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Umfeld der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das technische Umfeld der sekundären Pflanzenstoffe,
insbesondere in Pflanzen erzeugte pharmazeutisch wertvolle Verbindungen,
die als Arzneimittel oder Nahrungsergänzung verwendet werden können. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von mindestens
einem Glucosinolat aus einem Wurzelexsudat aus Pflanzen der Ordnung
Capparales sowie die derart gewonnenen Glucosinolate und deren Verwendung
zur Nahrungsergänzung
oder als Pharmazeutikum.
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Hintergrund
der Erfindung
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Pflanzen
sind eine wertvolle Quelle für
sekundäre
Pflanzenstoffe bzw. sekundäre
Metabolite, von denen viele als Nahrungsergänzung in so genanntem „fuctional
food" ebenso wie
als Ausgang- oder Rohstoffverbindungen für pharmazeutisch aktive Verbindungen
(Pharmaceuticals) und gesundheitsfördernde Verbindungen verwendet
werden können.
(Mulabagal und Tsay, 2004; Borisjuk et al., 1999). Die Gewinnung
von sekundären
Metaboliten erfolgt herkömmlich
aus pflanzlichem Rest- bzw. Abfallmaterial, das nicht für den Verzehr
geeignet ist. Beispiele hierfür
sind Brokkoli- oder Blumenkohlstiele, äußere Kohlblätter und Rübengrün, das mechanisch zerkleinert
und aufgeschlossen wird, um die gewünschten Pflanzeninhaltsstoffe
zu extrahieren. In diesem Pflanzenmaterial sind oft nur sehr geringe
Konzentrationen an sekundären
Pflanzenstoffen, so dass große
Mengen Ausgangsmaterial verwendet werden müssen. Deshalb wurden Verfahren
entwickelt, um sekundäre
Metabolite aus einzelnen Pflanzenorganen zu extrahieren. Beispielsweise
können
sekundäre
Metabolite aus Exsudaten von Pflanzen erhalten werden.
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Aufgrund
ihrer gesundheitsfördernden
Wirkungen, insbesondere ihrer antikanzerogenen Eigenschaften sind
Glucosinolate und ihre hydrolysierten Produkte pharmakologisch und
ernährungsphysiologisch
interessant (Talalay und Fahrey, 2001; Zhang, 2001). Glucosinolate
sind eine Gruppe von pflanzlichen Verbindungen, die in der Ordnung
der Capparales, zu der die landwirtschaftlich wichtigen Gemüsepflanzen
der Familie Brassicaceae gehören,
gefunden werden. Glucosinolate bestehen aus einer β-D-Thioglucose
reduzierten Gruppe, einem sulfonierten Oximrest und einer variablen
Seitenkette, die von Aminosäuren
abgeleitet ist (Kneer et al., 1999). Basierend auf der chemischen
Struktur ihrer Seitenketten werden die Glucosinolate in verschiedene
Klassen wie aliphatische Glucosinolate, aromatische Glucosinolate
und Indolglucosinolate eingeteilt (Bennett et al., 1994; Vallejo
et al., 2003).
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Die
WO 98/27806 A1 beschreibt eine Brassica Pflanze, die einen künstlich
erzeugten, gegenüber
der Wildtyp Pflanze erniedrigten Glucosinolat Gehalt enthält. Hohe
Mengen an Glucosinolaten werden aufgrund ihrer toxischen Nebenprodukte
als unerwünscht
erachtet, weil sie das Enzym Myrosinase negativ beeinflussen. Myrosinase
ist jenes Enzym, das bei Aufschluss der Brassica Pflanze freigesetzt
wird und den Abbau der Glucosinolate zu Glucose, Thiocyanaten, Isothiocyanaten
und Nitrilen katalysiert.
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Die
WO 94/19929 A2 betrifft ebenfalls Brassica Pflanzen mit verringertem
Glucosinolat Gehalt. Es werden Brassica Samen mit einem reduzierten
Glucosinolat Gehalt von maximal 3,4 mmol pro Gramm Samen erzeugt.
Diese Samen können
besonders geeignet als Tierfutter verwendet werden und sind dort
vorteilhaft, weil weniger Abbauprodukte der Glucosinolate den Nährwert des
Tierfutters verringern. Die Verringerung der Glucosinolate erfolgt
durch gezielten Eingriff in deren Biosyntheseweg.
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Die
WO 2004/089065 A1 beschreibt eine Brassica Pflanze mit erhöhtem Glucosinolat
Gehalt, der aufgrund der antikanzerogenen Eigenschaften der Glucosinolate angestrebt
wird. Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung von Brassica Pflanzen
mit erhöhtem
Glucosinolat Gehalt in essbaren Pflanzenteilen, wie beispielsweise
Brokkoli, Blumenkohl und Kohl. Zur Gewinnung der Glucosinolate werden
alle oberirdischen Pflanzenteile geerntet, zerstört und mechanisch sowie enzymatisch
aufgeschlossen. Nachteilig ist der geringe Glucosinolat Gehalt in
oberirdischen Pflanzenteile der Brassica Pflanzen.
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Die
FR 2 819 376 A1 beschreibt
Brassica Pflanzen mit einem erhöhten
Gehalt an Glucosinolaten. Die Pflanzen entstehen durch gezielte
Kreuzung und Züchtung.
Für die
Isolierung der Glucosinolate werden die Pflanzen geerntet, zerstört und aufgeschlossen.
Nachteilig an diesem Verfahren ist die Zerstörung der Ausgangspflanze, so
dass stets neues Pflanzenmaterial bereitgestellt werden muss.
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Die
WO 99/52345 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung
einer Brassica Pflanze mit erhöhtem
Gehalt an antikanzerogenen Glucosinolat Derivaten. Die Glucosinolate
werden aus gefriergetrocknetem Material gewonnen. Nachteilig ist
insbesondere, dass der Glucosinolat Gehalt in oberirdischen Pflanzenteilen
von Brassica Pflanzen relativ gering ist.
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Somit
besteht ein Bedarf an einem wirksamen Verfahren zur Gewinnung von
Glucosinolaten aus Pflanzen der Ordnung Capparales, bei dem die
Ausgangspflanze bei der Gewinnung der Glucosinolate nicht zerstört werden
muss. Die Lösung
dieses technischen Problems wird durch das Bereitstellen des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Gewinnung von mindestens einem Glucosinolat aus einem Wurzelexudaten
mindestens einer Pflanze der Ordnung Capparales gelöst, das
in den Patentansprüchen
angegeben ist und das im Folgenden detaillierter beschrieben wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von mindestens
einem Glucosinolat aus einem Wurzelexsudat mindestens einer Pflanze
der Ordnung Capparales, umfassend die Schritte:
- (a)
Anzucht der Pflanze in einem erdlosen System;
- (b) Verabreichen einer Nährlösung mit
erhöhtem
Schwefelgehalt;
- (c) Stimulieren der Glucosinolat Bildung durch Verabreichen
mindestens eines Elicitors;
- (d) Gewinnen der Glucosinolate aus Wurzelexsudaten der Pflanze.
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Daneben
betrifft die Erfindung die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
gewonnenen Glucosinolate sowie deren Verwendung zur Nahrungsergänzung, als
Ausgangs- bzw. Rohstoff für
Nahrungsergänzungsmittel
(functional food) oder als Pharmazeutikum.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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1 zeigt
eine Graphik der Glucosinolate, die aus Wurzelexsudaten aus Rübenpflanzen
(Brassica rapa) nach 30 Tagen Wachstum im hydroponischen System
gewonnen wurden. 1H – Hoagland
Lösung,
2H – zweifach
konzentrierte Hoagland Lösung,
2H2S – zweifach
konzentrierte Hoagland Lösung
plus zweifach gesteigerter Schwefel, 2H2S-SA0 – zweifach
konzentrierte Hoagland Lösung
plus zweifach gesteigerter Schwefel plus Salicylsäure, aufgetragen
(appliziert) am Anfang, 2H2S-MJ0 – zweifach
konzentrierte Hoagland Lösung plus
zweifach gesteigerter Schwefel plus Methyljasmonat, aufgetragen
am Anfang, 2H2S-SA25 – zweifach konzetrierte Hoagland
Lösung
plus zweifach gesteigerter Schwefel plus Salicylsäure, aufgetragen
(appliziert) am 25. Tag des Experiments.
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2 zeigt
die aliphatischen, aromatischen und Indolglucosinolate, die in 30
Tagen von den Rübenpflanzen
(Brassica rapa), die im hydroponischen System angezogen wurden,
exsudiert wurden. Dunkle Balken: aliphatische Glucosinolate, hellgraue
Balken: aromatische Glucosinolate; mittelgraue Balken: Indolglucosinolate;
Bedeutungen der Abkürzungen
wie in 1.
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3 zeigt
die Kinetik der Glucosinolat Exsudation an Rübenpflanzen (Brassica rapa,
var. rapifera, subvar. pigmeae teltowiensis), die im hydropoischen
System angezogen wurden. Linke Seite, 3a:
ohne Elicitoren, rechte Seite, 3b:
mit Elicitoren; C = Kontrolle (= 2H2S – zweifach konzentrierte Hoagland
Lösung
plus zweifach gesteigerter Schwefel, ohne Elicitoren Behandlung);
Bedeutung der Abkürzungen
wie in 1.
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4 zeigt
die Dynamik des Gesamt Glucosinolat Gehalts in Exsudaten der Rübenpflanze
(Brassica rapa, var. rapifera, subvar. pigmeae teltowiensis). SA:
Salicylsäure,
MJ: Methyljasmonat.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von mindestens
einem Glucosinolat aus einem Wurzelexsudat mindestens einer Pflanze
der Ordnung Capparales, umfassend die Schritte:
- (a)
Anzucht der Pflanze in einem erdlosen System;
- (b) Verabreichen einer Nährlösung mit
erhöhtem
Schwefelgehalt;
- (c) Stimulieren der Glucosinolat Bildung durch Verabreichen
mindestens eines Elicitons;
- (d) Gewinnen der Glucosinolate aus Wurzelexsudaten der Pflanze.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf dem wissenschaftlichen Befund,
dass bei Anzucht (= Kultuvierung) einer Pflanze der Ordnung Capparales
in einem erdlosen (= erdfreien) System, der eine spezielle Nährlösung mit
erhöhtem
Schwefelgehalt verabreicht wird, durch Stimulation der Glucosinolat
Bildung bzw. Ausbildung über
Elicitoren Glucosinolate aus Wurzelexsudaten auf einfache Weise
und in hoher Konzentration gewonnen werden können. Außerdem muss die Pflanze zur
Ge winnung der Glucosinolate nicht zerstört werden, so dass es sich
um ein nicht destruktives Verfahren handelt.
