Vadelman (Rubus idaeus) kasvunsäätö proheksadioni-kalsiumin avulla

Vadelman (Rubus idaeus L.) viljelyala on kasvanut Suomessa voimakkaasti viimeisten viiden vuoden aikana. Vuonna 2005 vadelmaa viljeltiin 473 hehtaarilla. Vadelman satoindeksi on alhainen. Sen pääverso on pitkä, mikä hankaloittaa hoitotoimenpiteitä. Kasvin satoisimmat silmut ovat pääverson kärjessä, joten latvontaa ei kannata tehdä. Suomessakin haluttaisiin kehittää vadelman kasvihuonetuotantoa satokauden pidentämiseksi. Kasvihuonetuotannossa vegetatiivisen kasvun säätäminen on vielä tärkeämpää kuin avomaan viljelyssä. Proheksadioni-kalsium (ProCa) on gibberelliinisynteesi-inhibiittori, jonka on havaittu lyhentävän nivelvälejä sekä lisäävän versojen ja lehtien hiilihydraattipitoisuutta mm. omenalla (Malus domestica Borkh.). Tämän Helsingin yliopiston soveltavan biologian laitoksella toteutetun tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, miten ProCa vaikuttaa kahden kesävadelmalajikkeen ensimmäisen vuoden versojen vegetatiiviseen kasvuun ja edelleen sadontuottokykyyn. Tässä pro gradu -työssä tutkittiin ProCa:n vaikutusta kahden kesävadelmalajikkeen vegetatiiviseen kasvuun, satopotentiaaliin sekä versojen ja silmujen hiilihydraattipitoisuuksiin kesällä 2005 ja talvella 2006. Koetaimina oli 120 Tulameen-lajikkeen ja 150 Glen Ample -lajikkeen tainta. Taimet käsiteltiin kesäkuussa ja käsittely uusittiin osalle taimista neljän viikon kuluttua ensimmäisestä käsittelystä. Koekäsittelyitä oli neljä: ProCa 100 ppm, ProCa 200 ppm, ProCa 100 ppm + ProCa 100 ppm ja ProCa 200 ppm + ProCa 200 ppm. Kontrollikäsittelyitä oli kaksi: vesi sekä vesi + vesi. Kesän aikana havainnoitiin pääverson pituuskasvua ja nivelien määrää. Kesän kasvatuskauden päätyttyä Glen Ample -lajikkeen silmujen ja versojen liukoiset hiilihydraatit ja tärkkelys määritettiin entsymaattisesti. Kylmävarastoinnin jälkeen (71 vrk) tammikuussa 2006 taimet siirrettiin hyötöön kasvihuoneeseen. Hyödön aikana havainnoitiin silmujen puhkeamista ja kukintaa. Hyödön päättyessä hanka- ja pääversojen kuivapaino sekä hankaversojen pituus mitattiin. Kesän 2005 aikana ProCa lyhensi uusien nivelvälien pituuksia väliaikaisesti 1 4 viikon kuluttua käsittelystä. Nivelien lukumäärässä ei tapahtunut suuria muutoksia. Tulameen-lajikkeella kasvu kiihtyi käsittelyn vaikutuksen loputtua. Nivelvälien lyhentymisen takia pääverson kokonaispituus jäi kontrolliin verrattuna 35 % lyhyemmäksi Glen Ample -lajikkeella (ProCa 200 + ProCa 200) ja 14 % lyhyemmäksi Tulameen-lajikkeella samalla käsittelyllä. Myös käsittely ProCa 200 vähensi pääverson pituutta 6 % kontrolliin verrattuna Tulameen-lajikkeella. ProCa-käsittely lisäsi versojen ja silmujen hiilihydraattipitoisuuksia, mutta tuloksissa oli paljon hajontaa. Glen Ample -lajikkeella kaksinkertaiset käsittelyt vähensivät puhjenneiden silmujen osuutta 8 15 päivän kuluttua hyödön aloittamisesta 24 29 %, mutta käsittelyiden väliset erot tasoittuivat hyödön loppuun mennessä. Lisäksi kaksinkertaiset ProCa-käsittelyt vähensivät kukkien määrää 29 44 % 33 65 päivää hyödön alusta, mutta erot tasoittuivat hyödön loppuun mennessä. Käsittelyt eivät vaikuttaneet Tulameen-lajikkeen silmujen puhkeamiseen ja kukintaan. Satopotentiaalissa ei ollut eroa ProCa-käsittelyiden välillä kummallakaan lajikkeella. Glen Ample -lajikkeella hankaversojen kokonaismäärä väheni 27 32 % kasveilla, joita oli käsitelty kaksi kertaa ProCa:lla. Hankaversot olivat kuitenkin vastaavasti 29 43 % pidempiä. Tulameen-lajikkeella ProCa 100 -käsittely vähensi hankaversojen määrää 15 %, mutta hankaversojen pituuteen käsittelyillä ei ollut vaikutusta. Käsittelyillä ei ollut vaikutusta hankaversojen nivelvälien pituuteen kummallakaan lajikkeella. Tutkimuksen perusteella kesällä annetulla ProCa-käsittelyllä voidaan lyhentää pääverson pituutta, mutta satopotentiaaliin käsittelyllä ei ole vaikutusta. Käsittelyajankohta on kriittinen, koska kukkasilmujen kehitys näyttäisi häiriintyvän, jos ruiskutus tehdään loppukesällä.

