Detailansicht
Metabolomics of the leaf nodulated species Ardisia crenata Sims (Primulaceae) and Psychotria kirkii (Rubiaceae), as well as the suspected to be leaf nodulated species Dioscorea bulbifera (Dioscoreacea) via RPHPLC-HRESIMS followed by natural product isolation from nodulated Ardisia crenata leaf tissue
Florian Schindler
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie
Betreuer*in
Wolfram Weckwerth
DOI
10.25365/thesis.70787
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17734.86710.665359-8
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Leaf nodulation is a very intimate kind of symbiosis, where plants harbour bacterial endophytes inside specialized glandular tissue within their leaves. The symbiosis has been described for the diverse taxa of Primulaceae sensu lato, Rubiaceae and Styracaceae as dicot families and Dioscoraceae as monocot family. The bacterial endosymbionts identified so far, all belong within the order Burkholderiales inside the Betaproteobacteria. While previous work suggested that the bacteria fix atmospheric nitrogen for the plant akin to the root nodule symbiosis, or promote plant growth by synthesizing phytohormones, newer genomic analysis points towards secondary metabolite production as the primary symbiotic function. A consistent extraction method for different tissue types of the species Ardisia crenata Sims (Primulaceae), Dioscorea bulbifera (Dioscoreaceae) and Psychotria kirkii was developed in order to perform a metabolomics analysis of the methanolic plant extracts. Extracts of nodulated and non-nodulated tissues at varying developmental stages were subjected to RP-HPLC-HRESIMS measurement. Peak picking, alignment of m/z features and analyte identification on MS 2 level by database matching was performed by the in-house-developed software mzFun. Multivariate statistical analysis in the form of principal component analysis (PCA) and analysis of variance (ANOVA) revealed distinct differences in the metabolic composition of the varied tissue types. These results further point towards secondary metabolite production by the bacterial endophytes. Multiple analytes from both plant and bacterial origin could be identified on MS 2 level by database matching and manual investigation. Natural product isolation was atempted for nodulated tissue of the species Ardisia crenata to identify substances that contribute to the different metabolic composition of nodulated and non-nodulated tissues. Ardisia crenata belongs to the ethno-botanically used genus Ardisia in the family Primulaceae sensu lato, which is rich in biologically active substances with great chemo diversity. Genetic studies of the bacterial endosymbiont revealed the non-ribosomal peptide synthetase (frs) gene cluster. Expression of frs in Escherichia coli leads to the synthesis of the cyclic-depsipeptide FR900359, which displays strong and selective inhibition of Gq proteins. This makes it not only a promising drug candidate but also an interesting lead structure for the development of novel pharmaceuticals. Examination of MS data revealed that novel putative derivatives of FR900359 are under the PCA loadings which differentiate the most between nodulated and non-nodulated tissues. The following procedure aimed at isolating these new compounds. A novel depsipeptide candidate was isolated but it degraded before its structure could be elucidated. Other substances which were successfully isolated were catechin, epicatechin and the novel natural product epicatechin-3-hydroxy-2-methyl-propanoate.
Abstract
(Englisch)
Die Blattknöllchen-Symbiose stellt eine sehr enge Art der Symbiose dar, in der Bakterien spezielle Drüsen im Blatt einer Pflanze besiedeln. Die Symbiose wurde für die diversen Taxa Primulaceae sensu lato, Rubiaceae und Styracaceae, innerhalb der Eudikotyledonen und Dioscoraceae, innerhalb der Monokotyledonen, beschrieben. Sämtliche bis jetzt identifizierte Endophyten gehören zu der Ordnung Burkholderiales innerhalb der Betaproteobacteria. Erste Untersuchungen der Symbiose führten zu Annahmen, dass die Bakterien, ähnlich zur wurzelknollen Symbiose atmosphärischen Stickstoff fixieren, oder das Pflanzenwachstum durch Synthese von Phytohormone fördern. Neuere genomische Untersuchungen deuten jedoch auf die