Secondary metabolites in Gerbera hybrida

Plants produce a diversity of secondary metabolites, i.e., low-molecular-weight compounds that have primarily ecological functions in plants. The flavonoid pathway is one of the most studied biosynthetic pathways in plants. In order to understand biosynthetic pathways fully, it is necessary to isolate and purify the enzymes of the pathways to study individual steps and to study the regulatory genes of the pathways. Chalcone synthases are key enzymes in the formation of several groups of flavonoids, including anthocyanins. In this study, a new chalcone synthase enzyme (GCHS4), which may be one of the main contributors to flower colour, was characterised from the ornamental plant Gerbera hybrida. In addition, four chalcone synthase-like genes and enzymes (GCHS17, GCHS17b, GCHS26 and GCHS26b) were studied. Spatial expression of the polyketide synthase gene family in gerbera was also analysed with quantitative RT-PCR from 12 tissues, including several developmental stages and flower types. A previously identified MYB transcription factor from gerbera, GMYB10, which regulates the anthocyanin pathway, was transferred to gerbera and the phenotypes were analysed. Total anthocyanin content and anthocyanidin profiles of control and transgenic samples were compared spectrophotometrically and with HPLC. The overexpression of GMYB10 alone was able to change anthocyanin pigmentation: cyanidin pigmentation was induced and pelargonidin pigmentation was increased. The gerbera 9K cDNA microarray was used to compare the gene expression profiles of transgenic tissues against the corresponding control tissues to reveal putative target genes for GMYB10. GMYB10 overexpression affected the expression of both early and late biosynthetic genes in anthocyanin-accumulating transgenic tissues, including the newly isolated gene GCHS4. Two new MYB domain factors, named as GMYB11 and GMYB12, were also upregulated. Gene transfer is not only a powerful tool for basic research, but also for plant breeding. However, crop improvement by genetic modification (GM) remains controversial, at least in Europe. Many of the concerns relating to both human health and to ecological impacts relate to changes in the secondary metabolites of GM crops. In the second part of this study, qualitative and quantitative differences in cytotoxicity and metabolic fingerprints between 225 genetically modified Gerbera hybrida lines and 42 non-GM Gerbera varieties were compared. There was no evidence for any major qualitative and quantitative changes between the GM lines and non-GM varieties. The developed cell viability assays offer also a model scheme for cell-based cytotoxicity screening of a large variety of GM plants in standardized conditions.Kasvit tuottavat monenlaisia yhdisteitä, jotka syntyvät erilaisten entsyymien ja niistä muodostuvien reittien kautta. Toisia näistä yhdisteistä tarvitaan ylläpitämään kasvin perustoimintoja kuten kasvua ja lisääntymistä. Toisten, ns. luonnonaineiden avulla kasvi elää vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. Eräs tutkituimmista entsyymireiteistä tekee flavonoidi-nimisiä luonnonaineita, jotka mm. antavat kukille värin ja auttavat kasvia puolustautumaan tauteja ja tuholaisia vastaan. Jotta saataisiin selville, miten kasvit tekevät eri yhdisteitä, on tutkittava entsyymejä ja niiden säätelyä kasveissa. Kalkonisyntaasi-nimiset entsyymit vaikuttavat useiden flavonoidi-luonnonaineiden syntymiseen. Tässä tutkimuksessa löydettiin uusi kalkonisyntaasi-entsyymi, jolla on todennäköisesti tärkeä tehtävä gerberan kukan väriaineiden muodostumisessa. Myös muita kalkonisyntaasien kaltaisia entsyymejä tutkittiin. Gerberan kukan väriaineita synnyttävän reitin säätelyyn vaikuttava geeni siirrettiin gerberaan ja siirtogeeniset gerberat tutkittiin. Huomattiin, että tämän säätelijägeenin ylitoimiminen gerberassa aiheutti uusien väriaineiden syntymisen ja jo olemassa olevien väriaineiden lisääntymisen. Tämä johtui siitä, että säätelijägeenin ylitoimiminen aktivoi useita muita geenejä, joiden tuottamien entsyymien avulla väriaineet syntyvät kasveissa. Samalla aktivoitui myös uusia säätelygeenejä. Siirtogeenisiä kasveja käytetään perustutkimuksessa, mutta geeninsiirto on myös kätevä menetelmä kasvinjalostuksessa. Siirtogeeniset kasvit herättävät kuitenkin ristiriitaisia tunteita Euroopassa. Ihmisiä askarruttaa siirtogeenisten kasvien aiheuttama mahdollinen allergiariski ja yllättävät muutokset luonnonaineissa, jotka voivat muuttaa kasvit myrkyllisiksi. Tutkimuksen toisessa osassa etsittiin näitä yllättäviä muutoksia tutkimalla 225 siirtogeenisen gerberan myrkyllisyyttä ihmisen keuhko-, maksa- ja suolistosoluille sekä hiiren hermosoluille. Mitään todisteita siirtogeenisten gerberoiden myrkyllisyydestä ei kuitenkaan löytynyt. Kehitetyt solutestit tarjoavat mahdollisuuden tutkia muitakin siirtogeenisiä kasveja standardoiduissa olosuhteissa

Identification of target genes for a MYB-type anthocyanin regulator in Gerbera hybrida

Genetic modification of the flavonoid pathway has been used to produce novel colours and colour patterns in ornamental plants as well as to modify the nutritional and pharmaceutical properties of food crops. It has been suggested that co-ordinate control of multiple steps of the pathway with the help of regulatory genes would lead to a more predictable control of metabolic flux. Regulation of anthocyanin biosynthesis has been studied in a common ornamental plant, Gerbera hybrida (Asteraceae). An R2R3-type MYB factor, GMYB10, shares high sequence similarity and is phylogenetically grouped together with previously characterized regulators of anthocyanin pigmentation. Ectopic expression of GMYB10 leads to strongly enhanced accumulation of anthocyanin pigments as well as to an altered pigmentation pattern in transgenic gerbera plants. Anthocyanin analysis indicates that GMYB10 specifically induces cyanidin biosynthesis in undifferentiated callus and in vegetative tissues. Furthermore, in floral tissues enhanced pelargonidin production is detected. Microarray analysis using the gerbera 9K cDNA array revealed a highly predicted set of putative target genes for GMYB10 including new gene family members of both early and late biosynthetic genes of the flavonoid pathway. However, completely new candidate targets, such as a serine carboxypeptidase-like gene as well, as two new MYB domain factors, GMYB11 and GMYB12, whose exact function in phenylpropanoid biosynthesis is not clear yet, were also identified

Uusia puolustusaineita gerberasta

Kasvien syntetisoimien kemiallisten yhdisteiden (sekundäärimetaboliittien) kirjo on laaja ja suhteessa tähän monimuotoisuuteen vain muutamien yhdisteiden biokemiallinen synteesireitti tunnetaan. Leikko- ja ruukkukasvina kasvatettava sädelatva eli gerbera (Gerbera hybrida, Asteraceae) tuottaa maanpäällisiin osiinsa kahta glukosidista karvasainetta, gerberiiniä ja parasorbosidia. Jälkimmäinen tunnetaan myös pihlajan karvasaineena. Glukosidit sellaisenaan torjuvat hyönteistuhoilta, ja sieniperäisten taudinaiheuttajien läsnäollessa ne hajotetaan aglykoneiksi joilla on sienitauteja torjuva vaikutus. Olemme tutkineet gerberan sekundääriaineenvaihdunnan tuotteita ja niistä vastaavia geenejä, ja löytäneet avaingeenin, joka johtaa gerberiinin ja parasorbosidin biosynteesiin. Yhdisteet muodostuvat asetyyli-CoA:sta ja malonyyli-CoA:sta reaktiossa, jonka ensimmäistä vaihetta katalysoi kasveille tyypillinen polyketidisyntaasiperheeseen kuuluva entsyymi. Vastaavanlaisia yhdisteitä tunnetaan sienistä ja bakteereista, mutta aiemmin ei tiedetty niitä esiintyvän myös kasveilla. Uutettavan gerberiiniaglykonin määrä eri gerberalajikkeissa korreloi harmaahomeen (Botrytis cinerea) kestävyyden kanssa. Gerberiini/parasorbosidireitin aktiivisuus toimii siten merkkiominaisuutena taudinkestävyydelle ja mahdollistaa kestävyystestauksen ilman taudinaiheuttajaa. Tutkimuksemme yhtenä tavoitteena on selvittää miten tämä merkkiominaisuus on helpoin mitata lajiketestauksessa. Vaihtoehdot ovat metaboliittien kemiallinen analyysi, lähetti-RNA:n analyysi tai DNA-testi. Tutkimuksemme laajempana tavoitteena on osoittaa gerberasta löydetyn gerberiini/parasorbosidireitin hyödynnettävyys pelto- ja puutarhakasvien kestävyysjalostuksessa. Mikäli reitti saadaan koottua toimivaksi uudessa kohdekasvissa, on odotettavissa että se toimii hyvin laajasti lähtömetaboliittien ollessa perusaineenvaihdunnan välituotteita. Esitetyllä metabolisella kestävyysjalostuksella on todennäköisesti laaja sovellettavuusala, joka viime kädessä riippuu kunkin hyötykasvin tautien ja tuholaisten herkkyydestä k.o. aineille. Ensimmäinen sovellusala olisi puutarhassa ja kasvihuoneella viljeltävät koristekasvit. Soveltaminen elintarvikkeiden raaka-aineisiin edellyttää toksikologisia tutkimuksia, mutta lähtökohtana on merkillepantavaa, että parasorbosidia esiintyy luonnostaan pihlajanmarjoissa, marja-aroniassa ja amerikkaisessa karpalossa

Analysis of the floral transcriptome uncovers new regulators of organ determination and gene families related to flower organ differentiation in Gerbera hybrida (Asteraceae)

Development of composite inflorescences in the plant family Asteraceae has features that cannot be studied in the traditional model plants for flower development. In Gerbera hybrida, inflorescences are composed of morphologically different types of flowers tightly packed into a flower head (capitulum). Individual floral organs such as pappus bristles (sepals) are developmentally specialized, stamens are aborted in marginal flowers, petals and anthers are fused structures, and ovaries are located inferior to other floral organs. These specific features have made gerbera a rewarding target of comparative studies. Here we report the analysis of a gerbera EST database containing 16,994 cDNA sequences. Comparison of the sequences with all plant peptide sequences revealed 1656 unique sequences for gerbera not identified elsewhere within the plant kingdom. Based on the EST database, we constructed a cDNA microarray containing 9000 probes and have utilized it in identification of flower-specific genes and abundantly expressed marker genes for flower scape, pappus, stamen, and petal development. Our analysis revealed several regulatory genes with putative functions in flower-organ development. We were also able to associate a number of abundantly and specifically expressed genes with flower-organ differentiation. Gerbera is an outcrossing species, for which genetic approaches to gene discovery are not readily amenable. However, reverse genetics with the help of gene transfer has been very informative. We demonstrate here the usability of the gerbera microarray as a reliable new tool for identifying novel genes related to specific biological questions and for large-scale gene expression analysis