Mehiläisten (Apis mellifera) kukkavierailut mansikalla (Fragaria x ananassa) ja vadelmalla (Rubus idaeus) sekä kukkavierailuihin vaikuttavat tekijät

Hyönteispölytys lisää monien ristipölytteisten viljelykasvien siemensatoa sekä parantaa sadon laatua. Marjakasveilla, kuten mansikalla ja vadelmalla marjojen koko suurenee sekä niiden laatu paranee onnistuneen pölytyksen seurauksena. Aiempien havaintojen mukaan mansikan kukat eivät pääsääntöisesti houkuttele mehiläisiä, kun taas vadelma on yksi mehiläisten pääsatokasveista. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, miten tehokkaasti mehiläiset vierailevat mansikalla sekä vadelmalla, keskittyen kukkakohtaisiin käynteihin tuntia kohti. Mehiläisiä voidaan käyttää Gliocladium catenulatum-vektoreina torjuttaessa mansikan ja vadelman harmaahometta (Botrytis cinerea). Kukkavierailujen perusteella arvioidaan, onko vektorilevitys riittävän tehokas torjumaan harmaahometta ja miten hyvin mehiläisiä voidaan käyttää pölytyspalveluihin, etenkin mansikalla. Havainnot kerättiin kuudelta eri tilalta Sisä-Savosta kesällä 2007. Kukkavierailuja laskettiin mansikan ja vadelman kukinnan aikana erilaisissa sääolosuhteissa, eri kellonaikoina ja eri etäisyyksillä mehiläispesistä. Kukat valittiin satunnaisesti, ja valintaperusteena oli kukan avonaisuus. Tarkkailuaika riippui mehiläisten lentoaktiivisuudesta. Mansikan koko havaintojakson keskiarvoksi tuli 1,75 käyntiä kukkaa kohti tunnissa. Vadelmalla vastaava luku oli 4,27, joten keskiarvojen perusteella vadelma oli houkuttelevampi kuin mansikka. Kasvukauden vaiheella ei ollut eroja vierailuihin kummallakaan kasvilla, mutta vuorokaudenajan suhteen vierailuja oli enemmän aamupäivällä kuin iltapäivällä. Lämpötila korreloi positiivisesti vierailutiheyden kanssa kummallakin kasvilla. Sääolosuhteet rajoittivat havaintojen keräämistä ja kesä oli erittäin sateinen. Mehiläiset vierailivat kukissa riittävästi haastavissakin sääolosuhteissa niin, että harmaahometorjunta onnistui. Vektorilevitystä suunnitellessa, etenkin mansikalla, tulee ottaa huomioon pesien sijoittelu sekä riittävä lukumäärä. Pesien ravinnontarpeen tulee olla suuri, jotta mehiläiset keräisivät ravintoa kukista mahdollisimman tehokkaasti. Pesiin voidaan lisätä tarvittaessa avosikiöitä tai poistaa siitepölyvarastoja ravinnonkeruuaktiivisuuden lisäämiseksi. Lisätutkimusta tarvitaan pesien sijoittelun, kilpailevien kasvien sekä mansikkalajikkeiden houkuttelevuuden vaikutuksesta vierailutiheyteen. Suomalaisten mansikkalajikkeiden meden sekä siitepölyneritystä olisi myös hyvä selvittää.

Effect of phenolic-rich plant materials on protein and lipid oxidation reactions

The antioxidant activity of natural plant materials rich in phenolic compounds is being widely investigated for protection of food products sensitive to oxidative reactions. In this thesis plant materials rich in phenolic compounds were studied as possible antioxidants to prevent protein and lipid oxidation reactions in different food matrixes such as pork meat patties and corn oil-in water emulsions. Loss of anthocyanins was also measured during oxidation in corn oil-in-water emulsions. In addition, the impact of plant phenolics on amino acid level was studied using tryptophan as a model compound to elucidate their role in preventing the formation of tryptophan oxidation products. A high-performance liquid chromatography (HPLC) method with ultraviolet and fluorescence detection (UV-FL) was developed that enabled fast investigation of formation of tryptophan derived oxidation products. Byproducts of oilseed processes such as rapeseed (Brassica rapa L.), camelina (Camelina sativa) and soy meal (Glycine max L.) as well as Scots pine bark (Pinus sylvestris) and several reference compounds were shown to act as antioxidants toward both protein and lipid oxidation in cooked pork meat patties. In meat, the antioxidant activity of camelina, rapeseed and soy meal were more pronounced when used in combination with a commercial rosemary extract (Rosmarinus officinalis). Berry phenolics such as black currant (Ribes nigrum) anthocyanins and raspberry (Rubus idaeus) ellagitannins showed potent antioxidant activity in corn oil-in-water emulsions toward lipid oxidation with and without β-lactoglobulin. The antioxidant effect was more pronounced in the presence of β-lactoglobulin. The berry phenolics also inhibited the oxidation of tryptophan and cysteine side chains of β-lactoglobulin. The results show that the amino acid side chains were oxidized prior the propagation of lipid oxidation, thereby inhibiting fatty acid scission. In addition, the concentration and color of black currant anthocyanins decreased during the oxidation. Oxidation of tryptophan was investigated in two different oxidation models with hydrogen peroxide (H2O2) and hexanal/FeCl2. Oxidation of tryptophan in both models resulted in oxidation products such as 3a-hydroxypyrroloindole-2-carboxylic acid, dioxindolylalanine, 5-hydroxy-tryptophan, kynurenine, N-formylkynurenine and β-oxindolylalanine. However, formation of tryptamine was only observed in tryptophan oxidized in the presence of H2O2. Pine bark phenolics, black currant anthocyanins, camelina meal phenolics as well as cranberry proanthocyanidins (Vaccinium oxycoccus) provided the best antioxidant effect toward tryptophan and its oxidation products when oxidized with H2O2. The tryptophan modifications formed upon hexanal/FeCl2 treatment were efficiently inhibited by camelina meal followed by rapeseed and soy meal. In contrast, phenolics from raspberry, black currant, and rowanberry (Sorbus aucuparia) acted as weak prooxidants. This thesis contributes to elucidating the effects of natural phenolic compounds as potential antioxidants in order to control and prevent protein and lipid oxidation reactions. Understanding the relationship between phenolic compounds and proteins as well as lipids could lead to the development of new, effective, and multifunctional antioxidant strategies that could be used in food, cosmetic and pharmaceutical applications.

Dietary modulation of β-catenin signalling in an experimental model of colon cancer

Colorectal cancer is among the major cancers and one of the leading causes of cancer-related deaths in Western societies. Its occurrence is strongly affected by environmental factors such as diet. Thus, for preventative strategies it is vitally important to understand the mechanisms that stimulate adenoma growth and development towards accelerated malignancy or, in contrast, attenuate them to remain in quiescence for periods as long as decades. The main objective of this study was to investigate whether diet is able to modulate β-catenin signalling related to the promotion or prevention of intestinal tumourigenesis in an animal model of colon cancer, the Min/+ mouse. A series of dietary experiments with Min/+ mice were performed where fructo-oligosaccharide inulin was used for tumour promotion and four berries, bilberry (Vaccinium myrtillus), lingonberry (Vaccinium vitis-idaea), cloudberry (Rubus chamaemorus) and white currant (Ribes x pallidum), were used for tumour prevention. The adenomas (Apc-/-) and surrounding normal-appearing mucosa (Apc+/-) were investigated separately due to their mutational and functional differences. Tumour promotive and preventive diets had opposite effects on β-catenin signalling in the adenomas that was related to the different adenoma growth effects of dietary inulin and berries. The levels of nuclear β-catenin and cyclin D1 combined with size of the adenomas in the treatment groups suggests that diets induced differences in the cancerous process. Adenomas progressing to malignant carcinomas are most likely found in the sub-groups having the highest levels of β-catenin. On the other hand, adenomas staying quiescent for a long period of time are most probably found in the cloudberry or white currant diet groups. The levels of membranous E-cadherin and β-catenin increased as the adenomas in the inulin diet group grew, which could be a result of the overall increase in the protein levels of the cell. Therefore, the increasing levels of membranous β-catenin in Min/+ mice adenomas would be undesirable, due to the simultaneous increase in oncogenic nuclear β-catenin. We propose that the decreased amount of membranous β-catenin in benign adenomas of berry groups also means a decrease in the nuclear pool of β-catenin. Tumour promotion, but not the tumour prevention, influenced β-catenin signalling already in the normal appearing mucosa. Inulin-induced tumour promotion was related to β-catenin signalling in Min/+ mice, and in WT mice changes were also visible. The preventative effects of berries in the initiation phase were not mediated by β-catenin signalling. Our results suggest that, in addition to the number, size, and growth rate of adenomatous polyps, the signalling pattern of the adenomas should be considered when evaluating preventative dietary strategies.

Berry phenolics: isolation, analysis, identification, and antioxidant properties

The main objectives in this thesis were to isolate and identify the phenolic compounds in wild (Sorbus aucuparia) and cultivated rowanberries, European cranberries (Vaccinium microcarpon), lingonberries (Vaccinium vitis-idaea), and cloudberries (Rubus chamaemorus), as well as to investigate the antioxidant activity of phenolics occurring in berries in food oxidation models. In addition, the storage stability of cloudberry ellagitannin isolate was studied. In wild and cultivated rowanberries, the main phenolic compounds were chlorogenic acids and neochlorogenic acids with increasing anthocyanin content depending on the crossing partners. The proanthocyanidin contents of cranberries and lingonberries were investigated, revealing that the lingonberry contained more rare A-type dimers than the European cranberry. The liquid chromatography mass spectrometry (LC-MS) analysis of cloudberry ellagitannins showed that trimeric lambertianin C and sanguiin H-10 were the main ellagitannins. The berries, rich in different types of phenolic compounds including hydroxycinnamic acids, proanthocyanidins, and ellagitannins, showed antioxidant activity toward lipid oxidation in liposome and emulsion oxidation models. All the different rowanberry cultivars prevented lipid oxidation in the same way, in spite of the differences in their phenolic composition. In terms of liposomes, rowanberries were slightly more effective antioxidants than cranberry and lingonberry phenolics. Greater differences were found when comparing proanthocyanidin fractions. Proanthocyanidin dimers and trimers of both cranberries and lingonberries were most potent in inhibiting lipid oxidation. Antioxidant activities and antiradical capacities were also studied with hydroxycinnamic acid glycosides. The sinapic acid derivatives of the hydroxycinnamic acid glycosides were the most effective at preventing lipid oxidation in emulsions and liposomes and scavenging radicals in DPPH assay. In liposomes and emulsions, the formation of the secondary oxidation product, hexanal, was inhibited more than that of the primary oxidation product, conjugated diene hydroperoxides, by hydroxycinnamic acid derivatives. This indicates that they are principally chain-breaking antioxidants rather than metal chelators, although they possess chelating activity as well. The storage stability test of cloudberry ellagitannins was performed by storing ellagitannin isolate and ellagitannins encapsulated with maltodextrin at different relative vapor pressures. The storage stability was enhanced by the encapsulation when higher molecular weight maltodextrin was used. The best preservation was achieved when the capsules were stored at 0 or 33% relative vapor pressures. In addition, the antioxidant activities of encapsulated cloudberry extracts were followed during the storage period. Different storage conditions did not alter the antioxidant activity, even though changes in the ellagitannin contents were seen. The current results may be of use in improving the oxidative stability of food products by using berries as natural antioxidants.

Annales Societatis zoologicae-botanicae Fennicae Vanamo tom. 13

Tiivistelmien kieli saksa.