University of Oulu

Cuticular wax of Nordic berries : focus on composition, biosynthesis, and the effect of environmental factors

Saved in:
Author: Trivedi, Priyanka1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Science, Biology, Ecology and Genetics (EcoGen)
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526231723
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-12-03
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the Science Garden (Kaitoväylä 5), Linnanmaa, on 10 December 2021, at 12 noon
Tutor: Professor Hely Häggman
Professor Laura Jaakola
Docent Anna-Maria Pirttilä
Reviewer: Professor Baoru Yang
Professor Anna Szakiel
Opponent: Professor Markku Keinänen
Description:

Abstract

Berries have an outer layer of hydrophobic cuticular wax which plays a role in preventing non-stomatal water loss and protection against UV-B radiation. In this thesis, the chemical composition and morphology of cuticular wax in the fruit of Nordic wild berry species, namely bilberry (Vaccinium myrtillus L.), lingonberry (V. vitis-idaea L.), bog bilberry (V. uliginosum L.), and crowberry (Empetrum nigrum L.) were explored. In bilberry, glossy type (GT) mutant and wild-type (WT) fruits at different developmental stages were investigated for the chemical composition, morphology, and biosynthesis of cuticular wax. Further, the effect of temperature and precipitation on the chemical composition of cuticular wax of bilberry fruit was studied through a latitudinal gradient from Latvia to Finland and Norway. The effect of temperature on the cuticular wax of bilberries was investigated through phytotron experiments.

Results showed that triterpenoids were the dominant compound class in the cuticular wax of bilberry and lingonberry, whereas fatty acids and alkanes dominated in bog bilberry and crowberry, respectively. During bilberry fruit development, a decrease in the proportion of triterpenoids was observed with an increase in total aliphatic compounds. A higher proportion of triterpenoids along with a lower proportion of fatty acids and ketones was found in GT fruit cuticular wax compared with WT. A lower density of crystalloid structures on GT fruit than on WT fruit could be attributed to a lower content of ketones and fatty acids. Wax biosynthetic genes CER26-like, FAR2, CER3-like, LTP, MIXTA, and BAS exhibited prevalent expression in bilberry fruit skin, indicating their role in cuticular wax biosynthesis and secretion.

Generally, through the latitudinal gradient, a decrease in the proportion of triterpenoids was observed in cuticular wax of bilberry fruit in the studied seasons. In phytotron studies, an increase in temperature led to an increase in the proportion of triterpenoids, as well as decrease in fatty acids, alkanes and ketones in bilberry fruit cuticular wax in both southern and northern clones.

This thesis brings new insights into the composition and biosynthesis of cuticular wax in Nordic wild berries. These findings serve as a stepping stone for future berry wax research and the results could have applications in the food industry.

see all

Tiivistelmä

Pohjoisessa kasvavia marjoja ympäröi uloimpana hydrofobinen vahakerros, kutikulaarinen vaha, joka ehkäisee veden haihtumista ja suojaa marjoja UV-B-säteilyltä. Tässä väitöstyössä tutkittiin mustikan (Vaccinium myrtillus L.), puolukan (V. vitis-idaea L.), juolukan (V. uliginosum L.) ja variksenmarjan (Empetrum nigrum L.) kypsien marjojen vahakerroksen morfologiaa ja kemiallista koostumusta. Mustikan osalta sekä villityypin marjan että kiiltävän mutantin vahakerroksen koostumusta, morfologiaa ja biosynteesiä tutkittiin myös marjan kehityksen eri vaiheissa. Lisäksi ympäristötekijöiden vaikutusta mustikan vahakerrokseen tutkittiin eri leveyspiireiltä kerätyissä marjoissa. Näytteitä kerättiin Latviasta, Suomesta ja Norjasta. Työssä tarkasteltiin myös ilmastotekijöiden vaikutusta mustikan pohjoisten ja eteläisten ekotyyppien vahakerroksen koostumukseen käyttäen hyväksi suljettuja tutkimuskasvihuoneita eli fytotroneja.

Tutkimuksessa saatiin selville, että mustikoiden ja puolukoiden marjan vahakerros koostuu pääosin triterpenoideista, kun taas juolukalla ja variksenmarjalla se koostuu pääosin rasvahapoista. Mustikan marjan kehityksen aikana triterpenoidien määrän havaittiin vähenevän ja alifaattisten yhdisteiden määrän kasvavan. Kiiltävän mutanttimarjan vahakerroksen havaittiin sisältävän villityypin musikkaan verrattuna suhteessa enemmän triterpenoideja, mutta vähemmän ketoneja ja rasvahappoja. Myös kristalloidirakenteiden määrä oli kiiltävässä marjassa alhaisempi. Vahan biosynteesiin osallistuvien geenien CER26-like, FAR2, CER3-like, LTP, MIXTA ja BAS havaittiin ilmentyvän vahvasti mustikan kehityksen eri vaiheissa, mikä viittaa niiden olevan tärkeässä roolissa kutikulaarisen vahakerroksen synteesissä.

Perustuen väitöstyön aikana eri leveyspiireillä tehtyihin keräyksiin, triterpenoidien osuuden mustikan vahakerroksessa havaittiin laskevan etelästä pohjoiseen mentäessä. Fytotronikokeet osoittivat, että lämpötilan nousu johtaa triterpenoidien määrän ja osuuden kasvuun, mutta toisaalta rasvahappojen, alkaanien ja ketonien määrän laskuun sekä eteläisten että pohjoisten mustikkakloonien vahakerroksessa.

Väitöstyö tuo uutta tietoa liittyen pohjoisten marjojen vahakerroksen kemialliseen koostumukseen ja biosynteesiin. Tutkimuksen tulokset luovat pohjaa tulevaisuuden vahatutkimukselle, minkä lisäksi niitä voidaan hyödyntää mustikan osalta myös elintarviketeollisuudessa.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Trivedi, P., Karppinen, K., Klavins, L., Kviesis, J., Sundqvist, P., Nguyen, N., Heinonen, E., Klavins, M., Jaakola, L., Väänänen, J., Remes, J., & Häggman, H. (2019). Compositional and morphological analyses of wax in northern wild berry species. Food Chemistry, 295, 441–448. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.05.134

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Trivedi, P., Nguyen, N., Klavins, L., Kviesis, J., Heinonen, E., Remes, J., Jokipii-Lukkari, S., Klavins, M., Karppinen, K., Jaakola, L., & Häggman, H. (2021). Analysis of composition, morphology, and biosynthesis of cuticular wax in wild type bilberry (Vaccinium myrtillus L.) and its glossy mutant. Food Chemistry, 354, 129517. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129517

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Trivedi, P., Klavins, L., Hykkerud, A. L., Kviesis, J., Elferts, D., Martinussen, I., Klavins, M., Karppinen, K., Häggman, H., & Jaakola, L. (2021). Effect of temperature on the chemical composition of berry cuticular wax of bilberry (Vaccinium myrtillus L.) through a latitudinal gradient. Manuscript in preparation.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. A, Scientiae rerum naturalium
ISSN: 0355-3191
ISSN-E: 1796-220X
ISSN-L: 0355-3191
ISBN: 978-952-62-3172-3
ISBN Print: 978-952-62-3171-6
Issue: 769
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 1183 Plant biology, microbiology, virology
Subjects: