Type III Polyketide synthases from Gerbera Hybrida

The type III polyketide synthases (PKSs) are a group of enzymes involved in the production of structurally diverse secondary metabolites, polyketides in plants. Compounds, such as chalcones, chromones, stilbenes and coumarins possess a variety of important biological roles for the plants, such as protection against oxidative stress, pests and diseases, herbivory and UV irradiation. From the human use perspective, polyketides or their derivatives serve as antifungal compounds, immunosuppressants, anticancer drugs, antibiotics and insecticides. Type III PKS are small (40-45 kDa) proteins functioning as homodimers. They catalyze the sequential decarboxylative condensation reaction between malonyl-CoA and a variety of CoA-linked starter molecules in a biosynthesis, which closely resembles fatty acid biosynthesis. Gerbera (Gerbera hybrida) expresses three genes encoding chalcone synthases (CHS), which are enzymes involved in the biosynthesis of flavonoids in plants. In addition, it has three genes encoding 2-pyrone synthases (G2PS1-3), which differ from the CHSs with altered substrate specificity and the amount of decarboxylative malonyl-CoA condensation reactions. It was previously shown that G2PS1 is a triketide synthase, responsible for the biosynthesis of 4-hydroxy-6-methyl-2-pyrone (triacetolactone, TAL), a putative precursor for two antimicrobial compounds, gerberin and parasorboside in gerbera. In this study, the G2PS2 and G2PS3 were functionally characterized as pentaketide synthases and their role in the biosynthesis of another antimicrobial compound, 4-hydroxy-5methylcoumarin (HMC) was demonstrated. Using protein modelling and mutagenesis studies, the structural differences in the active site cavity of gerbera 2-pyrone synthases were demonstrated. The gerbera type III PKS family was extended by characterizing two additional 2-pyrone synthases and determining their expression patterns. The newly discovered GASCL1 and GASCL2 are anther specific chalcone synthase like enzymes (ASCLs), which in many other plant species have been shown to take part to the biosynthesis of sporopollenin, the main component of a exine layer of the pollen grain. The last part of the thesis focus on glycosyltransferses (GTs), a group of enzymes that catalyze the addition of a sugar moiety to the plant secondary metabolites, including the products of the gerbera type III PKSs.Sekundaarimetaboliitit ovat kasveissa tavattavia yhdisteitä, jotka toimivat pigmentteinä, UV-säteilyn suojana sekä taistelussa mikrobeja vastaan. Myös ihminen on kiinnostunut yhdisteistä, sillä kasvien sekundaarimetabolian tuotteita tai niiden johdoksia käytetään mm. antibiootteina, home- ja hyönteismyrkkyinä sekä lääkkeinä. Tyypin III polyketidisyntaasit ovat kooltaan suhteellisen pieniä (40-45 kDa), rakenteeltaan homodimeerisiä proteiineja. Entsyymit toimivat katalyytteinä biosynteesireaktioissa, jotka muistuttavat etäisesti rasvahappojen biosynteesiä. Tyypin III polyketidisyntaasien reaktiomekanismi tunnetaan suhteellisen hyvin. Reaktio käynnistyy lähtöaineen latauksella, malonyyli-KoA:n dekarboksylaatiolla sekä sen liittämisellä pitenevään polyketidiketjuun. Väitöskirjassani tutkin gerberassa tavattavia tyypin III polyketidisyntaasi-entsyymejä, jotka tuottavat polyketideiksi luokiteltuja sekundaarimetabolian tuotteita. Ensimmäinen julkaisuni koskee gerberan polyketidisyntaaseja, jotka ovat vastuussa antimikrobiaalisen yhdisteen biosynteesistä (4-hydroksi-5-metyylikumariini). Toisessa julkaisussani määritin kaksi muuta gerberan tyypin III polyketidisyntaasia, jotka osallistuvat siitepölyhiukkasen soluseinän biosynteesiin. Kolmas artikkeli koskee glukosyylitransferaaseja, entsyymejä jotka liittävät sokerimolekyylejä kasvien sekundaarimetaboliitteihin

Buckwheat - an old crop with new health prospects

Interest in buckwheat has incresed due to it being a valuable raw material for functional food production. It has been reported to have general beneficial effects on health. Buckwheat competes well with weeds and suffers little from other pests. This may be because buckwheat contains allelopathic compounds and its cultivation was observed to reduce weed biomass. Its soil nutritional requirements are low

ß-Glucan contents of groats of different oat cultivars in official variety, in organic cultivation, and in nitrogen fertilization trials in Finland

