Relevance of mineral nutrition and light quality for the accumulation of secondary metabolites in <em>Centella asiatica </em>and<em> Hydrocotyle leucocephala</em>

Abstract

The key objective of the present work was to acquire fundamental knowledge on the impact of nutrient supply and light quality on the accumulation of pharmaceutically relevant secondary metabolites, particularly saponins and lignans, using <i>Centella asiatica</i> and <i>Hydrocotyle leucocephala</i> as examples. Experiments on the impact of N, P, and K supply on saponin and sapogenin (centelloside) accumulation in leaves of <i>C. asiatica</i> were conducted in the greenhouse using soilless culture. Thereby, the relationship between plant growth and centelloside accumulation as influenced by nutrient supply was investigated. Furthermore, the suitability of fluorescence-based indices for non-destructive tracking of centelloside accumulation <i>in vivo</i> was examined. For this purpose, different levels of N, P, and K supply were selected as experimental factors. In order to investigate the effects of light quality on saponin and lignan accumulation, experiments were conducted in technically complex sun simulators providing almost natural irradiance. Here, we postulated that high intensity of photosynthetic active radiation (PAR) and ambient level of ultraviolet (UV)-B radiation additively promote the accumulation of centellosides in leaves of <i>C. asiatica</i>. The specific UV-B response in terms of flavonoid accumulation was monitored <i>in vivo</i> by fluorescence recordings. Finally, the impact of different PAR/UV-B combinations on the concentration and distribution pattern of selected phenylpropanoids, and in particular the lignan hinokinin, was examined in leaves and stems of <i>H. leucocephala</i>. The results ascertained in the single chapters can be summarized as follows: <br /> 1.The higher levels of N, P, or K supply (in the range from 0 to 150% of the amount in a standard Hoagland solution) enhanced net photosynthesis (Pn) and herb and leaf yield of <i>C. asiatica</i>. However, exceeding nutrient-specific thresholds, the high availability of one single nutrient caused lower leaf N concentrations and a decline in Pn and plant growth. Irrespective of N, P, and K supply, the leaf centelloside concentrations were negatively associated with herb and leaf yield. Moreover, negative correlations were found between saponins and leaf N concentrations, and between sapogenins and leaf K concentrations. <br /> 2.The accumulation of both flavonoids and anthocyanins was affected by N, P, and K fertigation in the same way as the centelloside accumulation, indicating that limitations in plant growth were generally accompanied by higher secondary metabolite concentrations. The fluorescence-based flavonol (FLAV) and anthocyanin (ANTH_RG) indices correlated fairly with flavonoid and particularly with anthocyanin concentrations. Moreover, the centellosides were positively correlated with the FLAV and ANTH_RG indices, and with the BFRR_UV index, which is considered as universal ‘stress-indicator’. Thus, the indices FLAV, ANTH_RG, as well as BFRR_UV enabled the <i>in situ</i> monitoring of flavonoid and centelloside concentrations in leaves of <i>C. asiatica</i>. <br /> 3.UV-B radiation favored herb and leaf production of <i>C. asiatica</i>, and induced higher values of the fluorescence-based FLAV index. Similarly, the ANTH_RG index and the saponin concentrations were raised under high PAR. In contrast, UV-B radiation had no distinct effects on saponin and sapogenin concentrations. In general, younger leaves contained higher amounts of saponins, while in older leaves the sapogenins were the most abundant constituents. <br /> 4.The concentration of the selected phenylpropanoids in <i>H. leucocephala</i> depended on the plant organ, the leaf age, the light regimes, and the duration of exposure. The distribution pattern of the compounds within the plant organs was not influenced by the treatments. Based on the chemical composition of the extracts a principal component analysis enabled a clear separation of the plant organs and harvesting dates. In general, younger leaves mostly contained higher phenylpropanoid concentrations than older leaves. Nevertheless, more pronounced effects of the light regimes were detected in older leaves. As assessed, the individual compounds responded very differently to the PAR/UV-B combinations. Hinokinin was most abundant in the stems, where its accumulation was slightly enhanced under UV-B exposure.

