Molekularbiologische und biochemische Analysen zum Glucosinolat-Myrosinase-System und der Agrarbiologie der Meerrettichpflanze (Armoracia rusticana Gaertn., Mey. & Scherb.)

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2014-09-12
Issue Year
2014
Authors
Loebers, Andreas
Editor
Abstract

Horseradish (Armoracia rusticana) is a perennial crop plant belonging to the Brassicaceae. Its storage roots are used as a condiment. The hot aromatic taste is caused by isothiocyanates released by myrosinase activity from glucosinolates. The transcriptom data available for several plant species suggest that MYR II myrosinase genes have a wide distribution in Brassicaceae. In the present thesis the hypothesis of a functional myrosinase gene in A. rusticana belonging to the MYR II cluster was verified by identification of the novel myrosinase gene ArMy2. Using in vitro propagation techniques horseradish roots of an early developmental stage were obtained and ArMy2 expression was exclusively found in these young roots. A full-length cDNA encoding the enzyme was isolated and heterologously expressed in Pichia pastoris. The purified His-tagged enzyme was catalytically functional and it was characterized biochemically. Glucosinolate patterns of different organs were analysed by HPLC followed by the identification and quantification of the major compounds. Sinigrin dominated in the storage roots and leaves whereas in the young roots almost exclusively accumulated gluconasturtiin. The recombinant ArMy2 showed a 5 times higher substrate affinity for gluconasturtiin compared to sinigrin. These results may reflect the existence of a specialized glucosinolate-myrosinase system in young roots of horseradish. In cooperation with the “Amt für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten Fürth” and the “Arbeitsgruppe Pflanzenschutz of the Fachhochschule Weihenstephan-Triesdorf”, horseradish plants were collected in the field and screened for Turnip Mosaic Virus (TuMV) infections. The majority of the plants showed were TuMV-positive.. Eleven horseradish accessions were analysed for sinigrin content and myrosinase activity. The different accessions neither showed significant higher or lower sinigrin content nor differed in myrosinase acitivity. No specific geno- or chemotypes could be discriminated.

Abstract

Der Meerrettich (Armoracia rusticana) ist eine mehrjährige Kulturpflanze aus der Familie der Brassicaceae, dessen Speicherwurzeln als Gewürz Verwendung finden. Das scharfe Aroma wird durch Isothiocyanate verursacht, welche durch die Aktivität der Myrosinase freigesetzt werden. Für eine Reihe von Pflanzen stehen Daten zu den Transkriptomen zur Verfügung, die eine weite Verbreitung der MYR II-Myrosinasen vermuten lassen. In der vorliegenden Arbeit konnte die Hypothese eines funktionellen Myrosinasegens aus dem MYR II-Cluster in A. thaliana bestätigt werden. Mittels der In-vitro-Vermehrung wurden Meerettichwurzeln eines frühen Entwicklungsstadiums erhalten und eine Expression der ArMy2 wurde ausschließlich in diesen jungen Wurzeln gefunden. Eine vollständige, das Enzym kodierende cDNA wurde isoliert und heterolog in Pichia pastoris exprimiert. Das gereinigte Enzym mit His-Tag war katalytisch funktionell und wurde biochemisch charakterisiert. Die Glucosinolatmuster verschiedener Organe wurden mittels HPLC analysiert, wobei die Hauptkomponenten identifiziert und quantifiziert wurden. Sinigrin überwog in den Speicherwurzeln und Blättern, während in den jungen Wurzeln fast ausschließlich Gluconasturtiin akkumuliert wurde. Das rekombinante ArMy2 zeigte eine fünffach höhere Substrataffinität für Gluconasturtiin im Vergleich zu Sinigrin. Diese Ergebnisse könnten ein Hinweis auf ein spezialisiertes Glucosinolat-Myrosinase-System in jungen Meerrettichwurzeln sein. In Zusammenarbeit mit dem Amt für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten Fürth und der Arbeitsgruppe Pflanzenschutz der Fachhochschule Weihenstephan-Triesdorf wurden Meerrettichpflanzen aus Feldkultur gesammelt und auf Infektionen mit dem Turnip Mosaic Virus (TuMV) getestet. Dabei war die Mehrzahl der Pflanzen positiv. Elf Meerrettichakzessionen wurden auf ihren Gehalt an Sinigrin und der Aktivität der Myrosinase getestet. Die verschiedenen Akzessionen zeigten weder signifikant höhere oder niedrigere Sinigringehalte, noch Unterschiede in der Myrosinaseaktivität. Geno- oder Chemotypen konnten nicht unterschieden werden.

Notes
Für den Holzschnitt auf der vierten Seite wurde eine Genehmigung zur Veröffentlichung von den Smithsonian Libraries, Washington D.C., USA, eingeholt.
DOI
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