Production of Phenolic Compounds in Cell Suspensions of Arctic Bramble and Cloudberry

Abstract

Phenolic compounds are of interest for various industries, and can be found in differing qualities and quantities between plant species, with particularly high concentrations observed in Nordic berries. The natural yields of these berries are highly vulnerable to environmental conditions, and consequently methods for producing these valuable compounds in bioreactors are being investigated. However, the phenolic content in all cultures is highly dependent on growth conditions and the used cell line, and the synthesis pathways leading to these compounds are poorly understood. Although the profiles of phenolic contents for certain berry species have been well characterized in literature, the profiles for cell suspension lines are largely unknown. Cell suspension cultures have significant advantages for production of phenolic compounds over traditional agricultural methods, and more research on the cell suspensions’ production capabilities and a better understanding of the biosynthesis pathways is needed before utilization in the industries can be achieved.

In this thesis, basic research was made on several arctic bramble (Rubus arcticus) and cloudberry (Rubus chamaemorus) cell suspension lines regarding their growth characteristics, profiles of phenolic compounds, and modification of the synthesis pathways. The pathways were stimulated with two elicitors, methyl jasmonate and ethephon. The phenolic compounds were analysed by UPLC-MS during different stages of the growth cycle and the elicitations, to display representative changes in the profiles of the different cell lines over time.

The obtained results show substantial variations in the growth rates and the profiles of phenolic compounds even within cell suspension lines of the same species. Both elicitors were found to increase production of phenolic compounds, and one unidentified novel phenolic compound was found to be synthesized by stimulation with ethephon in an arctic bramble cell suspension line. Of the two species, arctic bramble was invariably found to contain more phenolic compounds than cloudberry.

Monet teollisuuden haarat ovat kiinnostuneita fenoliyhdisteistä, joita löytyy eriävissä määrin ja laaduin monista kasvilajeista. Suuria pitoisuuksia näitä yhdisteitä on havaittu etenkin pohjoismaalaisista marjoista. Näiden luonnolliset sadot ovat kuitenkin erityisen haavoittuvaisia kasvuympäristön muutoksille, minkä seurauksena mahdollisia menetelmiä arvokkaiden fenoliyhdisteiden tuottamiseksi bioreaktorikasvatuksissa tutkitaan. Fenoliyhdisteiden biosynteesireittejä ei kuitenkaan tunneta hyvin, ja niiden pitoisuudet ovat hyvin riippuvaisia kasvuolosuhteista sekä käytetystä solulinjasta. Vaikkakin monien marjalajien fenoliprofiilit ovat varsin hyvin määritelty aiemmissa tutkimuksissa, ovat monien marjalajien solususpensiolinjojen profiilit pitkälti kartoittamatta. Solususpensioiden edut fenoliyhdisteiden valmistuksessa ovat huomattavat verrattuna perinteiseen kasvatukseen, mutta eri solulinjojen tuotantokyvyt tarvitsevat tutkimusta, sekä tarvitaan parempi ymmärrys fenolien biosynteesireiteistä, ennen kuin niitä kyetään tehokkaasti hyödyntämään teollisuudessa.

Opinnäytetyössä toteutettiin perustutkimusta koskien useamman mesimarjan (Rubus arcticus) sekä lakan (Rubus chamaemorus) solususpensiolinjan kasvuominaisuuksia, fenoliyhdisteprofiileja, sekä fenolien biosynteesireittien muokkaamista. Biosynteesireittejä muokattiin kahdella eri elisiittorilla, metyylijasmonaatilla sekä etefonilla. Fenoliyhdisteet analysoitiin kasvusyklien ja elisitaatioiden eri vaiheissa UPLC-MS -menetelmällä, jotta saatiin kuvaavaa tietoa fenoliprofiilien muutoksista ajan suhteen.

Saadut tulokset osoittavat huomattavaa vaihtelua kasvuominaisuuksissa ja fenoliprofiileissa myös samaa lajia edustavien solususpensiolinjojen välillä. Molempien elisiittoreiden havaittiin lisäävän fenolituotantoa mesimarjan solususpensiossa. Etefonilla elisitoidessa havaittiin myös muodostuneen yksi uusi ennalta tuntematon yhdiste. Tarkastelluista solususpensiolinjoista mesimarjan todettiin poikkeuksetta sisältävän enemmän fenoliyhdisteitä kuin lakan.