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Ohne
durch irgendeine Theorie gebunden oder eingeschränkt zu sein, nehmen die Erfinder
der vorliegenden Erfindung an, dass der erhöhte Schwefelgehalt der Nährlösung zusammen
mit den verabreichten Elicitoren kombinatorisch die Pflanze zu einer
erhöhten
Glucosinolat Bildung stimuliert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
besitzt den besonderen Vorteil, dass die Pflanze zur Gewinnung der Glucosinolate
nicht geerntet und zerstört
werden muss. Vielmehr können
die Glucosinolate kontinuierlich aus ein und derselben Pflanze aus
den Wurzelexsudaten gewonnen werden. Damit ist dieses Verfahren
kostengünstig,
weil kein neues pflanzliches Ausgangsmaterial – wie in den Verfahren des
Standes der Technik – zur Gewinnung
der Glucosinolate bereitgestellt werden muss. Daneben ist die Glucosinolat
Expression durch Verwendung der erfindungsgemäßen Nährlösung mit erhöhtem Schwefelgehalt
zusammen mit den Elicitoren gerade in den Wurzeln der Pflanzen erhöht. Dadurch
wird die Gewinnung der Glucosinolate aus Wurzelexsudaten besonders
interessant, so dass auf aufwändigen
Aufschluss und die Isolierung der Glucosinolate – wie im Stand der Technik
beschrieben – aus
den oberirdischen Pflanzenteilen verzichtet werden kann.
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So
wie hier verwendet bedeutet der Begriff „erhöhter Schwefelgehalt" einen Schwefelgehalt,
der höher liegt
als in einfacher Hoagland Lösung.
Insbesondere ist ein Schwefelgehalt von zwischen ca. 300 mg/l bis
ca. 1.000 mg/l ein „erhöhter Schwefelgehalt".
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So
wie hier verwendet, bedeutet der Begriff "Exsudat aus Wurzeln" bzw. "Wurzelexsudat" die vorwiegend flüssigen Ausscheidungsprodukte
der lebenden Pflanzenwurzel. Die Exsudate werden von der Pflanzenwurzel
vorwiegend kontinuier lich abgegeben, so dass sie aufgefangen und
ihre Inhaltsstoffe konzentriert und analysiert werden können.
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Der
Begriff "Elicitor" bzw. "Elicitoren" bezeichnet auslösende, spezifische
Substanzen. "Elicitoren" leitet sich von
Lat.: Elegere = Auslesen, Auswählen
ab. Elicitoren sind Substanzen pflanzlichen Ursprungs, die ein Abwehrsystem
bzw. eine Abwehrantwort induzieren. Sie induzieren hypersensitive
Antworten, Ligninbildung sowie schützende Proteine können. Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter Elicitoren insbesondere
Salicylsäure
(SA) und Methyljasmonat (MJ) verstanden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Glucosinolate aliphatische Glucosinolate,
aromatische Glucosinolate und/oder Indolglucosinolate. Alle Glucosinolate
weisen eine β-D-Thioglucose reduzierte
Gruppe, eine sulfonierte Oximeinheit und eine variable Seitenkette,
die von Aminosäuren
abgeleitet ist, auf. Die aliphatischen Glucosinolate sind insbesondere
von den Aminosäuren
Methionin, Alanin, Valin, Leucin und Isoleucin abgeleitet. Die aromatischen
Glucosinolate stammen insbesondere von Tyrosin und Phenylalanin
als der grundliegenden Aminosäure
ab. Die Indolglucosinolate können
insbesondere von Tryptophan abgleitet sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind die aliphatischen Glucosinolate ausgewählt aus der
Gruppe bestehend aus Progoitrin, Gluconapin, Gluconapoleiferin,
Glucobrassicanapin; Sinigrin; Glucoalyssin und Glucoraphanin; die
Indolglucosinolate sind ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus 4-Hydroxy-Glucobrassicin, 4-Methoxy-Glucobrassicin,
Neoglucobrassicin und Glucobrassicin; und das aromatische Glucosinolat
ist ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Gluconasturtiin und Glucotropaeolin.
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Indolglucosinolate,
insbesondere Glucobrassicin und seine Derivate sind bevorzugt, weil
sie besonders gut als Antikrebsmittel eingesetzt werden können. Auch von
den aromatischen Glucosinolaten Gluconasturtiin und Glucotropaeolin
wird angenommen, dass sie starke antikanzerogene Stoffe sind, weshalb
sie ebenfalls bevorzugt sind. Das aliphatische Glucosinolat 4-Methylsulfinylbutylisothiocyanat
(als Derivat von Glucoalyssin) induziert die Entgiftung von Enzymen,
wie Chinonreduktase und Glutathiontransferase, die beide in der Unterdrückung von
Krebszellen wirken.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind die Wurzeln primäre und/oder sekundäre Wurzeln
der Pflanze. Die primäre
Wurzel weist eine Rhizodermis, eine primäre Rinde, eine Endodermis,
einen Perizykel mit Seitenwurzeln für ein sekundäres Dickenwachstum
sowie ein Periderm, radiale Leitbündel sowie eine Rinde um den
Zentralzylinder auf. Sekundäre
Wurzeln sind Wurzeln, die dem Spross und nicht der Primärwurzel
entspringen. Beide Arten von Wurzeln sind für die Erfindung in besonderer
Weise geeignet, weil sie einen erhöhten Gehalt an vorteilhaften
Glucosinolaten aufweisen.
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Neben
der Funktion als Organ für
die Nährstoffaufnahme
ist die Pflanzenwurzel auch in der Lage eine Vielzahl von Verbindungen
in die Wurzelumgebung auszuscheiden. In einjährigen Pflanzenspezies wird
30 bis 60 % des photosynthetisch fixierten Kohlenstoffs in die Wurzeln
gebracht, und der beachtliche Anteil von bis zu 70 % dieses Kohlenstoffs
kann über
die Wurzel in die Rhizosphäre
abgegeben werden. Neben der Extraktion von Pflanzenorganen können Stoffe
auch aus Exsudaten von Pflanzen erhalten werden. Besonders vorteilhaft
sind hier Wurzelexsudate. Für
die kommerzielle Verwendung können
manche sekundäre
Metabolite durch kontinuierliche Rhizosekretion aus den Wurzeln
von hydroponisch (siehe unten) angezogenen Pflanzen gewonnen werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Glucosinolate aus den Wurzeln
lebender Pflanzen, vorzugsweise durch Rhizosekretion gewonnen. Die
Verwendung von Wurzeln von lebenden Pflanzen besitzt den besonderen
Vorteil, dass das Ausgangsmaterial kontinuierlich verwendet werden kann.
Im Gegensatz zu vielen Verfahren des Standes der Technik, in denen
grünes
Pflanzenmaterial verwendet wird, das mechanisch und/oder enzymatisch
aufgeschlossen und durch die Glucosinolat Gewinnung verbraucht wird,
können
die Pflanzen in der vorliegenden Erfindung ständig weiter verwendet werden.
Wenn ein und dieselbe Pflanze über
mehrere Wochen bzw. Monate für
die Gewinnung von Glucosinolaten verwendet wird, ist dies besonders
umweltfreundlich und wirtschaftlich. Vorzugsweise wird das Verfahren
der Rhizosekretion verwendet, bei dem gewünschte sekundäre Pflanzenstoffe
(= Metabolite) in das umgebende Medium abgegeben wird, was insbesondere
Vorteile bei der anschließenden
Reinigung und Gewinnung des segregierten Stoffes besitzt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Pflanze
eine Pflanze der Ordnung Capparales. Die Pflanze kann ferner ausgewählt sein,
aus der Gruppe bestehend aus Capparaceae, Brassicaceae, Resedaceae
und Tropaeolaceae.
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Beispiele
der Mitglieder der Familie Brassicaceae (= Kreuzblütler) sind
Brassica (Kohl), Sinapis (Senf), Raphanus (Rettich), Lepidium (Kresse),
Cardaria (Pfeilkresse), Capsella (Hirtentäschel), Camelina (Leindotter),
Arabis (Gänsekresse),
Cardaminopsis (Schaumkresse), Nasturdium (Brunnenkresse), Rorippa
(Sumpfkresse), Erysimum (Schöterich),
Arabidopsis (Schmalwand) und Sisymbrium (Rauke).
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Als
besonders vorteilhaft hat sich die Rübe, Brassica rapa erwiesen.
Besonders gut kann die Varietät Brassica
rapa L. var. Teltow verwendet werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird in einem erdlosen (= erdfreien) System durchgeführt. Es
hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das erdfreie System
als aeroponisches oder hydroponisches System auszugestalten.
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Als
erdfreie Systeme eignen sich insbesondere wasserbasierte Systeme,
so dass die Glucosinolate aus den Wurzelexsudaten gewonnen werden
können.
Im aeroponischen System werden die Wurzeln ständig über angefeuchtete Luft mit
Nährstoffen
versorgt. Die Nährstofflösung wird
als feuchter Staub in kurzen Intervallen, für gewöhnlich Intervalle von wenigen
Minuten, aufgesprüht.
Die Lösung
wird von einem Vorratstank entnommen und durch eine Pumpe über einen
extrem genauen Timer in sehr kurzen Zyklen, die von wenigen Sekunden
bis einigen Minuten reichen, an die Pflanzen verabreicht.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist das aeroponische System mit mindestens einer Sprühvorrichtung
versehen. In diesem System werden die Wurzeln in einem Film bzw.
Nebel aus Nährlösung gehalten, der
nahezu 100 % relative Luftfeuchtigkeit sicherstellt, um das Austrocknen
der Pflanzenwurzeln zu verhindern. Besonders vorteilhaft kann eine
Sprühvorrichtung
des Typs Dan Fogger 7800, Dan Sprinklers, Kibbutz Dan, Israel verwendet
werden. Insbesondere kann die Nährstofflösung mit
einer zweistufigen Zentrifugalpumpe gepumpt werden. Zunächst wird
die Flüssigkeit
von dem Vorratstank über
einen Filter auf das Pflanzenbett gepumpt, von wo aus sie in den
Tank zurückfließt.
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Es
hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Nährlösung konstant über die
Sprüher
aufzusprühen.
Dieses Vorgehen ist nicht typisch für ein aeroponisches System,
das mit einer Sprühvorrichtung
ausgestattet ist, die für
gewöhnlich
mit Intervallen in Minutenabständen
arbeiten. Es hat sich jedoch aufgrund der Wurzelstrukturen als vorteilhaft
erwiesen, den Wassergehalt nicht durch ein Intervall abzusenken.
Der Druck der Pumpe beträgt
vorteilhafterweise 2 bar, was um ca. die Hälfte gegenüber Werten aus dem Stand der
Technik erniedrigt ist. Dieser niedrige Pumpendruck hat sich als
vorteilhaft für
die Wurzeln erwiesen, die durch höheren Pumpendruck mechanisch
beschädigt
werden können.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist das aeroponische System mit mindestens einem Defensor ausgestattet.
Vorteilhafterweise bildet der rotierende Defen sor einen sehr feinen
Feuchtigkeitsnebel. Die Wasserpartikel liegen in der Größenordnung
von ca. 5–10 μm. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Pumpe alle 15 Minuten angeschaltet
wird und sich danach 30 Minuten Ruhephase anschließen.