<strong>Relevanz der Mineralstoffversorgung und der Lichtqualität für die Akkumulation von Sekundärmetaboliten in <em>Centella asiatica </em>und<em> Hydrocotyle leucocephala</em></strong><br /> Ziel dieser Arbeit war es, grundlegendes Wissen in Bezug auf den Einfluss des Nährstoffangebots und der Lichtqualität auf die Akkumulation von pharmazeutisch relevanten Sekundärmetaboliten, insbesondere Saponinen und Lignanen, zu erlangen, wobei <i>Centella asiatica</i> und <i>Hydrocotyle leucocephala</i> als Modellpflanzen dienten. Versuche zum Einfluss des N-, P- und K-Angebots auf die Saponin und Sapogenin (Centellosid)-Akkumulation in <i>C. asiatica</i> Blättern wurden im Gewächshaus in hydroponischer Kultur durchgeführt. Dabei wurde die Beziehung zwischen Pflanzenwachstum und Centellosid-Akkumulation in Abhängigkeit vom Nährstoffangebot untersucht. Weiterhin wurde die Eignung von Fluoreszenz-basierten Indizes für die nicht-destruktive Erfassung der Centellosid-Akkumulation <i>in vivo</i> geprüft. Dazu wurde ein unterschiedliches N-, P- und K-Angebot als experimenteller Faktor gewählt. Um die Effekte der Lichtqualität auf die Saponin- und Lignan-Akkumulation zu untersuchen, wurden Experimente in technisch komplexen Sonnensimulatoren durchgeführt, die eine nahezu natürliche Strahlung generierten. Die Studien basierten auf der Hypothese, dass eine hohe photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) und eine ambiente Ultraviolett (UV)-B Intensität die Centellosid-Akkumulation in <i>C. asiatica</i> Blättern additiv fördern. Die spezifische UV-B Antwort, d.h. die Akkumulation von Flavonoiden, wurde mit Hilfe von Fluoreszenz-Messungen <i>in vivo</i> verfolgt. Schließlich wurde der Einfluss von verschiedenen PAR/UV-B Kombinationen auf die Konzentration und das Verteilungsmuster von ausgewählten Phenylpropanoiden, insbesondere dem Lignan Hinokinin, in den Blättern und Stängeln von <i>H. leucocephala</i> untersucht. Die in den einzelnen Kapiteln ermittelten Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: <br /> 1.Ein höheres N-, P- bzw. K-Angebot (im Bereich von 0 bis 150% der Nährstoffmenge in einer Standard Hoagland-Nährlösung) erhöhte die Nettophotosyntheserate (Pn) und den Kraut- und Blattertrag von <i>C. asiatica</i>. Bei Überschreitung nährstoffspezifischer Schwellenwerte hatte die hohe Verfügbarkeit der einzelnen Nährstoffe niedrigere Blatt N-Konzentrationen und eine Abnahme der Pn und des Pflanzenwachstums zur Folge. Unabhängig vom N-, P- und K-Angebot war die Centellosid-Konzentration negativ mit dem Kraut- und Blattertrag assoziiert. Des Weiteren wurden negative Korrelationen zwischen den Saponinen und der Blatt N-Konzentration und zwischen den Sapogeninen und der Blatt K-Konzentration gefunden.<br /> 2.Die Flavonoid- und Anthozyan-Akkumulation wurde durch die N-, P- und K-Fertigation auf die gleiche Weise beeinflusst wie die Centellosid-Akkumulation, was darauf hinweist, dass ein limitiertes Pflanzenwachstum generell mit einer höheren Konzentration an Sekundärmetaboliten einherging. Die Fluoreszenz-basierten Flavonol- (FLAV) und Anthozyan- (ANTH_RG) Indizes korrelierten gut mit den Flavonoid- und insbesondere mit den Anthozyan-Konzentrationen. Zudem korrelierten die Centelloside positiv mit den FLAV und ANTH_RG Indizes sowie dem BFRR_UV Index, der als universeller ‚Stressindikator‘ betrachtet wird. Somit ermöglichten die Indizes FLAV, ANTH_RG und BFRR_UV die <i>in situ</i> Beobachtung der Flavonoid- und Centellosid-Konzentration in den Blättern von <i>C. asiatica</i>. <br /> 3.UV-B Strahlung förderte die Kraut- und Blattproduktion von <i>C. asiatica</i>, und induzierte höhere Werte des Fluoreszenz-basierten FLAV Index. Ebenso waren der ANTH_RG Index und die Saponin-Konzentration unter hoher PAR Intensität erhöht. Im Gegensatz dazu hatte UV-B Strahlung keine eindeutigen Effekte auf die Saponin- und Sapogenin-Konzentrationen. Grundsätzlich enthielten jüngere Blätter höhere Saponin-Konzentrationen, während in älteren Blättern die Sapogenine die am häufigsten vorkommenden Substanzen waren. <br /> 4.Die Konzentration der ausgewählten Phenylpropanoide in<i>H. leucocephala</i> war abhängig von Pflanzenorgan, Blattalter, Lichtzusammensetzung und Behandlungsdauer. Das Verteilungsmuster der Substanzen zwischen den Pflanzenorganen wurde nicht durch die Behandlungen beeinflusst. Basierend auf der chemischen Komposition der Extrakte ermöglichte eine Hauptkomponentenanalyse eine klare Trennung der Pflanzenorgane und Erntetermine. Grundsätzlich enthielten jüngere Blätter meist höhere Phenylpropanoid-Konzentrationen als ältere Blätter. Stärkere Effekte der Lichtzusammensetzung wurden jedoch in älteren Blättern detektiert. Wie festgestellt, reagierten die einzelnen Substanzen sehr unterschiedlich auf die PAR/UV-B Kombinationen. Hinokinin kam am häufigsten im Stängel vor, wo die Akkumulation unter UV-B Strahlung leicht erhöht war.