Multi-aspect (total and ROS specific) analysis of flavonoid antioxidant capacities for the exploitation of UV light as post-harvest manipulation of table grape biofortification  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
112309
Type K
Principal investigator Hideg, Éva
Title in Hungarian Flavonoidok széles spektrumú és ROS specifikus antioxidáns képességének összehasonlító vizsgálata, és szerepük a csemegeszőlő biológiai értékének UV fénnyel történő utólagos (post-harvest) javításában
Title in English Multi-aspect (total and ROS specific) analysis of flavonoid antioxidant capacities for the exploitation of UV light as post-harvest manipulation of table grape biofortification
Keywords in Hungarian antioxidáns, flavonoid, reaktív oxigén származékok, hidroxil gyök mérés, másodlagos metabolitok
Keywords in English antioxidant capacities, flavonoids, reactive oxygen species, hydroxyl radical detection, secondary metabolites
Discipline
Agrochemistry (Council of Complex Environmental Sciences)80 %
Horticulture (Council of Complex Environmental Sciences)10 %
Crop physiology (Council of Complex Environmental Sciences)10 %
Ortelius classification: Secondary metabolites (Plant physiology)
Panel Plant and animal breeding
Department or equivalent Insitute of Biology (University of Pécs)
Participants Csepregi, Kristóf
Czégény, Gyula
Kálai, Tamás
Teszlák, Péter
Starting date 2015-01-01
Closing date 2019-09-30
Funding (in million HUF) 41.886
FTE (full time equivalent) 10.79
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás során a post-harvest UV kezelés antioxidáns kapacitás növelő hatását tervezzük vizsgálni. A természetes napfényben is tartalmazott UV-B (280-315 nm) és UV-A (315-400 nm) megvilágítással elérhető biofortifikáció egy új kutatási irány, a nagyobb energiájú besugárzás illetve vegyszeres kezelés környezet- és fogyasztóbarátabb alternatívája.
A technika lehetőségeinek alapozó kutatásához egy teljes körű, többszempontos antioxidáns kapacitás felmérő metodikai megközelítés szükséges. A növényi polifenolok mint nem enzimatikus antioxidánsok tulajdonságainak meghatározására többféle módszer is ismert. A legelterjedtebbek a teljes antioxidáns kapacitás mérő (TAC) eljárások, de ezek közül a kutatások jellemzően csak egyes eljárásokat alkalmaznak, és a specifikusabb információt hordozó ROS semlegesítő képesség mérése ritkán szerepel. A tervezett komplex eljárás magában foglalja mind az elektron- mind a hidrogén atom transzferen alapuló TAC módszereket, mind pedig a különböző ROS fajtákra specifikus antioxidáns kapacitás méréseket. Megvalósításához a már ismert eljárások módosításra, értékelésük pontosítására és új eljárások kidolgozására is sor kerül.
Az így megvalósított komplex értékelés a flavonoidok részletes jellemzését adja majd, amit tiszta hatóanyagok széles körén, aglikonokon és glikozilált módosulatokon is elvégzünk a szerkezet-funkció pontosabb felderítése érdekében. A tervezett vizsgálatok az antioxidáns működés közben lehetséges flavonoid gyök keletkezésre is kiterjednek. Ezek az eredmények adják meg az alapot arra, hogy többféle csemegeszőlőn is megvizsgáljuk és értékeljük a post-harvest UV fény kezelés flavonoid összetétel módosító hatásait.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A tervezett kutatás célja az UV fény post-harvest biológiai érték módosító hatásainak vizsgálata. Ennek alapja egy sokoldalú, mind a széles spektrumú mind az egyes reaktív oxigén formákat célzó specifikus antioxidáns tulajdonságokat feltáró módszer, amit meglevő mérőmódszerekből, ezek megfelelően módosított változataiból és saját fejlesztésű eljárásokból fogunk összeállítani. A vizsgálat fontos aspektusa az oxidatív tulajdonságú flavonoid gyökök lehetséges keletkezésének vizsgálata is. A kifejlesztett eljárás segítségével csemegeszőlő bogyók utólagos (szüret utáni) UV kezelésének eredményét vizsgáljuk, az alkalmazott hullámhossz, intenzitás és dózis optimalizálására törekedve.