ß-Glucan is a beneficial chemical compound in the diet of humans by decreasing the levels of serum cholesterol and blood glucose. The ß-glucan contents of oat groats were studied in official variety trials (1997-1999), nitrogen fertilization trials (1997-1999) and organic variety trials (1997-1998) in Finland. Eight cultivars were studied in the organic variety trials. Two of them, cultivars Puhti and Veli, were cultivated also with a conventional method at the same fields. The years 1997 and 1999 were very warm and dry and 1998 very cool and rainy. The effects of year and cultivar on ß-glucan content were significant in all three trial series. The Kolbu oat cultivar had a significantly lower ß- glucan content than other cultivars in all trials. N fertilization did not increase the ß-glucan contents of oats in Finland. The effect of cultivation method (traditional vr organic cultivation) had no significant effect on the ß-glucan content. The year x cultivar interaction significantly affected the ß-glucan contents of oat groats in N fertilization trials. The reaction of different cultivars to weather conditions was different. Kolbu oat cultivar had significantly lower ß-glucan contents in 1998 than in warm years in all three trial series

Polyketide reductases in defense-related parasorboside biosynthesis in Gerbera hybrida share processing strategies with microbial polyketide synthase systems

Plant polyketides are well-known for their crucial functions in plants and their importance in the context of human health. They are synthesized by type III polyketide synthases (PKSs) and their final functional diversity is determined by post-PKS tailoring enzymes. Gerbera hybrida is rich in two defense-related polyketides: gerberin and parasorboside. Their synthesis is known to be initiated by GERBERA 2-PYRONE SYNTHASE 1 (G2PS1), but the polyketide reductases (PKRs) that determine their final structure have not yet been identified. We identified two PKR candidates in the pathway, GERBERA REDUCTASE 1 (GRED1) and GRED2. Gene expression and metabolite analysis of different gerbera tissues, cultivars, and transgenic gerbera plants, and in vitro enzyme assays, were performed for functional characterization of the enzymes. GRED1 and GRED2 catalyze the second reduction step in parasorboside biosynthesis. They reduce the proximal keto domain of the linear CoA bound intermediate before lactonization. We identified a crucial tailoring step in an important gerbera PKS pathway and show that plant polyketide biosynthesis shares processing strategies with fungi and bacteria. The two tailoring enzymes are recruited from the ancient sporopollenin biosynthetic pathway to a defense-related PKS pathway in gerbera. Our data provide an example of how plants recruit conserved genes to new functions in secondary metabolism that are important for environmental adaptation.Peer reviewe

Functional characterization and expression of GASCL1 and GASCL2, two anther-specific chalcone synthase like enzymes from Gerbera hybrida

The chalcone synthase superfamily consists of type III polyketidesynthases (PKSs), enzymes responsible for producing plant secondary metabolites with various biological and pharmacological activities. Anther-specific chalcone synthase-like enzymes (ASCLs) represent an ancient group of type III PKSs involved in the biosynthesis of sporopollenin, the main component of the exine layer of moss spores and mature pollen grains of seed plants. In the latter, ASCL proteins are localized in the tapetal cells of the anther where they participate in sporopollenin biosynthesis and exine formation within the locule. It is thought that the enzymes responsible for sporopollenin biosynthesis are highly conserved, and thus far, each angiosperm species with a genome sequenced has possessed two ASCL genes, which in Arabidopsis thaliana are PKSA and PKSB. The Gerbera hybrida (gerbera) PKS protein family consists of three chalcone synthases (GCHS1, GCHS3 and GCHS4) and three 2-pyrone synthases (G2PS1, G2PS2 and G2PS3). In previous studies we have demonstrated the functions of chalcone synthases in flavonoid biosynthesis, and the involvement of 2-pyrone synthases in the biosynthesis of antimicrobial compounds found in gerbera. In this study we expanded the gerbera PKS-family by functionally characterizing two gerbera ASCL proteins. In vitro enzymatic studies using purified recombinant proteins showed that both GASCL1 and GASCL2 were able to use medium and long-chain acyl-CoA starters and perform two to three condensation reactions of malonyl-CoA to produce tri- and tetraketide 2-pyrones, usually referred to as alpha-pyrones in sporopollenin literature. Both GASCL1 and GASCL2 genes were expressed only floral organs, with most expression observed in anthers. In the anthers, transcripts of both genes showed strict tapetum-specific localization. (C) 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.Peer reviewe