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Die
Pflanzen werden vorteilhafterweise im hydroponischen oder aeroponischen
System kultiviert. Borisjuk (1999) schlägt vor, Pflanzen für Exsudate
in hydroponischen Systemen anzuziehen. Die Erfinder der vorliegenden
Erfindung haben jedoch die Beobachtung gemacht, dass sich ein aeroponisches
System hervorragend eignet, weil die Menge an Wasser im System minimiert
werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, eine von Beginn an vergleichsweise
hohe Exsudatkonzentration zu erhalten, so dass die Gewinnung der
Glucosinolate aus den Exsudaten über
weniger aufwändige
Reinigungs- und Konzentrationsstufen erfolgen kann. Somit ist das
aeroponische System besonders wirtschaftlich, weil die Betriebskosten
geringer sind.
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In
einer alternativen Ausführungsform
wird ein hydroponisches System mit einer schwimmenden Plattform,
vorzugsweise in Form einer Styroporplatte verwendet, wobei die Pflanzen
direkt in der schwimmenden Plattform verankert sind, die auf der
Oberfläche
der Nährstofflösung schwimmt.
Das hydroponische System kann mit Hilfe eines Kompressors belüftet werden,
der Luftblasen durch die Nährstofflösung in
einer Fließgeschwindigkeit
von ungefähr
100 ml/min. an jeder der ca. zehn Belüftungsröhren realisiert.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Nährlösung eine
ca. 1,5-fach bis ca. 3-fach konzentrierte Hoagland Lösung, wobei
eine ca. 2-fach konzentrierte Hoagland Lösung besonders bevorzugt ist.
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Es
hat sich insbesondere herausgestellt, dass der Schwefelgehalt der
Hoagland Lösung
deutlich erhöht
werden muss, um optimale Ausbeuten an Glucosinolaten zu erhalten.
Insbesondere wird der Schwefel (S) als Sulfat (SO4)
direkt zu der Nährstofflösung hinzugegeben.
Insbesondere eignen sich die Salze MgSO4, ZnSO4 und/oder CuSO4.
Möglich
ist auch die Verwendung von K2SO4, Na2SO4 und/oder
FeSO4.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist die Nährlösung folgende
Bestandteile, bezogen auf 1 l auf:
- – ca. 610
mg bis ca. 1.230 mg Ca(NO3)2;
- – ca.
456,7 mg bis ca. 909,3 mg KNO3;
- – ca.
23,1 mg bis ca. 46,2 mg Eisenchelat (FeChe);
- – ca.
204 mg bis ca. 408 mg KH2PO4;
- – ca.
339,3 mg bis ca. 1.000 mg MgSO4 × 7 H2O;
- – ca.
2,1 mg bis ca. 4,3 mg H3BO3;
- – ca.
0,7 mg bis ca. 1,3 mg MnCl2;
- – ca.
0,09 mg bis ca. 0,2 mg ZnSO4;
- – ca.
0,04 mg bis ca. 0,08 mg CuSO4; sowie
- – ca.
0,12 mg bis ca. 0,24 mg H2MoO4.
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In
dieser Ausführungsform
kann die MgSO4 × 7 H2O
Menge in der großen
Bandbreite von ca. 339,3 mg bis ca. 1.000 mg variiert werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist die Nährlösung folgende
Bestandteile, bezogen auf 1 l auf:
- – ca. 820
mg Ca(NO3)2;
- – ca.
606,2 mg KNO3;
- – ca.
30,8 mg FeChe;
- – ca.
272 mg KH2PO4;
- – ca.
492,4 mg MgSO4 × 7 H2O;
- – ca.
2,9 mg H3BO3;
- – ca.
0,8 mg MnCl2;
- – ca.
0,1 mg ZnSO4;
- – ca.
0,05 mg CuSO4; sowie
- – ca.
0,16 mg H2MoO4.
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Hierbei
handelt es sich um eine 2-fach konzentrierte Hoagland Lösung. In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann die 1,5-fach bis ca. 3-fach konzentrierte Hoagland Lösung mit
zusätzlichem
Schwefel, vorteilhafterweise in Form von MgSO4 × 7 H2O ergänzt
werden. Besonders bevorzugt enthält
die Nährlösung ca.
984,6 mg MgSO4 × 7 H2O,
bezogen auf 1 l Flüssigkeit.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
werden bestimmte vorteilhafte Elicitoren verwendet. Vorteilhafte
Elicitoren sind glucosinolatbeeinflussende Elicitoren. Die Glucosinolat
Profile können
durch die physiologische Behandlung (= Applikation) mit/von Elicitoren
beeinflusst werden. Elicitoren ahmen die Wirkungen von Stressfaktoren,
wie den Befall von Pathogenen und Schädlingen nach und aktivieren
dadurch das biochemische Verteidigungssystem der Pflanze, was zu
quantitativen und qualitativen Veränderungen im Profil der sekundären Metabolite
der Pflanze führt.
Elicitoren beeinflussen auch die Genexpression und können deshalb
als molekulare Werkzeuge verwendet werden, um die Glucosinolat Profile
der Pflanze zu modifizieren.
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Salicylsäure (SA)
und Methyljasmonat (MJ) dienen als Signalmoleküle, die bei Pathogenbefall
oder mechanischer Verletzung der Pflanze induziert werden. Die Anwendung
von entweder Salicylsäure
und/oder Methyljasmonat kann den Glucosinolat Gehalt in den Pflanzen
stark verändern,
insbesondere stark anreichern. Diese Elicitoren lösen Signalkaskaden
aus, die verschiedene Verteidigungsantworten wie Zellwandverstärkung, Induktion
von PR-Proteinen oder die Synthese von sekundären Metaboliten, wie Glucosinolaten durch
Einflussnahme auf die Expression von Genen, in die Glucosinalat
Synthese involviert sind, induzieren. Unter PR-Proteinen werden
Pathogenese bezogene Proteine (= pathogenesis related proteins)
verstanden, die in gesunden Pflanzen nicht nachweisbar sind und
erst nach bestimmten Stressbedingungen akkumulieren. Darüber hinaus
können Salicylsäure und
Methyljasmonat wirksam den Gehalt an Indol, aliphatischen und aromatischen
Glucosinolaten in Spezies der Ordnung Capparales erhöhen. Die
Verwendung der Elicitoren Salicylsäure und Methyljasmonat ist
insbesondere für
Pflanzen der Spezies Brassica rapa vorteilhaft, wobei sich die kombinierte
Anwendung besonders bewährt
hat.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird der Elicitor/werden die E1icitoren zusammen mit der Nährlösung verabreicht.
Auf diese Weise enthält
die Nährlösung sowohl
eine gewünschte
Konzentration an Schwefel als auch die Elicitoren bzw. den Elicitor,
so dass nur eine einzige Nährlösung verwendet
werden muss, die daneben auch nur in einem einzigen Schritt angewendet
wird. Ein kompliziertes An- und Abschalten verschiedener Nährlösungen bzw.
Intervallschalten kann auf diese Weise vermieden werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren
zur Gewinnung von Glucosinolaten aus Wurzelexsudaten den zusätzlichen
Schritt des Reinigens und Konzentrierens der Glucosinolate. Weil
die Glucosinolate von der Pflanze kontinuierlich über die
Wurzelexsudate in das umgebende Nährlösungsmedium abgegeben werden,
ist die Reinigung und Gewinnung der Glucosinolate sehr einfach.
Beispielsweise kann eine HPLC verwendet werden.
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Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung die Glucosinolate, die durch
das erfindungsgemäße Verfahren
erhalten werden. Die Glucosinolate sind insbesondere als Nahrungsergänzungsmittel,
als Ausgangs- bzw. Rohstoffe für
Functional Food oder als Pharmazeutika geeignet.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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A. Detaillierte Beschreibung
der Figuren
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1 zeigt
die Gesamtausbeute von Glucosinolaten in Exsudaten von Rübenpflanzen
(Brassica rapa). Die Ausbeute stieg von 2,3 mg/Pflanze auf 7,8 mg/Pflanze.
Die verwendeten Abkürzungen
sind wie folgt: 1H – Hoagland
Lösung,
2H – zweifach
konzentrierte Hoagland Lösung,
2H2S – zweifach
konzentrierte Hoagland Lösung
plus zweifach gesteigerter Schwefel, 2H2S-SA0 – zweifach
konzentrierte Hoagland Lösung
plus zweifach gesteigerter Schwefel plus Salicylsäure, aufgetragen
am Anfang, 2H2S-MJ0 – zweifach konzentrierte Hoagland
Lösung
plus zweifach gesteigerter Schwefel plus Methyljasmonat, aufgetragen
am Anfang, 2H2S-SA25 – zweifach konzentrierte Hoagland
Lösung
plus zweifach gesteigerter Schwefel plus Salicylsäure, aufgetragen
am 25. Tag des Experiments.
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Die
Zunahme der Konzentration der Nährlösung bewirkte
eine Steigerung des Glucosinolat Gehalts in Exsudaten auf 3,8 mg/Pflanze,
was einen 1,8-fachen Anstieg bedeutet. Die Verwendung von zusätzlichem Schwefel
führte
zu einer Zunahme des Glucosinolat Gehalts in Exsudaten auf 4,6 mg/Pflanze.
Wurden die Elicitoren Salicylsäure
(SA) und Methyljasmonat (MJ) zusammen mit erhöhten Mengen an Schwefel verabreicht, stiegen
die maximalen Glucosinolat Mengen auf 7,8 mg/Pflanze bzw. 7,3 mg/Pflanze.
Eine Verabreichung der Elicitoren zu einem späteren Zeitpunkt des Pflanzenwachstums
bewirkte keine derart starken Veränderungen im Vergleich zu der
Verabreichung zu Beginn des Experiments: es wurden 6,6 mg/Pflanze
Glucosinolate in Exsudaten ermittelt, bei denen Salicylsäure am 25.
Tag des Experiments hinzugefügt
wurde (2H2S-SA25).
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2 zeigt
die Verteilung der aliphatischen, aromatischen und Indolglucosinolate
bei Pflanzen, die für 30
Tage im hydroponischen System angezogen wurden. Die Zunahme der
Nährstoffmenge
steigerte die Menge der aliphatischen und aromatischen Glucosinolate,
während
die Menge an Indolglucosinolaten ungefähr gleich blieb. Zusätzlicher
Schwefel steigerte vor allem die Ausbeute an aliphatischen Glucosinolaten.
Die Zugabe der Elicitoren Salicylsäure und Methyljasmonat, die
zu Beginn des Pflanzenwachstums hinzugefügt wurden, reduzierten den
Gehalt an aliphatischen Glucosinolaten in Exsudaten. Die Verabreichung
von Salicylsäu re
am 25. Tag des Pflanzenwachstums änderte den Gehalt an aliphatischen
Glucosinolaten nicht wesentlich.
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Gluconasturtiin
war das einzige aromatische Glucosinolat, das in Rübenpflanzen
(Brassia rapa) identifiziert wurde. Sein Gehalt in den Exsudaten
war 2-fach erhöht
in einer doppelt konzentrierten Hoagland Lösung im Vergleich zu einer
einfach konzentrierten Hoagland Lösung, und die Konzentration
der aromatischen Glucosinolate wurde bei zusätzlicher Gabe von Schwefel
reduziert. Die Zugabe von Salicylsäure und Methyljasmonat zu Beginn
der Kultur (SA0 und MJ0)
steigert den Gehalt von Gluconasturtiin um 50 bis 70 % im Vergleich
zu 2H2S. Dies war auch bei Verabreichung von Salicylsäure am 25.
Tag des Experiments der Fall.
-
Der
Gehalt der Indolglucosinolate in Exsudaten änderte sich bei Anstieg der
Konzentration der Hoagland Lösung
praktisch nicht, aber er stieg um ca. 1,5-fach nach der Verabreichung
von zusätzlichem
Schwefel. Beide Elicitoren, Salicylsäure und Methyljasmonat, verabreicht
zu Beginn der Kultur, bewirkten einen überraschend starken Anstieg
der Indolglucosinolate in Exsudaten (3,3-fach mehr als von 2H2S
für SA0 und 2,8-fach mehr für MJ0).
Selbst bei Gabe von Salicylsäure
am 25. Kulturtag stieg der Gehalt der Indolglucosinolate immer noch
auf den 1,8-fachen
Wert im Vergleich zu 2H2S. Der deutlich überproportionale Anstieg der
Indolglucosinolate bei Verabreichung von Salicylsäure oder
Methyljasmonat ist überraschend
und wurde von den Erfindern nicht erwartet. Somit eignet sich das
erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere zur Gewinnung von hohen Indolglucosinolaten, die besonders
vorteilhaft in der Krebstherapie, als Nahrungsergänzungsmittel
oder als Ausgangs- bzw. Rohstoff für Funcitonal Food verwendet
werden können.
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3 zeigt
die Kinetik der Rhizosekretion, insbesondere die Kinetik von Glucosinolaten
in Exsudaten von Pflanzen, die im hydroponischen System angezogen
wurden. Die Untersuchungen der Exsudationskinetiken zeigte, dass
der Gehalt an exsudierten Glucosinolaten in den ersten 10 Tagen
des Experiments nicht we sentlich durch die Nährstoffkonzentration beeinflusst
wurde (3 – linke
Seite). Während
der nächsten
10 Tage stieg der Gehalt der exsudierten Glucosinolate in jenen
Pflanzen, die mit anfänglicher
Hoagland Lösung (1H)
behandelt wurden enbenso wie für
jene, die mit der modifizierten, zweifach konzentrierten Hoagland
Lösung
behandelt wurden (2H). Zwischen dem 20. und dem 30. Tag des Versuchs
stieg der Gehalt der Glucosinolate für 1H und 2H2S, aber er fiel
für 2H
leicht ab. Der Anstieg des Glucosinolat Gehalts in Exsudaten nach der
Verabreichung beider Elicitoren wurde bereits zu Beginn des Experiments
beobachtet (3 – rechte Seite). In dem System,
in dem MJ verwendet wurde, wurde der höchste Gehalt an exsudierten
Glucosinolaten unmittelbar nach dem Behandlungsbeginn (3,1-fach
gesteigert gegenüber
der unbehandelten Variante) gemessen, während der Gehalt gegen Ende
des Experiments schnell abfiel. Während der ersten 10 Tage nach der
Salicylsäure
Behandlung exsudierten die Pflanzen 2,4-fach mehr Glucosinolate
als die Kontrollpflanzen ("C" = 2H2S – zweifach
konzentrierte Hoagland Lösung
plus zweifach gesteigerter Schwefel) ohne Elicitor Behandlung. Der
Gehalt der Glucosinolate, die in dem Zeitraum zwischen dem 10. und
dem 15. sowie zwischen dem 15. und dem 20. Tag des Experiments exsudiert
wurde, betrug 2,1- bzw. 1,9-fach mehr als die Kontrolle im selben
Zeitraum. Die Intensität
der Exsudation verringerte sich für Salicylsäure behandelte Pflanzen ebenso wie
für Methyljasmonat
behandelte Pflanzen gegen Ende des Wachstums. Somit ist die pflanzliche
Reaktion bzw. Antwort auf die Elicitoren Verabreichung eine einmalige
Antwort bzw. ein einmaliges Ereignis, die/das während der ersten Tage nach
der Behandlung stattfindet und anschließend schrittweise abfällt. Deshalb
ist es insbesondere bevorzugt im Rahmen der vorliegenden Erfindung
die Elicitoren Behandlung mit Salicylsäure und/oder Methyljasmonat
unmittelbar zu Beginn des Experiments durchzuführen, am besten den bzw. die
Elicitoren zusammen mit der Nährlösung zu
Beginn am Tag Null des Experiments zu verabreichen.
-
4 zeigt
die Ergebnisse eines zu 3b parallel
durchgeführten
Versuchs, mit dem Unterschied, dass die Pflanzen im aeroponischen
System angezogen wurden. Insbesondere ist die Behandlung mit Elicitoren
gezeigt, die zu einer Verstär kung
der Glucosinolat Rhizosekretion im Vergleich zur Kontrolle führte. Die
Untersuchung der Exsudationskinetiken von sekundären Wurzeln zeigte, dass der
Anstieg des Glucosinolat Gehalts in Exsudaten nach der Verabreichung
beider Elicitoren bereits unmittelbar nach dem Beginn des Experiments
beobachtet wurde. Bei der Behandlung mit Methyljasmonat, wurde der
höchste
Gehalt an exsudierten Glucosinolaten unmittelbar nach der Behandlung
gemessen, während
der Glucosinolat Gehalt zum Ende des Experiments (Tag 30) abfiel.
Der Glucosinolat Gehalt, der aus den Pflanzen während der ersten zehn Tage nach
der Behandlung exsudiert wurde, betrug 2,1 mg/Pflanze und lag somit
3,1-fach über
den Werten der Kontrolle. Zwischen dem 10. und dem 15. Tag ebenso
wie zwischen dem 15. und 20. Tag fiel der Glucosinolat Gehalt auf
1,5 mg/Pflanze und betrug somit nur noch 2,0- bzw. 1,8-fach des
Werts der Kontrolle. In den nächsten fünf Tagen
lag er nahezu bei dem Wert der Kontrolle. Während der letzten fünf Tage
des Pflanzenwachstums bei dieser Behandlung erreichte der Glucosinolat
Gehalt einen Wert von 1,0 mg/Pflanze, der 0,2 mg/Pflanze unter dem
Wert der Kontrolle lag. Während
der ersten zehn Tage nach der Salicylsäure Verabreichung exsudierten
die Pflanzen 1,6 mg/Pflanze Glucosinolate, was 2,4-fach über den
Werten der Kontrolle lag. Der Gehalt der Glucosinolate, die während dem
Zeitraum zwischen dem 10. und dem 15. sowie dem 15. und dem 20.
Tag des Experiments exsudiert wurden, betrug 1,6 mg/Pflanze. Diese
Werte liegen 2,2- bzw. 1,9-fach über
dem Wert der Kontrolle im selben Zeitraum. Zwischen dem 20. und
dem 25. Tag sowie zwischen dem 25. und dem 30. Tag des Experiments
exsudierten die Pflanzen nach der Salicylsäure Behandlung 1,4 mg Glucosinolate/Pflanze,
so dass der Wert 1,2-fach bzw. 1,3-fach über der Kontrolle lag. Zu Beginn
des Experiments bewirkte die Verabreichung von Methyljasmonat eine
stärkere
Zunahme des Glucosinolat Gehalts in Exsudaten im Vergleich zu Salicylsäure, was
nach Ansicht der Erfinder möglicherweise
dadurch erklärt
wird, dass Salicylsäure nicht
nur die Glucosinolat Synthese sondern auch ihren Abbau durch Beeinflussung
der Aktivität
des Enzyms Myosinase verstärkt.
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B. Detaillierte Beschreibung
der verwendeten Materialien und der Ergebnisse
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1. Anzucht
der Pflanzen
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Die
Rübensamen
wurden in Grodan Steinwolle Pflanzwürfeln (5 cm Breite × 5 cm Tiefe × 5 cm Höhe), die
in Standard Gewächshaus
Plastikschalen (52 cm breit × 35
cm tief × 7
cm hoch) gesetzt wurden, angezogen. Die Samen wurden mit halbkonzentrierter
Hoagland Lösung über oberhalb
der Pflanzenkultur angebrachten Feuchtigkeitssystemen bewässert. Sie
wurden vorgekeimt, bis die Wurzeln der Setzlinge ca. 2 bis 4 cm aus
dem Boden der Würfel
hervorgetreten waren. Dies war nach ca. 15 bis 20 Tagen bei 2 Blättern und
einem Wurzelgewicht von ca. 3 g der Fall. Die Würfel wurden anschließend in
10 × 11
cm Abständen
in die Löcher von
Polystyrol Platten (1 m × 1
m groß,
4,5 cm dick) eingesetzt, die anschließend in die aeroponischen bzw. hydroponischen
Systeme eingesetzt wurden.
-
2. Technische
Charakteristika der aeroponischen und hydroponischen Systeme
-
Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden sowohl aeroponische als
auch hydroponische Systeme verwendet. Diese erdlosen (= erdfreien)
wasserbasierten Systeme besitzen den Vorteil, dass die Nährstoffe
direkt in Wasser gelöst
sind und die Pflanzen die Nährstoffe
zu jedem Zeitpunkt aufnehmen können.
Aufgrund der ubiquitären
Verfügbarkeit
der gewünschten
Nährstoffmenge
kann die Pflanze die von ihr individuell benötigte Menge jederzeit direkt über die
Wurzel aufnehmen. Außerdem
sind die erdfreien Systeme vorteilhaft, weil der pH-Wert und der
Nährwert
des Wassers auf einfache Weise gemessen und die gewünschten
Werte aufrechterhalten werden können.
Die wasserbasierten Systeme steigern das Pflanzenwachstum und die
Ausbeute pro Fläche
gegenüber
den erdhaltigen Syste men (= Erdsystemen) deutlich. Darüber hinaus
ist die Gefahr des Schädlingsbefalls
sowie das Auftreten von Erkrankungen an den Pflanzen deutlich reduziert.
Außerdem
entfällt
das Gießen
der Pflanzen nach einem Gießplan.
In den vorliegenden Experimenten wurden neben den hydroponischen
Systemen auch aeroponische Systeme mit dem Ziel verwendet, die Menge
des verwendeten Wassers im System maximal zu minimieren, was die
Exsudat Extraktion einfacher macht. Auf diese Weise kann das aeroponische
System sehr wirtschaftlich betrieben werden. Im Rahmen der Erfindung
wurden drei verschiedene Systeme installiert, nämlich ein aeroponisches System
mit einer Sprühvorrichtung,
ein aeroponisches System mit einem Nebelzerstäuber oder einem Defensor und
ein hydroponisches System. Die Sprühvorrichtung des aeroponischen
Systems war in dem konkreten Beispiel als Sprühdüsen ausgebildet.