Munkahipotézisünk szerint a post-harvest antioxidáns tartalom módosítás lehetséges, bár mechanizmusa várhatóan csak részben fed át a természetes érés során lezajló folyamatokkal. Különböző változások várhatóak a bogyóhéjban, a terméshúsban és a magokban. A pályázat során megoldandó antioxidáns metodikai fejlesztéssel várhatóan újabb szerkezet-hatás összefüggéseket is találunk majd, például a flavonoidok glikolizáltságának tekintetében.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az ultraibolya (UV) fény post-harvest alkalmazása technológiailag azért ígéretes, mert a napsugárzás is tartalmaz UV-B (280-315 nm) és UV-A (315-400 nm) komponenseket. Ezek fontos fejlődésszabályozó tényezők, melyek a flavonoid bioszintézist is befolyásolják. Ugyanezeknek a komponenseknek a mesterséges, laboratóriumi körülmények közöti alkalmazása több előnyel is jár: a flavonoid tartalom befolyásolásával megnövelheti a kezelt termés (i) egészségmegőrző tápanyagértékét és (ii) eltarthatóságát is. (iii) Az így kezelt gyümölcsöket várhatóan a fogyasztók is jobban elfogadják, mint az egyéb módon, pl. nagyobb energiájú besugárzással vagy vegyszerekkel kezelt illetve GMO termékeket. (iv) A kisebb energiájú UV alkalmazása más beavatkozásokhoz képest a post-harvest kezelést végrehajtók számára is kisebb, illetve jobban kivédhető egészségkárosodási kockázatot jelent.
Az UV fényt sikerrel alkalmazták zöldségek post-harvest kezelésére, de az általunk célzott csemegeszőlő egy újabb kutatási irányt jelent. Erre a tanulmányozásra kiválasztott, jól tárolható hazai- és nemzetközi jelentőségű fajták egyaránt kiváló lehetőséget nyújtanak majd.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A növények változatos fenolos vegyületeket termelnek, melyek közül több is antioxidáns hatásával védi szöveteiket a kedvezőtlen környezeti hatások között bekövetkező oxidatív stressz ellen. Ezek a vegyületek a táplálékul szolgáló növényi részekben is megtalálhatóak, ezek íz és színanyagait adják és hozzájárulnak egészségmegörző értékükhöz. Munkánk egyik része ezen vegyületek, közülük elsősorban az ún. flavonoidok antioxidáns tulajdonságainak többszempontos, teljeskörű leírását célozza. Erre már léteznek eljárások, ezek azonban általában csak egy-egy szempontból jellemzik a célvegyületeket. Több eljárás, módosításra és pontosításra is szorul, illetve újak kidolgozására is szükség van.
Az így kidolgozásra kerülő teljeskörű vizsgálati módszer várhatóan új információkat ad a szerkezet és az antioxidáns hatás összefüggéseiről, továbbá egy fontos alkalmazási lehetőséget is teremt. Ez a termények/termések tápanyagtartalmának utólagos, betakarításuk/szüretelésük utáni, biofortifikáció néven ismert javítása. Ezt hazai és nemzetközi viszonylatban is ismert csemegeszőlő fajtákban vizsgáljuk, a kezelésre pedig a természetes napfényben is tartalmazotthoz hasonló ultraibolya fényt (UV-A és UV-B) használunk. Ez a szokásos vegyszeres vagy besugárzásos kezeléssel szemben egy természetesebb technológia.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
We plan to apply post-harvest UV for manipulating the antioxidant properties of table grapes. Biofortification of fruits using wavelengths present in natural sunlight (UV-B 280-315 and UV-A, 315-400 nm) is a new approach, offering a more environmentally friendly alternative to higher energy radiation or chemical treatments. To evaluate the potential use of this technique we need a reliable comparative characterization of the antioxidant function. Polyphenols as non-enzymatic antioxidants are traditionally characterized by diverse methods, based on reactivities to synthetic pro-oxidants. Total antioxidant capacities (TAC) are far more frequently applied than more informative ROS specific capacities and published studies usually include only one or just a few commonly used methods. A multi-aspect approach, including both electron- and hydrogen atom transfer based TAC as well as neutralizing capacities of major ROS will be applied to survey flavonoids in vitro. Aglycones and glycosylated forms will be compared with emphasis on structure-function relations. Methodological issues and controversies will be addressed and new assays will be developed. Possible conversions of flavonoids to pro-oxidant forms will also be studied. This array of methods will be applied to evaluate effects of post-harvest UV treatment in berries of table grapes.