Korkea satoindeksi ominaista satoisalle tattarilajikkeelle

MTT:n Terveyttä tattarista -hankkeen yhtenä tavoitteena oli etsiä uusia, Suomeen paremminsoveltuvia lajikkeita. Suurempien satotoiveiden lisäksi tavoitteena oli selvittää, kuinka paljon lajikkeetsisältävät liukoisia sokereita ja niihin kuuluvia fagopyritoleja sekä D-chiro-inositolia. Tattarilletyypillisten sokereiden on todettu vaikuttavan ihmisten sokeriaineenvaihduntaan, ja siksi niillesaattaisi löytyä nykyistä laajempaa käyttöä diabeetikkojen ja ylipainoisten ruokavaliossa.Jokioisissa tutkittiin kahtena vuotena (2003 ja 2007) 21 Puolasta, Suomesta, Tšekistä ja Valko-Venäjältä saadun lajikkeen sadontuottoa ja laatua. Koevuodet erosivat selvästi, sillä vuonna 2003keskimääräiset hehtaarisadot vaihtelivat 636 - 1319 kg:n ja vuonna 2007 612 - 2233 kg:n välillälajikkeesta riippuen. Ensimmäisenä vuonna valkovenäläiset 'Karmen' (1319 kg/ha) ja 'Anita' (1251kg/ha) tuottivat suuremman sadon verranteena olleeseen 'Ilkkaan' (1106 kg/ha) nähden. Toisenavuonna 'Anitan' (2233 kg/ha) ja 'Karmenin' (2054 kg/ha) lisäksi myös puolalaiset 'Luba' (2036 kg/ha),'Kora' (2016 kg/ha), 'Panda' (1997 kg/ha) sekä valkovenäläiset 'Vlada' (1984 kg/ha) ja 'Zadanne' (1875kg/ha) tuottivat verrannetta enemmän. Pähkyläsadon osuutta kuvaavat satoindeksit vaihtelivat 0.14 -0.28 välillä lajikkeesta riippuen. Sadoltaan parhaat lajikkeet sijoittuivat myös satoindeksivertailussaparhaimmistoon. Pisimmillä lajikkeilla satoindeksit jäivät muita pienemmiksi. Lajikkeesta riippuenliukoisten sokereiden (ilman sakkaroosia) keskimääräiset pitoisuudet olivat 510 - 720 mg/100g, jostafagopyritolit muodostivat suurimman yksittäisen ryhmän (346 - 617 mg/100g). Fagopyritoleistafagopyritoli B1:tä oli eniten (noin 70 %). Vapaana ja fagopyritoleissa sitoutuneena olevaa D-chiroinositoliamääritettiin 192 - 324 mg/100g. Suurimmat fagopyritolipitoisuudet löytyivät sadoltaanheikompien lajikkeiden joukosta.Muiden maiden kasvuoloihin jalostettuja tattarilajikkeita voidaan tutkimuksen mukaan viljelläonnistuneesti myös Suomessa. Kahtena koevuotena kokeissa olleiden lajikkeiden joukosta erottuinykyisin Suomessa viljeltäviä paikalliskantoja satoisampia jalosteita. Erityisesti 'Karmen' ja 'Anita'ovat varteenotettavia lajikkeita, koska ne tuottivat merkitsevästi suurempia satoja molempinakoevuosina. Valkovenäläisten jalosteiden lisäksi myös tutkimuksen puolalaiset lajikkeet olivat toisenakoevuotena hyviä. Suuren hehtaarisadon tuottaville lajikkeille oli ominaista, että ne löytyivät yleensämatalien ja keskipitkien joukosta, joiden satoindeksi oli myös suurin. Ravitsemuksellisestimielenkiintoisia liukoisia sokereita kuten fagopyritoleja ja D-chiro-inositolia voidaan Suomessatuottaa vertailukelpoisesti ulkomaisiin tuloksiin verrattuna. Koska hitaasti imeytyviä tattarisokereitasaattaa olla vähemmän runsassatoisissa lajikkeissa, on tämä huomioitava lajikevalintoja tehtäessä

Ulkomaisilla lajikkeilla lisää tattarisatoa

Maailmalla on tarjolla uusia, Suomen oloihin nykyisiä paremmin soveltuvia tattarilajikkeita. Erityisen kiinnostava tuttavuus on valkovenäläinen Karmen. Se on satoisa lajike, joka sisältää runsaasti terveellisten elintarvikkeiden raakaaineiksi soveltuvia fagopyritoleja.vokKA

Tattari keittiössä meillä ja maailmalla

Tattari on viljelykasvina levinnyt ympäri maailman, ja tattariruokien kirjo on laaja. Tattarista valmistetaan paikallisia perinteisiä ruokia, mutta sille on kehitetty myös aivan uusia käyttötapoja. Nykykeittiössä hyödynnetään tietoisesti tattarin terveyttä edistäviä ominaisuuksia.vokKA

Tattarista terveellistä popsittavaa

Keskellä kauneinta kesää saattoi maaseudulla kulkija pysähtyä ihmeissään pellon laitaan valkoisen kukkameren ääreen. Tuossahan kasvaa kauraa ja tässä vehnää, mutta mikä tämä kukkarunsaus on? Se oli tattari, joka aloitti kukintansa heinäkuun alkupuolella ja jatkaa sitä syyshalloihin asti. Kukista kehittyy ruskeita pähkylöitä, jotka kiinnostavat terveellisyytensä takia.vokKA

Tattari - ihmeellisen hyvä viljelykasvi

Tattarin viljelyn lisääminen tekisi hyvää sekä yksipuolistuvalle peltoympäristölle että kansansairauksia poteville suomalaisille. Viljelyä kannattaisi laajentaa myös siksi, että nykyinen kulutus ylittää kotimaisen tarjonnan.vokKA