-
Die
durchgeführten
Experimente im aeroponischen bzw. hydroponischen System sind schematisch
in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle
1 Schematische Darstellung der Experimente
- 1H – Hoagland
Lösung;
- 1,5H – 1.5-fache
Konzentration der Hoagland Lösung;
- 2H – doppelte
Konzentration der Hoagland Lösung;
- 2S – doppelte
Schwefel-Konzentration;
- SA0 – Salicylsäure, appliziert am 1. Tag;
- MJ – Methyljasmonat,
appliziert am 1. Tag;
- SA15 – Salicylsäure, appliziert am 15. Tag;
- SA20 – Salicylsäure, appliziert am 20. Tag;
- SA25 – Salicylsäure, appliziert am 25. Tag.
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2.1 Aeroponisches System
-
In
aeroponischen Systemen werden die Pflanzen mit Nährstoffen durch befeuchtete
Luft versorgt. Die Wurzeln befinden sich in der Wachstumskammer,
wo sie in kurzen Intervallen, für
gewöhnlich
Intervallen von wenigen Minuten mit dem Feuchtigkeitsnebel der Nährstofflösung besprüht wurden.
Die Lösung
wurde direkt aus ihrem Vorratstank über eine Pumpe entnommen und
auf die Pflanzenwurzeln gesprüht.
Die Pumpe wurde zeitlich präzise
kontrolliert, so dass die Sprühzyklen
exakt von wenigen Sekunden bis einige Minuten reichten.
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2.2.1 Aeroponisches System
mit Sprühdüsen
-
Im
aeroponischen System, das mit Sprühdüsen ausgestattet ist, wurden
die Wurzeln in einem Nebel aus der Nährstofflösung gehalten. Der Nebel der
Nährstofflösung enthält eine
relative Luftfeuchtigkeit von nahezu 100 % und verhindert wirksam
das Austrocknen der Pflanzenwurzeln. Im Rahmen der Erfindung wurde das
aeroponische System mit Sprühdüsen des
Typs Dan Fogger 7800, Dan Sprinklers, Kibbutz Dan Israel, verwendet.
Die Nährstofflösung wurde
mit der zweistufigen Zentrifugalpumpe CH-60 (Modell A-A-CVBV, Grundfos, Erkrath,
Israel) von einem Speichertank über
einen Bitron 15 Filter (Typ G15T8, Oase, Berlin, Deutschland) zu
dem Anzuchtbett gepumpt. Von dort konnte die überschüssige Nährstofflösung zu dem Speichertank zurückgeführt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde das aeroponische System
mit Sprühdüsen kontinuierlich
verwendet, d.h. die Nährstofflösung wurde
konstant und kontinuierlich ohne Intervalle auf die Pflanzenwurzeln
aufgesprüht.
Diese Verwendung des aeroponischen Systems ist unüblich, aber die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass die
Rübenwurzel
sehr empfindlich gegenüber
einem auftretenden Wassermangel reagiert. Der Druck der Pumpe betrug
2 bar, wobei im Stand der Technik für gewöhnlich 4 bar verwendet werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch herausgefunden,
dass der im Stand der Technik verwendete Druck zu einer mechanischen
Schädigung
der Rübenwurzeln
führt.
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2.1.2 Aeroponisches System
mit Defensor
-
Das
im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete aeroponische System
mit Defensor enthielt den Defensor des Typs 505, WMH Walter Meier
Holding, Pfäffikon,
Deutschland. Der rotierende bzw. drehende Zerstäuber bildete feinsten Nebel
aus Nährstofflösung. Die
Größe der Wasserpartikel
im versprühten
Nährstoffnebel
beträgt
ca. 5 bis 10 μm.
Eine Zeitschaltuhr schaltete die Pumpe (Typ 505, Axair AG, Pfäffikon, Deutschland)
für 15
Minuten bei einem 30-minütigen
Intervall an. Der Defensor (Typ 505) selbst enthält einen rotierenden Kreisel
(Zentrifuge), einen Raum in dem sich trockene Luft befindet, eine
rotierende Platte sowie einen Feuchtigkeitsring, der die feuchte
Luft als fein zerstäubten
Feuchtigkeitsnebel (Aerosol) nach außen abgibt.
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2.2 Hydroponisches System
-
Im
hydroponischen System mit schwimmender Plattform und einem Belüftungssystem
waren die Pflanzen direkt in der schwimmenden Plattform angeordnet,
die auf der Oberfläche
der Nährstofflösung schwamm.
Das hydroponische System wurde durch einen Kompressor (Modell 40A-10011,
Hiblo, Deutschland) belüftet.
Der Kompressor blies Luft durch die Nährstofflösung in einer Fließgeschwindigkeit
von ungefähr 100
ml/min. Insgesamt waren 10 Belüftungsröhrchen vorgesehen,
die alle gleichzeitig betrieben wurden.
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3. Gewächshausbedingungen
für das
Pflanzenwachstum
-
3.1 Licht
-
Die
Pflanzen wurden mit einer Belichtung von 12 Stunden, die der Tagzeit
entspricht von 8 Uhr morgens bis 8 Uhr abends und hV 400 μmol/m2s angezogen. Es wurden Quantensensoren (Modell
Li-190 SZ, LI-COR Lincoln, Nebraska, USA) zum Messen der photosynthetisch
wirksamen bzw. aktiven Strahlung verwendet. Wenn die natürliche Strahlung
außerhalb
des Gewächshauses
450 μmol/m2s überstieg,
wurden die Pflanzen durch über
ihnen angebrachte Jalousien bzw. Lamellen beschattet. Als künstliche
Lichtquelle wurden SRG 140 (Philips, Deutschland) Lampen verwendet,
die das Pflanzenwachstum mit Licht, das ein natürliches Spektrum aufweist,
fördern.
Die Lampen waren 1,5 m über
den Wachstums- bzw. Kultivierungssystemen angebracht, und sie deckten
ungefähr
2 m2 der Oberfläche pro Lampe ab.
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3.2 Temperatur
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Die
Lufttemperatur im Gewächshaus
betrug 16°C
während
des Tages und 12°C
während
der Nacht. In der Wurzelzone überschritt
die Temperatur die Lufttemperatur um ungefähr 1 bis 2°C. Das Gewächshaus wurde belüftet, wenn
die Temperaturen die oben genannten Werte überschritten.
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3.3 Luftfeuchtigkeit
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Die
Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus
erreichte 60 %. Sie wurde durch das Nebelsystem HNS (Typ 7, Osberma,
Engelskirchen, Deutschland) mit HNS Düsen (Typ 07.1, Osberma, Engelskirchen,
Deutschland) erreicht. Die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit im
Gewächshaus
wurden mit Entlüftern,
Typ 77001 (Henrich Zeiseniss Wasser Technik, Herrsching, Deutschland)
bestimmt und aufgenommen. Die Temperatur in den Wurzelzonen innerhalb
der aeroponischen Systeme wurde mit dem Psychrometer PT 100 (Typ
WTE 10, Geraberg GmbH, Geraberg, Deutschland) bestimmt und aufgenommen.
Die Temperatur, die Belichtung und die Feuchtigkeitsbedingungen
in der Wachstumskammer wurden mit RAM CC 600 Ausstattung (Typ DT
500, Ltd Rowville, Victoria, Australien) kontrolliert. Die Messungen
wurden einmal pro Minute durchgeführt, und der Durchschnittsmittelwert
wurde einmal pro Stunde gespeichert. Die gesamten oben genannten
Bedingungen wurden konstant während
des vegetativen Zeitraums aufrechterhalten.
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4. Herstellung
der Exsudatproben
-
Es
wurden jeweils vier Probenwiederholungen 1 l Probenlösung, welche
die Pflanzenwurzelexsudate enthielt, von jedem System alle 10 Tage
für das
erste Experiment und alle 5 Tage beginnend am Tag 10 für das zweite
und das dritte Experiment entnommen. Während der Probenentnahme wurden
die Wurzeln zusätzlich mit
der Lösung
des Wachstums- bzw. Kultivierungssystems unter Verwendung des Kompressors
(Typ 3590, Agrotop GmbH, Obertraubling, Deutschland) gewaschen.
Zu der Probenlösung
wurden 20 μM/l
AgNO3 zugegeben, um die Zerstörung der
Glucosinolate durch das Enzym Myrosinase, die ebenfalls in das Wachstumsmedium
abgegeben wird, zu verhindern. AgNO3 stoppt
nachweislich die Aktivität
von Myrosinase. Nach der Probenentnahme wurde die Nährstofflösung in
jedem System erneuert. Die Proben wurden zunächst unter Verwendung von Papierfiltern
(N 604, Schleicher und Schuell, Dassel, Deutschland) gefiltert.
Die Exsudatproben wurden durch Scaleup Ultrafiltration und reverse
Osmose im Tangentialfluss Filtrationssystem (ProScale System mit
Helicon-RO-4 Spi ralwickelmodule, die eine Nanomax-95 Membran, erhalten
von Millipore GmbH, Eschborn, Deutschland) verarbeitet. Die Proben
wurden anschließend
in 600 ml Glasflaschen (Christ, Osterode am Harz, Deutschland) übertragen,
bei –28°C gefroren
und gefriergetrocknet.
-
Verbindungen
mit einem Molekulargewicht von 250 bis 2000 Da wurden ausgewählt und
konzentriert, und monovalente Salze wurden aus der Lösung entfernt.
Das im Rahmen der Erfindung durchgeführte Verfahren zur Herstellung
der Exsudatproben benötigt
weniger Schritte als das herkömmliche
Verfahren zur Herstellung von oberirdischem Pflanzenmaterial. Die
klassischen Herstellungsverfahren umfassen die Schritte des Reinigens,
Einfrierens und Gefriertrocknens, des Mahlens und des Extrahierens
der benötigten
Verbindungen. Im Rahmen der Erfindung wurde ein zusätzlicher
Verfahrensschritt in das Verfahren zur Herstellung der Exsudatproben
für die
HPLC eingeführt.
Der Zusatzschritt umfasst die Präfiltration
und die Konzentration der Flüssigkeit.
Dennoch werden die herkömmlichen
Schritte des Mahlens und des Extrahierens des Pflanzenmaterials
vermieden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber dem
Stand der Technik Vorteile besitzt.
-
5. Glucosinolat
Extraktion und Bestimmung durch HPLC
-
Für die Bestimmung
der Glucosinolate durch HPLC wurde das HPLC Verfahren nach Krumbein
et al. (2005) verwendet. Gefriergetrocknetes Probenmaterial, das
aus getrockneten Substanzen von 1 l der Lösung mit Exsudaten bestand,
wurde erhitzt und bei 75°C
für 1 min.
inkubiert, mit 4 ml eines Methanol/Wassergemisches (v/v = 7:3; T
= 70°C)
extrahiert und nach dem Hinzufügen
von 1 ml 0,4 M Bariumacetat bei 400 rpm für 10 min. zentrifugiert. Der
Rückstand
wurde noch 2x mit 30 ml Methanol/Wassergemisch (v/v = 7:3; T = 70°C) extrahiert.