Our aim is threefold; (i) to develop a multi-aspect test of the antioxidant function, (ii) to better understand the structure-activity requirements that govern the antioxidant activity of flavonoids, and (iii) to use this technology and knowledge for the exploitation of UV light as post-harvest manipulation of fruit biofortification.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Our aim is to explore the possibility of using UV-B and/or UV-A light for biofortification of table grapes. This includes a complete, multi-aspect survey of flavonoid antioxidant potentials; possible formation of undesirable pro-oxidant flavonoid radical products; finding optimal UV wavelengths, intensities and doses.
We hypothesize, that mechanisms driving biofortification by UV will partly overlap with those present during natural ripening (brought about by a complex interaction of temperature, visible light and UV factors). Berry skins, pulp and seeds are expected to respond differently. By complementing existing antioxidant methodology with new, ROS specific aspects, we expect to find new flavonoid structure-function relations, especially concerning the role of glycoside groups.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The use of lower energy UV radiation for post-harvest treatments is an emerging new strategy. UV-B (280-315 nm) and UV-A (315-400 nm) are part of sunlight reaching the Earth’s surface and are known to stimulate flavonoid biosynthesis among influencing other plant developmental factors. Exploiting UV light as a post-harvest biofortification method has the potential of creating products with (i) improved health value and (ii) longer shelf-life. In addition, (iii) a better consumer approval is to be accepted, as opposed to manipulation by higher energy radiation, chemical treatments or GMO products. Moreover, (iv) UV-A and -B bears less health hazards for people actually performing or supervising treatments than other techniques.
Newly developed or improved methods incorporated into a multi-angle antioxidant capacity survey will also be useful in studies of other plant samples, including research on plant stress physiology and environmental adaptation studies.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Plants produce various polyphenols to maintain their own metabolism even under unfavourable environmental conditions. Most of these compounds are antioxidants which prevent or lessen oxidative stress in plant cells. Such plant metabolites are desirable from a human nutrition perspective, as they are associated with health benefits and/or improved colour or flavour of crop species.
The first part of our work is focussed on the understanding of the antioxidant function which can be measured using various in vitro tests. Individual methods, however, investigate antioxidant properties from certain aspects only (which varies method by method) and a full characterization can only be achieved by a comprehensive study. Moreover, some measurement techniques need revisions or modifications where our experience in methods’ development will be employed.
As a second part of the project, we plan to study whether a post-harvest treatment with ultraviolet light can modify the antioxidant properties of grapevine berries. There are various post-harvest treatments of edible plants; however, the use of the same ultraviolet light which is present in sunlight instead of chemical treatments or higher energies is an emerging new strategy. Our proposed research, biofortification of table grape is a new topic. Ultraviolet light is chosen, because it is a natural factor which is known to affect flavonoid biosynthesis.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kutatási eredményeink azt igazolták, hogy a csemegeszőlő bogyók antioxidáns tartalma szüretelés utáni (post-harvest) megvilágítása ultraibolya (UV) fénnyel befolyásolható. A hatás, ami fekete és fehér szemű szőlőkben is elérhető, elsősorban – bár nem kizárólagosan - a bogyóhéj polifenol tartalmának változása miatt következik be. Ezen belül elsősorban a flavonoidok mennyisége változik, a fenolos sav tartalomban nem következik be szignifikáns változás. Különböző energiájú, UV-A (315-400 nm) és UV-B (280-315 nm) kezelések összehasonlítása azt mutatta, hogy a bekövetkezett változások nem közvetlen fotoeffektus következményei, hanem az enzimekre (pl. fenolos peroxidázokra) iletve a bogyóhéj fotoszintetikus aktivitására gyakorolt UV hatás következménye. A bogyóhéj minták vizsgálata mellett a projekt a növényi mintákban tartalmazott különféle fenolos vegyületek szerkezet-hatás vizsgálatával azonosította az általános és specifikus reaktív oxigén semlegesítő hatásért felelős molekula szerkezeti elemeket is.
