Metabólitos como ferramenta de seleção de erva-mate (Ilex paraguariensis A.St.Hill.) para finsindustriais

Abstract

Resumo: A Ilex paraguariensis A. St. Hill. (erva-mate) tem se destacado como matéria prima para diversos campos industriais, devido a produção de compostos bioativos (metabólitos) que, entre outras propriedades, possuem benefícios medicinais, os quais estão relacionados principalmente, aos compostos fenólicos (e.g. ácidos clorogênicos) e cafeína. Na produção de folhas de erva-mate, a seleção dos plantios clonais tem sido baseada, principalmente, em rendimentos foliar. No entanto, além da produção de biomassa a qualidade das folhas é uma característica importante durante a seleção clonal. Assim, metodologias capazes de fornecer dados em conjunto dos processos que envolvem o metabolismo primário e secundário devem ser utilizadas, para fornecer uma visão geral das condições bioquímicas que envolvem os processos de produção e consumo de compostos bioativos em erva-mate. O objetivo deste trabalho foi usar cG-EM na obtenção do perfil metabólico de erva-mate cultivada em sistema protegido de semi-hidroponia, comparando genótipos diferentes (concentração de cafeína), para avaliar a distribuição dos bioativos frente a fatores como luminosidade, sazonalidade e nutrição, com o intuito de compreender a distribuição dos metabólitos e, futuramente, dar suporte aos programas de melhoramento genético da espécie. Os estudos desse trabalho foram subdividos em três capítulos. O primeiro capítulo abordará a criação e uso de uma biblioteca de dados para a obtenção de um perfil metabólico via CG-EM/IT usando de software livre AMDIS. Com a construção da biblioteca foi possível a identificação de 237 compostos em extrato vegetal de diferentes tecidos de erva-mate. A aplicação da base de dados foi testada em um estudo de caso para avaliar a influência da poda. A partir do perfil metabólico foi constatado que os compostos que mais sofreram alterações significativas (p<0,05) frente à situação de estresse foram: sacarose, frutose, galactose, ácido clorogênico e neo-clorogênico. Os ácidos clorogênicos foram consumidos após lesão em tecido saudável, para produção de antioxidantes como uma resposta de defesa. No capítulo 2 usando clones diferentes (AC1 e BC1), foi testada influência do ciclo circadiano e da sazonalidade do perfil de metabólitos. Os resultados demonstraram que mudanças na regulação cíclica diária foi menos relevante que a sazonalidade, o que pode estar relacionado com a variação luminosa e a temperatura, a qual é acumulativa e diferentes em cada época do ano. Os ácidos clorogênicos foram regulados pelos ritmos circadianos, e consumidos em alta luminosidade evitando a fotoxidação dos tecidos, sendo que os períodos mais quentes do ano estimulam o consumo destes antioxidantes. A cafeína foi altamente influenciada pela plasticidade fenotípica, sendo que sua máxima produção varia com o genótipo durante o ciclo circadiano, com sua catabolização nos primeiros estímulos luminosos. No Capítulo 3, são descritos os resultados da variação na nutrição nitrogenada (206-1146 mg L-1) foi avaliada e o perfil metabólico foi obtido em tecido foliar e radicular de dois clones comerciais IVA 10 e IVA 34. O perfil metabólico demostrou que a assimilação de N está ligada ao ciclo de carbono. A adição de N no sistema de nutrição induziu à salinização e, consequente produção de osmólitos para proteção dos tecidos, dos quais, o ácido málico, se destaca no clone IVA 34, por ser importante contra ânion na absorção de nitrato, indicando, entre outros fatores, maior adaptabilidade deste clone a acréscimos da nutrição por N. A análise de regressão da cafeína (p <0,05) demonstrou que o seu aumento é proporcional ao acréscimo da concentração das doses de N, e este acréscimo foi independente do genótipo. Palavras-chave: Perfil metabólico; erva-mate; fenótipo; nutrição; variação de luminosidade; sazonalidade.

Abstract: Ilex paraguariensis A. St.Hill. (yerba mate) has been outstanding as raw material in different sectors, due to the production of bioactive compounds (metabolites) that, among other properties, have medicinal benefits, which are mainly related to phenolic compounds (e.g. chlorogenic acids) and caffeine. In the production of mate leaves, the selection of clonal plantations has been based mainly on biomass yields. However, in addition to it, the leaf quality is an important feature during clonal selection. Therefore, methodologies capable of providing data in conjunction with processes involving primary and secondary metabolism should be used to provide an overview of the biochemical conditions involved in the production and consumption processes of bioactive compounds in yerba mate. The objective of this work was to use GC-MS to obtain the metabolic profile of yerba mate grown in a protected semi-hydroponic system. Comparing different genotypes (caffeine concentration), to evaluate the distribution of bioactive substances in relation to factors such as luminosity, seasonality and nutrition, in order to understand the distribution of the metabolites and, in the future, to support the breeding programs of the species. This work is subdivided into three chapters. The first chapter will address the creation and use of a data library to obtain a metabolic profile via GC-MS/IT using AMDIS free software. The built library identified 237 compounds in different tissues of plant extracts. The application of the database was tested in a case study to evaluate the influence of pruning. The metabolic profile showed that the most significant changes (p <0.05) were seen in the sucrose, fructose, galactose, chlorogenic and neo-chlorogenic acid. Chlorogenic acids were consumed after injury in healthy tissue, to produce antioxidants as a defense response. In Chapter 2 using clones (AC1 and BC1), the influence of the circadian cycle and the seasonality in the metabolic profile were tested. The results showed that changes in daily cyclic regulation were less relevant than seasonality, which may be related to light variation and temperature, which is cumulative and different at each time of year. The chlorogenic acids were regulated by the circadian rhythms, and consumed in high luminosity, avoiding the photoxidation of the tissues, and the hotter periods of the year, in which a decreasing amount was detected. Caffeine was highly influenced by phenotypic plasticity, and its maximum production varies between genotypes during the circadian cycle, with its catabolization in the first light stimuli. In Chapter 3, nitrogen nutrition (206-1146 mg L-1) was evaluated and the metabolic profile was obtained in the leaf and radicular tissues of two clones (IVA 10 and IVA 34). The metabolic profile showed that N assimilation was strongly related to the carbon cycle. The addition of N in the nutrition system induced salinization and, consequently, the production of osmolytes to protect tissues. The behavior of malic acid is highlighted in IVA 34 out because it counter ion in the nitrate absorption, indicating a greater adaptability of this clone to nutritional additions of N. The caffeine regression analysis (p <0.05) showed a proportional increase with doses of N, and it was independent of the genotype. Keywords: Metabolic profile; yerba mate; phenotype; nutrition; luminosity variation, seasonality.