Das extrahierte Material wurde vereinigt und auf 10 ml aufgefüllt. Davon
wurden 5 ml des Extrak tes auf einen 250 μl DEA-Sephadex A-25 Ionenaustauscher
(mit Essigsäure
aktiviert, Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Taufkirchen, Deutschland)
aufgetragen und mit 10 ml doppelt destilliertem Wasser gespült. Als
nächstes
wurden 250 μl
einer gereinigten Lösung
von Arylsulfatase (Boehringer-Mannheim
GmbH, Mannheim, Deutschland) aufgebracht und für 12 h auf dem Austauscher
belassen, bevor die Desulfoverbindungen mit 5 ml doppelt destilliertem
Wasser eluiert wurden. Die Desulfoglucosinolat Analyse wurde durch
HPLC (Merck HPLC Pumpe L-7100, DAD Detektor L-7455, automatische
Probenverarbeitung AS-7200 und HPLC Manager Software D-7000) unter
Verwendung einer Spherisorb ODS2 Säule (5 μm, 250 × 4 mm) durchgeführt. Es
wurde ein Gradient von 0–20
% Acetonitril in Wasser für
2 bis 34 min., gefolgt von 20 % Acetonitril in Wasser bis zur 40sten
Minute und anschließend
100 % Acetonitril für
10 min. bis zur 50sten Minute gewählt. Die Bestimmung wurde bei
einer Fließgeschwindigkeit
von 1,3 ml/min und einer Wellenlängen
von 229 nm durchgeführt.
Sinigrin (Sigma-Aldrich
Chemie GmbH, Taufkirchen, Deutschland) und Glucotropaeolin (AppliChem
GmbH, Darmstadt, Deutschland) wurden als Standards verwendet.
-
Die
einzelnen Glucosinolate wurden durch Vergleich ihrer Retentionszeiten
(Rückhaltezeiten)
mit einzelnen Glucosinolaten in den Rapsölsamen (BCR-190C und BCR-367 R), die als Standardreferenzmaterialien verwendet
wurden, identifiziert. Der Glucosinolat Gehalt wurde unter Verwendung
von Sinigrin als internem Standard und dem Response Faktor (Antwortfaktor)
jeder Verbindung im Vergleich zu Sinigrin berechnet. Die Bestimmung
der Glucosinolate wurde jeweils doppelt durchgeführt, und die Konzentrationen
der Glucosinolate wurden als mg exsudierte Glucosinolate pro Pflanze
ausgedrückt.
Die Daten zeigen die Dynamik des Glucosinolat Gehalts sowohl in
Pflanzen als auch in Exsudaten während
des Versuchs ebenso wie in den Exsudaten, die während des 30 Tage andauernden
Experiments gesammelt wurden.
-
Die
in Rüben
(Brassia rapa) vorkommenden Glucosinolate sind in Tabelle 2 dargestellt.
-
Tabelle
2: Glucosinolate in Rüben
-
Der
jeweilige Glucosinolat Gehalt wurde über die jeweiligen Peakflächen unter
Verwendung von Sinigrin als internem Standard und dem Response Faktor
jeder Verbindung relativ zu Sinigrin berechnet. Der Gehalt der Glucosinolate
in Exsudaten einer Pflanze wurde durch die folgende Formel berechnet:
- Cex:
- Gehalt an einzelnen
Desulfoglucosinolaten in Exsudaten pro mg Pflanze
- Vol:
- Volumen der Lösung im
System in l
- Npl:
- Menge der Pflanzen
im System pro Pflanze
- C:
- Gehalt an einzelnen
Deslufoglucosinolaten in der Lösung
aus dem Gesamtsystem in mg, wobei
- S:
- Quadrat der Peakfläche von
Desulfoglucosinolaten
- Sis:
- Quadrat der Peakfläche des
internen Standards
- RF:
- Response Faktor von
Desulfoglucosinolat
- RFis:
- Response Faktor des
internen Standards
- Nis:
- Menge des internen
Standards in mg/l
- Vol':
- Probenvolumen in l.
-
Das
Frischgewicht, das getrocknete Material, das Gesamtgewicht sowie
die einzelnen Glucosinolat Gehalte in Pflanzen und Exsudaten wurden
unter Verwendung von beschreibender Statistik und Varianzanalyse
verrechnet. Der Mittelwertvergleich erfolgte nach dem Tukey's Honest Significant
Difference Test (HSD, Signifikanzlevel α = 0,05). Alle statistischen
Analysen wurden mit StatisticaTM für WindowsTM (Version 6.1, Statstoft Inc.) durchgeführt.
-
7. Pflanzenwachstum
bei unterschiedlicher Nährstoffversorgung
-
Die
Erfinder haben zunächst
eine Nährlösung ausgewählt, die
ein ausreichendes Wachstum der Pflanzen von Brassica rapa sicherstellt.
Diese Lösung
wurde zur Steigerung des Glucosinolat Gehalts in Pflanzen ebenso
wie in Exsudaten erfindungsgemäß modifiziert.
Als Ausgangsnährlösung für das Wachstum
von Rüben (Brassica
rapa) wurde die Hoagland Lösung
gewählt.
Tabelle 3 zeigt die Bestandteile der Hoagland Lösung und ihre Modifikationen. Tabelle
3: Hoagland Lösung
und ihre Modifikationen
- 1H:
Ausgangs Hoagland Lösung
(1-fach)
- 2H: 2-fach konzentrierte Hoagland Lösung
- 2H2S:2-fach konzentrierte Hoagland Lösung plus zweifach gesteigerte
Schwefelkonzentration
-
Die
Salze können
als zwei Einzellösungen
(A und B) vorbereitet und gelagert werden. Unmittelbar vor dem Gebrauch
werden die beiden Lösungen
vereinigt.
-
Der
Nährstoffgehalt
der Ausgangs Hoagland Lösung
wurde erhöht,
weil die Erfinder an Rüben
(Brassica rapa), die in Hoagland Lösung angezogen wurden, eine
Gelbfärbung
der Blätter
(Chlorose) beobachtet haben. Aufgrund dieser Tatsache wurde die
Nährstoffkonzentration
in der Hoagland Lösung
erhöht,
wobei darauf geachtet wurde, dass eine Ausgewogenheit zwischen den
einzelnen Bestandteilen bestehen blieb. Die Rübenpflanzen benötigten hohe
Mengen an Schwefel in einem ausgewogenen Verhältnis zum Stickstoff. Dieser gesteigerte
Schwefelbedarf von Pflanzen der Familie Brassicaceae war überraschend
und wurde im Rahmen dieser Erfindung beobachtet und analysiert.
Die Erfinder haben deshalb eine 2-fach konzent rierte Hoagland Lösung, die
eine 2-fach gesteigerte Schwefelkonzentration enthält, hergestellt
und verwendet.
-
8. Verwendung von Elicitoren
-
Als
Elicitoren wurden Salicylsäure
(SA) und Methyljasmonat (MJ) verwendet. Salicylsäure wurde in einer Konzentration
von 1,1 mg/l (= 110,0 mg/l) verwendet, während Methyljasmonat in einer
Konzentration von 100 μg/l
verwendet wurde. Beide Substanzen wurden von Sigma-Aldrich Chemie
GmbH, Taufkirchen, Deutschland bezogen. Die Elicitoren wurden zu
der Nährstofflösung zu
Beginn des Pflanzenwachstums in den aeroponischen Systemen gegeben,
obwohl in vorhergehenden Studien (Van Dam et al., 2003) gezeigt
wurde, dass eine Behandlung der Blätter mit Elicitoren den Glucosinolat
Gehalt im Spross, aber nicht in den Wurzeln steigerte.
-
9. Ergebnisse
-
9.1 Gesamt Glucosinolate
-
Der
Gesamt Glucosinolat Gehalt ebenso wie der Gehalt an individuellen
aliphatischen, aromatischen und Indolglucosinolaten wurde quantitativ
in den Blättern,
primären
Wurzeln, sekundären
Wurzeln und Exsudaten von Pflanzen der Ordnung Capparales, insbesondere
Rübenpflanzen
(Brassica rapa) bestimmt. Als Vertreter der aliphatischen Glucosinolate
wurden Progoitrin, Gluconapin, Gluconapoleiferin und Glucobrasscianapin
bestimmt. Gluconasturtiin wurde als Vertreter der aromatischen Glucosinolate
bestimmt. Als prominente Vertreter der Indolglucosinolate wurden
4-Hydroxy-Glucobrassicin,
4-Methoxy-Glucobrassicin, Neoglucobrassicin und Glucobrassicin analysiert.
Der Gesamtgehalt der Glucosinolate in Pflanzen und ihren Exsudaten nach
30 Tagen betrug 22,1 mg/Pflanze für die Kontrollbehandlung, und
sie war um ca. ein Drittel für
die Behandlung mit den Elicito ren Salicylsäure (Sa) und Methyljasmonat
(MJ) erhöht,
wobei die Werte jeweils 30,1 und 30,7 mg/Pflanze betrugen. Der Glucosinolat
Gehalt, der in Exsudaten gefunden wurde, stieg von 4,6 mg/Pflanze
(Kontrolle) auf 7,8 bzw. 7,3 mg/Pflanze für die Salicylsäure bzw.
Methyljasmonat Behandlungen an. Die Erfinder nehmen an, das der
Anstieg der Glucosinolate in den Exsudaten in der Freisetzung von
Pflanzenabwehrstoffen, die durch das Zugeben des Elicitors ausgelöst werden,
begründet
ist.
-
Die
Behandlung mit Salicylsäure
und Methyljasmonat steigerte den Glucosinolat Gehalt in sekundären Wurzeln
auf 10,2 bzw. 7,8 mg/Pflanze, was einer Steigerung von 2,1- bzw.
1,8-fach gegenüber
der Kontrollbehandlung (4,8 mg/Pflanze) entsprach. Methyljasmonat
konnte den Glucosinolat Gehalt in Blättern bis zu 6,1 mg/Pflanze
(1,7-fach) steigern, wohingegen die Salicylsäure Behandlung zu einem niedrigeren
Wert (3,6 mg/Pflanze) als in der Kontrolle führte. Die Erfinder nehmen an,
dass diese Ergebnisse durch gesteigerte Expression von Genen, die
in die Glucosinolat Synthese involviert sind ebenso erklärt werden
können
wie durch die Mobilisierung der Glucosinolate vom Spross durch Phloem
Transport in die Wurzeln. Die Änderungen
der metabolischen Profile der aliphatischen, aromatischen und Indolglucosinolate,
die durch Salicylsäure
und Methyljasmonat Behandlungen bewirkt wurden, waren signifikanter
in den Exsudaten als in den Pflanzengeweben. Die Erfinder nehmen
an, dass dies auf die Elicitor induzierte Rhizosekretion, die auf
einer de novo Synthese der sekundären Metaboliten und nicht auf
einem Elicitor induzierten Verlust aus den Wurzelgeweben beruht,
zurückzuführen ist.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Tabelle
4 Glucosinolate in Pflanzen und Exsudaten (mg/Pflanze)
- Aliphatische
Glucosinolate: Gluconapin, Progoitrin, Glucobrassicanapin, Gluconapoleiferin;
- Aromatische Glucosinolate: Gluconasturtiin
- Indolglucosinolate: Glucobrassicin, 4-Hydroxy-Glucobrassicin,
4-Methoxy-Glucobrassicin,
Neoglucobrassicin
-
Die
Unterschiede wurden für
jede Behandlung ermittelt, insbesondere für die Kontrolle die SA- und MJ-Behandlung,
ebenso wie für
jedes Pflanzenorgan und für
die Exsudate. Die Werte, die von demselben Buchstaben gefolgt werden
(a, b, c) sind nicht signifikant unterschiedlich.
nnwb: nicht
nachweisbar
-
9.2 Aliphatische Glucosinolate
-
Die
aliphatischen Glucosinolate waren die Hauptklasse der Glucosinolate
in Rübenpflanzen
(Brassica rapa) und in Exsudaten der Kontrolle mit 12,2 mg/Pflanze,
während
der Gehalt der aromatischen und Indolglucosinolate 3,0 bzw. 6,6
mg/Pflanze betrug (Tabelle 4). Die vorliegenden Ergebnisse zeigen,
dass Brassica rapa ein Glucosinolat Profil aufweist, das Butenyl- und Pentenylglucosinolate
und ihre hydroxylierten Homologe umfasst. Progoitrin ist das am
häufigsten
in der Rübe
identifizierte aliphatische Glucosi nolat. Seine Konzentration erreichte
4,6 mg/Pflanze in Pflanzen und Exsudaten für die Kontrollbehandlung (Tabelle
5). Die Verabreichung von Salicylsäure und Methyljasmonat erniedrigte
den Progoitrin Gehalt in Pflanzen und Exsudaten auf 2,5 bzw. 2,6
mg/Pflanze. Der Progoitrin Gehalt, der in Exsudaten nach einer Methyljasmonat
Behandlung gefunden wurde, war gleich zu der Kontrollbehandlung,
nämlich
0,6 mg/Pflanze, während
er nach einer Salicylsäure
Behandlung auf 0,4 mg/Pflanze abfiel. In den Pflanzen fiel der Progoitrin
Gehalt hauptsächlich
auf Kosten der primären
Wurzeln, was bedeutete, dass sein Gehalt in der Kontrolle 2,5 mg/Pflanze
betrug, im Vergleich zu 1,2 mg/Pflanze für die Salicylsäure Behandlung
und 1,4 mg/Pflanze für
die Methyljasmonat Behandlung.
-
Dieselben
Veränderungen
wurden auch für
Gluconapin beobachtet, wo der Gesamtgehalt in Pflanzen und in Exsudaten
1,7 mg/Pflanze in der Kontrolle im Vergleich zu 1,1 mg/Pflanze für die Salicylsäure Behandlung
und 1,3 mg/Pflanze für
die Methyljasmonat Behandlung erreichte (Tabelle 5).
-
Der
Gehalt an Gluconapoleiferin und Glucobrassicanapin in beiden Pflanzen
und Exsudaten betrug 2,0 bzw. 1,2 mg/Pflanze für die Kontrolle. Diese Werte
wurden durch eine Salicylsäure
Behandlung nicht beeinflusst. Jedoch steigerte eine Methyljasmonat
Behandlung den Gehalt an Gluconapoleiferin auf 1,3 mg/Pflanze, während die
Methyljasmonat Behandlung den Glucobrassicanapin Gehalt auf 2,4
mg/Pflanze in den Pflanzen und den Exsudaten steigerte. Der größte Anstieg
wurde in den Blättern
beobachtet, wo Gluconapoleiferin einen Wert von 0,9 mg/Pflanze und
Glucobrassicanapin einen Gehalt von 1,1 mg/Pflanze, jeweils nach
der Methyljasmonat Verabreichung im Vergleich zu 0,6 bzw. 0,1 mg/Pflanze
für die
Kontrolle erreichten. Die Ergebnisse der Analysen der aliphatischen
Glucosinolate sind in Tabelle 5 gezeigt.
-
Tabelle
5: Aliphatische Glucosinolate in Pflanzen und Exsudaten (mg/Pflanze)
-
Die
Unterschiede wurden für
jede Behandlung ermittelt, insbesondere die Kontrolle, Salicylsäure (SA) und
Methyljasmonat (MJ), jeweils für
jedes Pflanzenorgan ebenso wie die Exsudate. Die Werte, die jeweils
von demselben Buchstaben (a, b, c) gefolgt werden, sind nicht signifikant
verschieden.
-
Die
Gls-elong Gene von Brassica rapa regulieren die Bildung von Elongase,
was zur Kettenverlängerung
von synthetisierten Glucosinolaten führt. Dies könnte das Verhältnis von
Butenyl- zu Pentenylglucosinolaten in Pflanzen und Exsudaten von
Brassica rapa von 2:1 in den Kontrollbehandlungen (6,2 : 3,1 mg/Pflanze) erklären (siehe
Tabelle 6). Das Verhältnis
von Butenyl- zu Pentenylglucosinolaten in Pflanzen und Exsudaten änderte sich
jedoch dramatisch unter dem Einfluss von Salicylsäure und
Methyljasmonat. Das Verhältnis
betrug 1,1 : 1 (3,7 : 3,3 mg/Pflanze) bei Salicylsäure und
0,8 : 1 (3,9 : 4,7 mg/Pflanze) bei Methyljasmonat. Die Erfinder
gehen davon aus, dass die Elicitoren die Expression der Gls-elong
Gene nach der Verabreichung der Elicitoren beeinflussen. Die Alkenylglucosinolate
Gluconapin und Glucobrassicanapin durchlaufen eine Hydroxylierung
und damit eine Umwandlung in die Hydroxyalkenylglucosinolate Progoitrin
und Gluconapoleiferin. Das Verhältnis
von Hydroxyalkenylglucosinolaten zu Alkenylglucosinolaten betrug
2,3 : 1 für
die Kontrollbehandlungen (6,6 : 2,9 mg/Pflanze). Jedoch änderte sich
das Verhältnis
auf 1,8 : 1 (4,5 : 2,5 mg/Pflanze) in Pflanzen und Exsudaten nach
einer Salicylsäure
Behandlung und auf 1,4 : 1 (4,9 : 3,6 mg/Pflanze) in Pflanzen und
Exsudaten nach einer Methyljasmonat Behandlung. Die Erfinder nehmen
an, dass die Elicitoren die Herunterregulation der Gls-oh Gene bewirken,
die den Gehalt der Alkenylglucosinolate für die Salicylsäure- und Methyljasmonat
Behandlungen reduzierten und die Hydroxyalkenylglucosinolate nach
der Methyljasmonat Behandlung erhöhten. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 6 zusammengefasst. Tabelle
6: Zusammenhang zwischen den Subklassen von aliphatischen Glucosinolaten
in Pflanzen und Exsudaten (mg/Pflanze)
- Butenylglucosinolate: Gluconapin und Progoitrin
- Pentenylglucosinolate: Glucobrassicanapin und Gluconapoleiferin
- Hydroxylalkenylglucosinolate: Progoitrin und Gluconapoleiferin
- Alkenylglucosinolate: Glucobrassicanapin und Gluconapin
-
9.3 Aromatische Glucosinolate
-
Gluconasturtiin
war das einzige aromatische Glucosinolat, das in Brassica rapa nachweisbar
ist. Sein Gehalt erreichte in Kontrolipflanzen und Exsudaten Werte
von 3,0 mg/Pflanze und stieg auf 7,8 (2,6-fach) nach einer Salicylsäure Behandlung
und sogar auf 9,1 mg/Pflanze (3,0-fach) nach einer Methyljasmonat
Behandlung (Tabelle 4). Dieser Anstieg ist insbesondere in primären Wurzeln
der Pflanzen beachtlich. Dort stieg der Gehalt des aromatischen
Glucosinolats Gluconasturtiin von Werten von 0,6 mg/Pflanze auf
3,4 mg/Pflanze nach einer Salicylsäure Behandlung und auf 3,8
mg/Pflanze nach einer Methyljasmonat Behandlung. In den Exsudaten
der Kontrollbehandlung betrug der Gluconasturtiin Gehalt 1,1 mg/Pflanze
und stieg auf 1,8 bzw. 1,9 mg/Pflanze nach der Verabreichung von
Salicylsäure
bzw. Methyljasmonat. Dies bedeutet einen 60 bzw. 70 % Anstieg im
Vergleich zu der Kontrolle.
-
Interessanterweise
waren aromatische Glucosinolate in den Blättern nur nach Verabreichung
der Elicitoren nachweisbar (SA: 0,4 mg/Pflanze und MJ: 0,6 mg/Pflanze).
Diese Beobachtung lässt
die Erfinder vermuten, dass die Elicitoren das Auftreten von Glucosinolaten
in Organen bewirken, in denen sie zuvor nicht anwesend waren. Die
Erfinder vermuten weiter, dass der Anstieg der aromatischen Glucosinolate
in allen Pflanzenteilen nach der Verabreichung der Elicitoren über die
Induktion von CYP79A2 erklärt
werden kann, das Phenylalanin in aromatische Aldoxime umwandelt
und gleichmäßig in Blättern und
Wurzeln exprimiert wird.
-
9.4 Indolglucosinolate
-
In
diesem Experiment betrug der Gesamtgehalt an Indolglucosinolat in
den Pflanzen 5,1 mg/Pflanze und 1,5 mg/Pflanze in den Exsudaten
für die
Kontrollbehandlung (Tabelle 4). Beide Elicitoren bewirkten einen Anstieg
des Indolglucosinolat Gehalts in Pflanzen (SA: 9,3 mg/Pflanze (2,2-facher
Anstieg) und MJ: 7,7 mg/Pflanze (1,8-facher Anstieg)). Der Effekt
war am deutlichsten in den sekundären Wurzeln (SA: 6,3 mg/Pflanze
(2,7-facher Anstieg) und MJ: 3,9 mg/Pflanze (1,7-facher Anstieg))
und in den Exsudaten (SA: 4,9 mg/Pflanze (3,3-facher Anstieg) und
MJ: 4,2 mg/Pflanze (2,8-facher
Anstieg)) (Tabelle 4).