Results in English
Results have proven the capacity of post-harvest ultraviolet (UV) radiation to modify the antioxidant capacity of grapevine berry skins. This effect was shown both in black and in white table grape varieties. This was due to primarily, but not exclusively, to changes in phenolic contents. Within phenolic compounds, phenolic acid contents showed no significant change, and flavonoids were the responsive compounds. Experiments using various energy irradiations (315-400 nm UV-A and 280-315 nm UV-B) showed that UV-induced postharvest changes in phenolic metabolites are related to the oxidation of flavonols as peroxidase substrates and to berry skin photosynthetic activity rather than to direct photo-effects. In addition to berry skin experiments, a structure-function analysis of several plant-derived phenolic compounds identified structural elements responsible for high general (total) and specific (ROS-reactive) capacities.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=112309
Decision
Yes





 

List of publications

  
Csepregi K, Kőrösi L, Teszlák P, Hideg É: Postharvest UV-A and UV-B treatments may cause a transient decrease in grape berry skin flavonol-glycoside contents and total antioxidant capacities., Phytochemistry Letters 31: 63-68., 2019
Csepregi K, Hideg É: Phenolic compound diversity explored in the context of photo-oxidative stress protection, Phytochemical Analysis 29, 129-136, 2018
Rácz A, Hideg É, Czégény Gy: Selective responses of class III plant peroxidase isoforms to environmentally relevant UV-B doses, Journal of Plant Physiology 221, 101-106, 2018
Hideg É, Czégény Gy, Majer P, Mátai A, Dér A, Sándor Gy, Dix PJ, Strid Å: Plant responses to UV - hydrogen peroxide in new light, 16th Congress of The European Society of Photobiology, Aveiro Portugal, Programme Book of Abstracts, p.95, 2015
Mátai A, Hideg É, Czégény Gy: Detecting hydrogen peroxide in tobacco leaves responding to light stress, 16th Congress of The European Society of Photobiology, Aveiro Portugal, Programme Book of Abstracts, p.150, 2015
Csepregi K, Hideg É: Plant leaf polyphenols as antioxidants - versatilities of photometric total antioxidant capacity assays in plant physiology, 9th ISANH Word Congress on Polyphenol Applications, StJulian's Malta, Abstract Book p.112, ISBN: 978-2-35609-073-7, 2015
Czégény Gy, Mátai A, Hideg É: UV-B effects on leaves – oxidative stress and acclimation in controlled environments., Plant Science 248, 57-63, 2016
Csepregi K, Hideg É: A novel procedure to assess the non-enzymatic hydrogen-peroxide antioxidant capacity of metabolites with high UV absorption., Acta Biologica Hungarica 67, 447–450, 2016
Csepregi K, Neugart S, Schreiner M, Hideg É: Comparative evaluation of total antioxidant capacities of plant polyphenols., Molecules, 21, 208., 2016
Hideg É, Czégény Gy, Mátai A, Csepregi K, Majer, P: The role of antioxidants in acclimation to UV-B., 1st Network Meeting of UV4Plants, International Association for Plant UV Research Abstract Book. p.22. ISBN: 978-963-429-048-3, 2016
Czégény Gy, Majer P, Pávkovics D, Ayaydin F, Dix PJ, Hideg É: The role of chloroplast hydrogen peroxide neutralization in the acclimation of leaves to supplementary UV., 1st Network Meeting of UV4Plants, International Association for Plant UV Research Abstract Book. p.23. ISBN: 978-963-429-048-3, 2016
Mátai A, Rácz A, Czégény Gy, Hideg É: Balancing between H2O2 generation and neutralisation during acclimation to UV-B, 1st Network Meeting of UV4Plants, International Association for Plant UV Research Abstract Book. p.51. ISBN: 978-963-429-048-3, 2016
Rácz A, Czégény Gy, Hideg É: Comparison of three assays measuring horseradish peroxidase activities in UV-B exposed tobacco leaves, 1st Network Meeting of UV4Plants, International Association for Plant UV Research Abstract Book. p.54. ISBN: 978-963-429-048-3, 2016
Hideg É, Csepregi K, Neugart S, Schreiner M: Possible roles of leaf polyphenols in acclimation to light-stress, Abstracts of PBE EPSO/FESPB 2016 Congress, ID283, 2016
Czégény Gy, Majer P, Pávkovics D, Dix PJ, Hideg É: Acclimation to UV-B is orchestrated by peroxidase enzymes, Abstracts of PBE EPSO/FESPB 2016 Congress, ID348, 2016
Csepregi K, Coffey A, Cunningham N, Hideg É, Jansen MAK: Developmental age and UV-B exposure co-determine antioxidant capacity and flavonol accumulation in Arabidopsis leaves., Environmental and Experimental Botany 140, 19-25., 2017
Csepregi K, Hideg É: Phenolic compound diversity explored in the context of photo-oxidative stress protection., Phytochemical Analysis doi: 10.1002/pca.2720, 2017
Castagna A, Csepregi K, Neugart S, Zipoli G, Večeřová K, Jakab G, Jug T, Llorens L, Martínez-Abaigar J, Martínez-Lüscher J, Núñez-Olivera N, Ranieri A, Schoedl-Hummel K, Schreiner M, Teszlák P, Tittmann S, Urban O, Verdaguer D, Jansen MAK, Hideg É.: Environmental plasticity of Pinot noir grapevine leaves; a trans-European study of morphological and biochemical changes along a 1500 km latitudinal climatic gradient., Plant Cell and Environment 40, 2790-2805., 2017
Csepregi K, Kőrösi L, Teszlák P, Hideg É: Post-harvest UV treatment changes grapevine berry skin flavonol composition and antioxidant capacities, 17th Congress European Society for Photobiology. Programme and Book of Abstracts, Pisa Italy 4-8 September 2017, p.143, 2017
Czégény Gy, Strid Å, Hideg É: The importance of antioxidant protection against UV-mediated photoconversion of hydrogen peroxide in plant leaves, 17th Congress European Society for Photobiology. Programme and Book of Abstracts, Pisa Italy 4-8 September 2017, p142, 2017
Hideg É, Csepregi K, Rácz A, Czégény Gy, Teszlák P, Kőrösi L, Jakab G: How do phenolic compounds contribute to sunlight acclimation of leaves? Potetials and possibilities., 17th Congress European Society for Photobiology. Programme and Book of Abstracts, Pisa Italy 4-8 September 2017, p.56, 2017
Mátai A, Hideg É: A comparison of colorimetric assays detecting hydrogen peroxide in leaf extracts., Analytical Methods 9, 2357-2360., 2017
Arnold Rácz, Éva Hideg, Gyula Czégény: Selective responses of class III plant peroxidase isoforms to environmentally relevant UV-B doses, J PLANT PHYSIOL 221: 101-106, 2018
Csepregi Kristóf, Hideg Éva: Phenolic Compound Diversity Explored in the Context of Photo-Oxidative Stress Protection, Phytochemical Analysis 29, 129-136, 2018
Czégény Gy, Kőrösi L, Strid Å, Hideg É: Antioxidant and more - The role of vitamin B6 in plant UV-acclimation, 2019 ESP-IUPB Word Congress Book of Abstracts, p.447, 2019




 

Events of the project

  
2015-12-15 13:00:52
Résztvevők változása



Back »