Produktion von Sekundärmetaboliten durch die Bakterien hin. Eine reproduzierbare Extraktionsmethode für unterschiedliche Gewebe der Spezies Ardisia crenata Sims (Primulaceae), Dioscorea bulbifera (Dioscoreaceae) und Psychotria kirkii wurde entwickelt, um eine metabolomische Analyse der methanolischen Pflanzenextrakte durchzuführen. Extrakte von nodulierten und nicht-nodulierten Geweben an unterschiedlichen Entwicklungsstadien wurden mittels RP-HPLC-HRESIMS gemessen. Die Auswahl der Peaks, das „Alignment“ von m/z features und die Identifikation der Analyte auf MS 2 Ebene durch Abgleich mit einer Datenbank wurde mithilfe der vorort-entwickelten Sofware mzFun durchgeführt. Eine multivariate statistische Analyse in Form von einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) mit anschliessender Varianzanalyse (ANOVA) ergaben deutliche Unterschiede innerhalb der Metabolitzusammensetzung der unterschiedlichen Gewebe. Diese Ergebnisse verstärken die vorangegangenen Untersuchungen, dass die endophytischen Bakterien an der Produktion von Sekundärmetaboliten beteiligt sind. Diverse Analyte pflanzlichen und bakteriellen Ursprungs konnten mithilfe eines Datenbankabgleichs und durch manuelle Überprüfung auf MS 2 Ebene annotiert werden. Eine Naturstoffisolation aus dem nodulierten Gewebe der Spezies Ardisia crenata wurde durchgeführt um Substanzen zu identifizieren, welche zu den Unterschieden zwischen noduliertem und nicht-noduliertem Gewebe beitragen. Ardisia crenata gehört zum ethno-botanisch genutztem Genus Ardisia innerhalb der Familie Primulaceae sensu lato. Der Genus produziert eine Vielfalt an biologisch-aktiven Substanzen mit hoher chemischer Diversität. Genetische Studien des baktertiellen Endosymbionten wiesen den nicht-ribosomalen Peptidsythetase (frs) Gencluster nach. Die Expression dieses Genclusters in Escherichia coli führte zur Sythese des zyklischen Depsipeptids FR900359, welches starke und selektive Inhibition von Gq-Proteinen zeigt. Diese Eigenschaft macht FR900359 nicht nur zu einem potentiellen pharmakologischen Wirkstoff, sondern auch zu einer interessanten Leitstruktur zur Entwicklung neuer Medikamente. Die Analyse der MS-Daten deutet darauf hin, dass unbekannte vermutliche Derivate von FR900359 unter den „PCA-loadings“ sind, welche am meisten zwischen noduliertem und nicht-noduliertem Gewebe unterscheiden. Im folgenden Verfahren wurde versucht diese Substanzen zu isolieren. Ein neues vermutliches Depsipeptid konnte isoliert werden, jedoch dürfte sich die Substanz zersetzt haben, bevor ihre Struktur aufgeklärt werden konnte. Des Weiteren konnten die Substanzen Catechin, Epicatechin und die erstmalsbeschriebene Substanz Epicatechin-3-hydroxy-2-methyl-propanoate erfolgreich isoliert werden.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Ardisia crenata Dioscorea bulbifera Psychotria kirkii Burkholderiales Depsipeptides Metabolomics Leaf nodule symbiosis mzFun Catechines Epicatechin-3-hydroxy-2-methyl-propanoate
Schlagwörter
(Deutsch)
Ardisia crenata Dioscorea bulbifera Psychotria kirkii Burkholderiales Depsipeptide Metabolomics Blatt-knöllchen-Symbiose mzFun Catechine Epicatechin-3-hydroxy-2-methyl-propanoate
Autor*innen
Florian Schindler
Haupttitel (Englisch)
Metabolomics of the leaf nodulated species Ardisia crenata Sims (Primulaceae) and Psychotria kirkii (Rubiaceae), as well as the suspected to be leaf nodulated species Dioscorea bulbifera (Dioscoreacea) via RPHPLC-HRESIMS followed by natural product isolation from nodulated Ardisia crenata leaf tissue
Paralleltitel (Deutsch)
Metabolomics der blatt-nodulierten Spezies Ardisia crenata Sims (Primulaceae) und Psychotria kirkii (Rubiaceae), sowie der vermutlich blatt-nodulierten Spezies Dioscorea bulbifera (Dioscoreaceae)
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
162 Seiten
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Wolfram Weckwerth
Klassifikationen
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines ,
35 Chemie > 35.23 Analytische Chemie: Allgemeines ,
35 Chemie > 35.26 Massenspektrometrie ,
35 Chemie > 35.29 Chromatographische Analyse, Elektrophorese ,
42 Biologie > 42.00 Biologie: Allgemeines ,
42 Biologie > 42.38 Botanik: Allgemeines
AC Nummer
AC15358614
Utheses ID
50380
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |