Alternatives to Chromatography in Plant Breeding

Wild plants were taken into cultivation because of special features. Usually, medicinal plants or spices show distinct secondary metabolites combined with a specific pattern of these compounds. Typically, chromatographic methods like gas chromatography (GC) or high performance liquid chromatography (HPLC) were applied as standard methods for a meaningful analysis of secondary metabolites. However, these methods are labor and time intensive. In the breeding process, usually numerous single plants have to be analyzed and therefore, high throughput methods are required. In this article, some examples for alternative strategies are given. Besides spectroscopic methods like near infrared (NIR), also biosensoric approaches should be considered. For instance, several enzymes can oxidize or hydrolyze secondary metabolites in dependence of their functional groups. Polyphenols can be determined by laccases. Polyphenols like catechins and flavonoids contribute to the bioactivity of many medicinal plants. Also cysteine sulfoxides, which are typical for Allium species like garlic and onions, can be enzymatically determined with high specificity. Finally, toxic cyanogenic glycosides can be quantified by the enzyme cyanidase

Volatile compounds of the genus Allium L.

Allium species like garlic (A. sativum L.), as well as common onion (A. cepa L.), are well investigated in terms of their sulphur compounds. In general, odorless cysteine sulphoxides like alliin or isoalliin will be converted by the enzyme alliinase into allicin and the so-called ‘lachrymatory factor’, respectively. These compounds are rather unstable and will form a huge variety of further volatile, characteristic smelling sulphur compounds. Moreover, more compounds have been discovered during the last years. Especially the mountainous areas of Middle and Southwest Asia are a rich source for wild-growing Allium plants. For instance, A. tripedale Trautv. belonging to the subgenus Nectaroscordum is naturally growing in the northwest of Iran and neighboring countries. Leaves have a very strong and hot taste and are widely used by the local population as a spicy vegetable. As a major constituent of the bulb, (+)-S-(1-butenyl)-L-cysteine sulphoxide (‘homoisoalliin’) could be identified. As volatile compounds, di-(1-butenyl)-disulphide and the cepaene-like compounds di-(1-S-sulphoxymethyl-butyl)-disulphide, 1-S-sulphoxymethyl-butyl-1'-S-sulphoxy-1-butenyl-butyl-disulphide and 1-S-sulphoxymethyl-butyl-1'-S-sulphoxybutyl-butyl-disulphide could be identified by various MS experiments [1]. Primary products resulting from the alliinase reaction of homoisoalliin seem to be highly unstable and were rapidly converted to the volatile compounds listed above. A further rather interesting species of this area is A. stipitatum Regel. Pyridinyl containing sulphoxides could be identified for the first time in the genus Allium [2]. It can be assumed that these compounds were converted into pyridinyl-N-oxides inside the plant. Corresponding N-oxides were also monitored after alliinase reaction giving the very typical odor of this species. Beside pyridinyl derivatives, the cysteine sulphoxide marasmin could be observed also yielding volatile sulphur compounds after alliinase reaction with at least three sulphur atoms. Especially A. suworowii Regel is rich in this compound delivering a unique smell and taste [3]

Methodenentwicklung zur qualitativen und quantitativen Analyse der Triterpensäuren von Boswellia sacra FLÜCK. (Burseraceae) sowie verwandter Arten

Seit der Frühgeschichte der Menschheit finden sich bildliche und verschriftliche Hinweise auf die Nutzung von Weihrauch, sei es für religiöse-rituelle Zwecke, als Heilmittel oder auch als Gewürz. Schon in der Antike bildete sich, ausgehend vom heutigen Oman, die Weihrauchstraße aus, über welche das kostbare Gut weiter nach Norden und Westen verteilt wurde und den Anrainerstaaten einen unbeschreiblichen Reichtum bescherten. Außerhalb der arabischen Halbinsel kommt Weihrauch aber auch im östlichen Afrika sowie in Indien vor. Die bekanntesten Weihraucharten sind der „Indische Weihrauch“, der von Boswellia serrata ROXB. (Burseraceae) gewonnen wird, sowie der sehr hochpreisige „Arabische Weihrauch“, der von B. sacra FLÜCK. stammt. Weitere Arten kommen hauptsächlich in Ostafrika vor, beispielsweise in Äthiopien [„Äthiopischer Weihrauch“, B. papyrifera (DELILE ex CAILL.) HOCHST]. Problematisch ist, dass die hochwertigen Sorten häufig mit minderwertigeren Sorten, zumeist aus Ostafrika, verschnitten werden. Auch wenn es in Deutschland kein zugelassenes Arzneimittel auf der Basis von Weihrauch gibt, wird die innerliche Einnahme zu medizinischen Zwecken im Internet heftig beworben, zumeist mit fraglichen Heilsversprechen. Dabei gibt es nicht wenige pharmakologische Studien, die sich mit den gesundheitsfördernden Wirkungen von Weihrauch, zumeist einer entzündungshemmenden Wirkung, befassen. Derzeit fehlen jedoch aussagekräftige klinische Studien. Wegen der weiten Verbreitung von weihrauchhaltigen Zubereitungen und Präparaten sahen sich sowohl die amerikanische USP als auch das Europäische Arzneibuch veranlasst, Monographien zum Indischen Weihrauch (B. serrata; Olibanum indicum) auszuarbeiten. Bei näherer Betrachtung erscheinen diese Monographien aber unzulänglich. Zudem werden häufig Extrakte von zweifelhafter Qualität verarbeitet. In Kooperation mit der Firma Floradex in Oßmannstedt / Thüringen wurden zunächst qualitativ hochwertige Extrakte auf Ethanol-Basis entwickelt, die neben Weihrauchproben aus unterschiedlichen Quellen mit in die Untersuchungen eingeflossen sind, wobei der Schwerpunkt der analytischen Untersuchungen auf dem qualitativ sehr hochwertigen „Arabischen Weihrauch“, B. sacra, lag. Übergeordnetes Ziel war es, Verbesserungsvorschläge für die existierenden Arzneibuchmonographien zu erarbeiten. Als problematisch erwies sich schon die Probenvorbereitung für die Analysen. Ca. 50 % des Weihrauchs bestehen aus zumeist polymeren, quellfähigen Materialien, die sich kaum, aber eben doch teilweise, in Alkoholen lösen und somit eine chromatographische Analytik erheblich stören können. Um diese Probleme zu umgehen, wurde eine effiziente Extraktionsmethode sowie eine einfache Probenaufbereitung erarbeitet. Geeignet ist eine Soxhlet-Extraktion mit anschließender Abtrennung der sauren Komponenten durch zweimaliges Ausschütteln. Diese Methode gelingt insbesondere mit B. sacra problemlos. Im zweiten Schritt wurde die DC-Trennung zur Identifizierung der Materialien nachgearbeitet. Es zeigte sich, dass auch mit unterschiedlichen Fließmitteln eine weitgehende Trennung der Triterpensäuren nur schwer zu erreichen ist. Als optimal erwies sich ein saures Fließmittel, verbunden mit einer zweimaligen, kurzen Entwicklung auf HPTLC-Platten, und mit einer Auswertung bei UV 254 nm sowie nachfolgendem Entwickeln mit Anisaldehyd-Reagenz. Diese Methode ist den derzeitigen Arzneibuch-Monographien deutlich überlegen, da viele der wertbestimmenden Triterpensäuren getrennt identifiziert werden können. Als großer Herausforderung erwies sich die Überarbeitung der HPLC-Methode. Von den ca. 20 Triterpensäuren, die in deutlichen Mengen im Weihrauch vorkommen, werden nur zwei Keto-boswelliasäuren betrachtet, die zudem einen nur mengenmäßig kleinen Teil ausmachen (ca. 1- 3 %, bezogen auf das Rohmaterial). Zunächst wurde mit sehr zeitaufwändigen Experimenten versucht, die Säurefunktion oder die Alkoholfunktion der Triterpensäuren entweder über eine Esterbindung oder eine Säureamidbindung mit einem aromatischen Rest zu substituieren, der problemlos bei UV 254 nm und höher zu detektieren ist. Dieses Unterfangen erwies sich leider wegen der Komplexität der Proben als wenig erfolgreich. Hingegen verliefen die Versuche zur Findung eines geeigneten internen Standards (β-Glycyrrhetinsäure) sowie die quantitative Bestimmung weiterer Substanzen über Responsefaktoren erfolgreich. So konnten insgesamt 11 Weihrauchproben (Extrakte plus Rohmaterialien) exemplarisch umfassend bearbeitet werden und viele offene Fragen zur chromatographischen Analytik geklärt werden. Ausgehend hiervon konnten Verbesserungsvorschläge für die existierenden Arzneibuchmonographien erstellt werden

Анализ колебательно-вращательного спектра высокого разрешения полосы v2+v3 молекулы HDMS (M=32, 34)

В данной работе исследовали вращательной структуры изолированных состояний молекулы HDS, локализованных в диапазоне 3350-4050 см-1, а также решили обратной спектроскопической задачи с целью получения параметров эффективного гамильтониана полос 2v1 и v2+v3, описывающих экспериментальные данные.In this work, we studied the rotational structure of isolated states of the HDS molecule localized in the range of 3350–4050 cm – 1, and also solved the inverse spectroscopic problem in order to obtain the parameters of the effective Hamiltonian of the 2v1 and v2 + v3 bands describing the experimental data

Wild Allium species (Alliaceae) used in folk medicine of Tajikistan and Uzbekistan

BACKGROUND: Hitherto available sources from literature mentioned several wild growing Allium species as "edible" or "medicinally used" but without any further specification. METHODS: New data were gained during recent research missions: Allium plants were collected and shown to the local population which was asked for names and usage of these plants. RESULTS: Information was collected about current medical applications of sixteen wild species, nine of which belong to different sections of Allium subgenus Melanocrommyum. These plants are used against headache, cold, and stomach problems, and are mostly applied fresh or after boiling. CONCLUSION: Close taxonomic relatives of the common onion were used similar to cultivated onion species, but medical use like garlic was mostly reported for species taxonomically not related to garlic

Efficient determination of cysteine sulphoxides in Allium plants applying new biosensor and HPLC-MS² methods

Cysteine sulphoxide (CSO) contents of 16 different accessions of garlic (Allium sativum L.) and 15 varieties of onion (Allium cepa L.) were measured using two different rapid analytical methods: a biosensoric approach and a newly developed HPLC-MS2 technique. Both methods allow quantification of naturally occurring cysteine sulphoxides present in Allium plants without time-consuming sample pretreatment such as derivatisation of amino acid derivatives prior to HPLC-separation. It has been found that the amount of alliin, which is the predominant CSO occurring in garlic, varies between 0.2 and 2.2 g/100 g dry matter. Contrary to that, isoalliin representing the main CSO in onion has been detected in significantly lower amounts (0.3 to 1.25 g/100 g dry matter)

Cyanidase from Bacterial Sources and its Potential for the Construction of Biosensors

Because of their content of cyanogenic glycosides, many medicinal and food plants are toxic for man. If plant material containing cyanogenic glycosides gets disintegrated, cyanide is liberated by the action of different enzymes. Especially in developing countries, chronic poisoning by cyanogenic plants is a serious problem. Since probably more than 2500 plant species and also some insects contain cyanogenic glycosides, a rapid and precise method for the determination of these compounds should be developed. A biosensoric system based on an ammonia electrode and the enzyme cyanidase [EC 3.5.5.1] seems to be an effective analytical method for this class of substances and a promising alternative to an ion-selective cyanide electrode. The key-step in the development of such a sensor is the selection of a suitable cyanidase, which has been previously reported for bacteria. This biosensor should be used for screening purposes as well as for the quality control of cyanogenic medicinal and food plants. For this reason, we have examined strains of the bacteria Rhodococcus rhodochrous, Alcaligenes xylosoxidans, and Acinetobacter spec.. Strains were fed with increasing concentrations of potassium cyanide in order to induce cyanidase activity. After three cycles of selection, Alcaligenes xylosoxidans exhibited sufficient growth at cyanide concentrations up to 2´10-3 M. However, Rhodococcus rhodochrous showed excellent performance even at concentrations as high as 1 ´ 10-2 M cyanide. In addition, the latter bacterium is able to digest isovaleronitrile. No significant inhibition of growth was observed at concentrations up to 2 ´ 10-2 M isovaleronitrile. Because of cyanidase activity, Acinetobacter spec. was capable to utilize cyanide as nitrogen source. First measurements with immobilized cyanidase in a flow-through apparatus based on an ammonia electrode gave a detection limit at 0.2 mg/L cyanide. The linear range of the calibration curve was between 0.6 mg/L and 30 mg/L cyanide