genoem, met die
beste aktiwiteit teen F. verticillioides MRC 8267 en MCR 826 by 0.031 mg ml-1. Die minste aktiwiteit
(hoewel nog ‘n sterk inhibeerder) waargeneem was van die Yzerfontein ekstrakte, met ‘n MIC waarde
van 0.5 mg ml-1. Oor die algemeen het ‘n vergelyking tussen die twee jare aangetoon dat die monsters
wat in 2011 versamel is veel sterker was dan dié van 2009, moontlik te wyte aan ‘n verlengde
bewaringstyd wat moontlik ‘n chemiese dekomposisie ten gevolge gehad het. Omdat die Stellenbosch bevolking die beste aktiwiteit getoon het sowel as ‘n relatief afwykende
chemiese profiel, is blare van hierdie plante toe bekendgestel aan weefselkultuur kondisies. Blaar
eksplante is op soliede hormoonvrye Murashige en Skoog media geplaas en dit is aangevul met
sintetiese auksien Naftaleen asynsuur (NAA) en sitokien Bensiel adenien (BA) individueel en in
verskillende kombinasies. Geen wortels of uitloopsels is waargeneem in al die hormoon kombinasies
nie maar in die hormoonvrye media het daar egter Kallus in twintig persent van die eksplante
voorgekom. Kallus is toe as subkultuur van hormoonvrye MS media gekweek en saamgevoeg en
dichloromethan: methanol (1:1v/v) ekstrakte is getoets teen die volgende Fusarium swamlyne MRC
826; MRC 8267; MRC 7140 en MRC 6809. MIC waardes het sterk inhiberende eienskappe getoon met
die laagste waarde as 0.025 mg ml-1 teen drie swamlyne: MRC 1740, MRC 8267 en MRC 826, en die
hoogste was 0.25 mg ml-1 na 48 uur. Die minimum inhiberende konsentrasie waardes het gestyg na
0.5mg ml-1 na 60 uur, wat ‘n fungistatiese aksie getoon het. Maar van 60 tot 92 uu het waardes egter ‘n
swamdodende aksie aangetoon met geen verandering van 0.5mg ml-1 nie. In die identifisering van die bioaktiewe komponente, is die ekstraksie van Stellenbosch se bevolking in
dichloromethan: methanol (1:1 v/v) uitgevoer, en met gebruik van vyftig gram van die ekstrak is
bioanalise-geleide fraksionering gedoen deur gebruik van ‘n VersaFlash®. Die mees aktiewe fraksie is
verder gefraksioneer deur die gebruik van ‘n konvensionele silikajel kolom. Aktiewe fraksies is getoets
deur LC-MS te gebruik, en twee verbindings, carnosol en carnosic suur, is geïdentifiseer.
Voorbereidende TLC is gebruik om identiteit te bevestig, want fraksies was naas die kommersiele
standaarde van die twee verbindings getoets. Sinergistiese aktiwiteit van die twee samestellings is
ondersoek deur ‘n antiswam ontleding teen die vier swamlyne uit te voer.
Hierdie studie het dus die veronderstelde bestaan van verskillende chemotipes tussen die bevolkings
waarvan voorbeelde geneem is, bekend gestel. Veral die Stellenbosch se bevolking het die meeste
verskil, heel moontlik omrede die verlengde en hoër versteurings deur die nabyheid van mense. Plant–
omgewing interaksies speel ‘n belangrike rol in die metaboloom van plante, wat dan indirek hul
eienskappe verander, en in hierdie geval die antiswam aktiwiteit. Die tuingroeiende bevolking was die
mees aktief, heel moontlik omrede hierdie aspek. Nietemin was geen bioaktiwiteit verloor waar die
mees kragtige bevolking met weefsel kultuur kondisies in aanraking gebring is nie. Dus is dit ideaal vir
kommersialisering. Een nuwe belangrike bevinding was die carnosol en carnosic suur wat twee
welbekende samestellings is wat meesal geassosieer is met Rosmarinus officinalis en gedokumenteer is
vir antioksidant aktiwiteit. Hier dui laasgenoemde samestellings ‘n antiswam aktiwiteit aan teen die
getoetste Fusarium swamlyne. Met ‘n gevestigde weefsel kultuur sisteem alreeds in plek, voorsien dit
‘n beginpunt vir die bestudering van hoe hierdie bioaktiewe komponente in massa geproduseer kan
word in die ontwikkeling van nuwe swamdodende produkte.
|
Page generated in 0.0807 seconds