-
Die
Indolglucosinolate, die in Brassica rapa vorkommen, sind 4-Hydroxy-Glucobrassicin, 4-Methoxy-Glucobrassicin
und Neoglucobrassicin. Dies sind Derivate von Glucobrassicin, nachdem
es die Hydroxylierung und Methoxylierung durchlaufen hat. In den
Experimenten, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden,
induzierte die Salicylsäure-
und Methyljasmonat Verabreichung auch einen spezifischen Anstieg
des Indolglucosinolat Gehalts (Tabelle 7). Jedoch ist es wichtig
anzumerken, dass die Elicitoren die einzelnen Indolglucosinolate
in unterschiedlichen Ausmaßen
beeinflussten. Salicylsäure
steigerte den Gehalt von Glucobrassicin, 4-Methoxy-Glucobrassicin und Neoglucobrassicin
in Pflanzen sehr viel stärker
als Methyljasmonat. In den Pflanzen und den Exsudaten für die Kontrolle
wurden 1,3 mg/Pflanze Glucobrassicin und 3,3 mg/Pflanze Neoglucobrassicin
beobachtet. Überraschenderweise
wurden nach der Elicitoren Behandlungen sehr viel höhere Mengen
beobachtet, nämlich
3,4 mg/Pflanze Glucobrassicin und 2,2 mg/Pflanze 4-Methoxy-Glucobrassicin
nach Salicylsäure
Behandlung und 2,6 mg/Pflanze Glucobrassicin und 1,3 mg/Pflanze 4-Methoxy-Glucobrassicin
nach Methyljasmonat Behandlung. Der Anstieg des Glucobrassicin Gehalts
fand hauptsächlich
in den sekundären
Wurzeln statt. Die Werte betrugen 0,3 mg/Pflanze für die Kontrolle,
2,2 mg/Pflanze für
die Salicylsäure
Behandlung und 0,9 mg/Pflanze für
die Methyljasmonat Behandlung. In den Exsudaten war der Glucobrassicin
Gehalt von 0,4 mg/Pflanze (Kontrolle) auf 0,7 mg/Pflanze (SA Behandlung) und
0,9 mg/Pflanze (MJ Behandlung) erhöht.
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In
Brassica rapa war Neoglucobrassicin das vorherrschendste Indolglucosinolat.
Sein Gehalt erreichte in den Pflanzen 2,6 mg/Pflanze, während es
in den Exsudaten in einer Menge von 0,7 mg/Pflanze vorkam. Es wurde
auch am meisten durch die beiden verwendeten Elicitoren beeinflusst.
In Pflanzen, die mit Salicylsäure behandelt
wurden, stieg sein Gehalt auf 3,4 mg/Pflanze, während sein Gehalt unter Methyljasmonat
Behandlung sogar auf 3,6 mg/Pflanze, jeweils im Vergleich zur Kontrolle
anstieg. Dies bedeutete einen Anstieg von 31 bzw. 40 % im Vergleich
zur Kontrolle. In den Exsudaten wurden nach Salicylsäure Behandlung
ebenfalls große Anstiege
beobachtet. Der absolute Wert lag bei 3,4 mg/Pflanze (4,9-facher
Anstieg). Nach der Methyljasmonat Behandlung lag der Wert bei 2,4
mg/Pflanze, was einem 3,4-fachen Anstieg entsprach. Die höchste Zunahme an
Neoglucobrassicin nach der Verabreichung von Elicitoren wurde in
den sekundären
Wurzeln beobachtet, wo der Gehalt 2,3 mg/Pflanze nach Salicylsäure Behandlung
und 2,6 mg/Pflanze nach Methyljasmonat im Vergleich zu 1,7 mg/Pflanze
für die
Kontrolle erreichte. Es wurde kein Methoxy-Glucobrassicin in den Blättern und den
primären
Wurzeln der unbehandelten Pflanzen nachgewiesen, aber die Verabreichung
von Elicitoren führte
zu einer Anreicherung von 0,1 bzw. 0,3 mg/Pflanze jeweils in den
Blättern
und den primären
Wurzeln nach einer Salicylsäure
Behandlung und 0,1 bzw. 0,1 mg/Pflanze in den Blättern und den primären Wurzeln
nach einer Methyljasmonat Behandlung. Die Erfinder nehmen an, dass
dieser Befund durch die Induktion der Glucosinolat Synthese in den
Blättern
oder durch den Transport dieser Glucosinolate von den Wurzeln in
das Phloem bewirkt wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 zusammengefasst.
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Tabelle
7: Indolglucosinolate in Pflanzen und Exsudaten (mg/Pflanze)
-
-
Die
Unterschiede wurden für
jede Behandlung ermittelt, insbesondere die Kontrolle, Salicylsäure (SA) und
Methyljasmonat (MJ), jeweils für
jedes Pflanzenorgan ebenso wie die Exsudate. Die Werte, die jeweils
von demselben Buchstaben (a, b, c) gefolgt werden, sind nicht signifikant
verschieden.
nnwb = nicht nachweisbar
-
9.5 Anwendung von Elicitoren
-
Die
Anwendung beider Elicitoren steigerte stark den Gehalt an aromatischen
und Indolglucosinolaten (Tabelle 8). Die Wurzeln von unbehandelten
Pflanzen exsudierten 0,1 mg/Pflanze Gluconasturtiin während der ersten
10 Tage nach der Behandlung, während
der Wert nach der Salicylsäure
Behandlung 0,3 mg/Pflanze und nach der Methyljasmonat Behandlung
0,5 mg/Pflanze erreichte. Ganz besonders stark war der Anstieg des
Indolglucosinolat Gehalts auf 1,2 mg/Pflanze nach einer Salicylsäure Behandlung
und auf 1,3 mg/Pflanze nach einer Methyljasmonat Behandlung, während die
Kontrolle bei 0,2 mg/Pflanze lag. Der Gehalt der exsudierten aliphatischen
Glucosinolate fiel jedoch nach den Behandlungen mit den Elicitoren
im Vergleich zu der Kontrolle. Für
die Salicylsäure
Behandlung erreichte er 0,1 mg/Pflanze, und für die Methyljasmonat Behandlung
erreichte er 0,3 mg/Pflanze, während
er für
die Kontrolle bei 0,5 mg/Pflanze lag. Deshalb schlussfolgern die
Erfinder, dass die Elicitoren Verabreichung die einzelnen Glucosinolate
unterschiedlich (= differenziert) in Exsudaten ebenso wie in Pflanzengeweben
beeinflusst. Dies liefert die Möglichkeit,
die Profile der Glucosinolate durch Elicitoren Verabreichung gezielt
zu steuern, um den Ertrag der Glucosinolate mit den gewünschten gesundheitsfördernden
Eigenschaften zu steigern. Die Ergebnisse sind in Tabelle 8 gezeigt.
-
Tabelle
8: Glucosinolat Gehalt in Exsudaten am 10. Tag des Experiments (mg/Pflanze)
-
Die
Unterschiede wurden für
jedes Experiment ermittelt, insbesondere die Kontrolle, Salicylsäure (SA) und
Methyljasmonat (MJ), jeweils für
jedes Pflanzenorgan ebenso wie die Exsudate. Die Werte, die jeweils
von demselben Buchstaben (a, b, c) gefolgt werden, sind nicht signifikant
verschieden.
-
10. Zusammenfassung
-
Untersuchungen,
die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden,
zeigten, dass die Verwendung von Salicylsäure und Methyljasmonat einen
starken Einfluss auf den Glucosinolat Gehalt in den Pflanzenorganen
ebenso wie in den Wurzeln der Versuchspflanzen (Brassica rapa) aufwiesen.
Insbesondere waren die Gehalte der aromatischen und der In dolglucosinolate,
die beide antikanzerogene Eigenschaften besitzen, stark erhöht. Beide
Elicitoren verringerten den Gehalt an aliphatischen Glucosinolaten,
insbesondere in den primären
Wurzeln und in den Exsudaten. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung
erklären
die verschiedenen Wirkungen der Elicitoren auf die einzelnen Glucosinolate
durch ihre biologische Funktion innerhalb der Verteidigungsreaktion,
die durch Interaktion zwischen der Pflanze und dem Herbivor bzw.
der Pflanze und dem Mikroorganismus stattfindet. Eine Salicylsäure- und/oder
Methyljasmonat Behandlung stimulierte die Rhizosekretion von Glucosinolaten.
Die Antwort der Pflanze auf die Verabreichung der Elicitoren trat
hauptsächlich während der
ersten Tage nach der Behandlung auf, woran sich eine graduelle Abnahme
anschloss. Damit ist die vorliegende Erfindung, insbesondere das
erfindungsgemäße Verfahren
geeignet, gewünschte
Glucosinolate in hoher Konzentration gezielt zu erzeugen. Diese
Glucosinolate können
anschließend
aufgrund ihrer vorteilhaften gesundheitsfördernden, antikanzerogenen
und anderen Eigenschaften als sekundäre Pflanzenstoffe (= Metabolite),
Pharmazeutika, Nahrungsergänzungsmittel
oder Ausgangs- bzw. Rohstoffe für
Functional Food verwendet werden.
-
Referenzliste
-
- 1. Bennett RN and Wallsgrove RM, Secondary
metabolites in plant defence mechanisms. New Phytologist 127 (4):617-633
(1994).
- 2. Borisjuk NY, Borisjuk LG, Logendra S, Petersen F, Gleba YuYu
and Raskin I, Production of recombinant proteins in plant root exudates.
Nat Biotechnol 17:466-469 (1999).
- 3. Kneer R, Poulev A, Olesinski A and Raskin I, Characterisation
of the elicitor-induced biosynthesis and secretion of genistein
from roots of Lupinus luteus L. J Exper Bot 50:1553-1559 (1999).
- 4. Krumbein A and Schreiber, Composition and contents of phytochemicals
(glucosinolates, carotenoids and chlorophylls) and ascorbic acid
in selected Brassica species (B. juncea, B. rapa subsp. nipposinica
var chinoleifera, B. rapa subsp. chinesis and B. rapa subsp. rapa),
Appl. Bot. Food Qual. 79: 168-174 (2005).
- 5. Mulabagal V and Tsay S, Plant cell cultures – an alternative
and efficient source for the production of biologically important
secondary metabolites. Int J Appl Sci Engineering 2:29-48 (2004).
- 6. Talalay P and Fahrey JW, Phytochemicals from cruciferous
plants protect against cancer by modulating carcinogen metabolism.
J Nut 131:30278-30338
(2001).
- 7. Vallejo F, Thomas-Barberan FA, Gonzales Benavente-Garcia
A and Garcia-Viguera C, Total and individual glucosinolate contents
in inflorescences of eight broccoli cultivars grown under various
climatic and fertilization conditions. J Sci Food Agric 83:307-313
(2003).
- 8. Van Dam NM, Witjes L and Savatos A, Interactions between
aboveground and belowground induction of glucosinolates in two wild
Brassica species. New Phytologist 161:801-810 (2003).
- 9. Zhang Y, Molecular mechanism of rapid cellular accumulation
of anticarcinogenic isothiocianates. Carcinogenesis 22:425-431 (2001).
- 10. WO 99/52345 A1
- 11. FR 2 819 376
A1
- 12. WO 2004/089065 A1
- 13. WO 94/19929 A2
- 14. WO 98/27806 A1