Influence of genetic and environmental factors on yerba mate metabolites with a focus on saponins

Abstract

Resumo: As folhas de erva-mate possuem uma diversidade de compostos, muitos com reconhecidos efeitos bioativos. Entre estes, destacam-se as saponinas, as metilxantinas e os polifenóis. Estudos demonstraram que fatores intrínsecos (genética, idade da folha e sexo da planta, por exemplo) e ambientais (luminosidade, nutrição, entre outros) interferem nos teores de metilxantinas e polifenóis da erva-mate; entretanto, ainda há muitas lacunas de pesquisa referente às saponinas e aos metabólitos primários. Neste estudo, folhas maduras de nove clones de erva-mate provenientes de dois testes clonais (geograficamente distantes e com diferentes sistemas de cultivo – pleno sol e sombreado) foram coletadas em duas estações do ano (inverno e verão). Estas folhas foram secas em micro-ondas e trituradas mecanicamente até atingir granulometria menor que 1 mm, para determinação do teor de saponinas totais e obtenção dos espectros de Infravermelho Médio (MIR) e Próximo (NIR). Para quantificação de saponinas totais nas folhas da espécie, foi necessária a otimização do método espectrofotométrico vanilina-ácido sulfúrico. Dessa forma, o Capítulo 1 desta tese aborda a metodologia de amostragem de folhas, os principais parâmetros para ajustes do método espectrofotométrico e também traz resultados preliminares analisando quatro cultivares clonais de erva-mate, com diferenças significativas entre elas. O Capítulo 2 possui como objetivo analisar os efeitos de clones, épocas de colheita e sítios de cultivo (9 x 2 x 2) sobre o teor de saponinas totais, estimando os parâmetros genéticos e predizendo os valores genotípicos. Os resultados demonstraram forte controle genético sobre este caráter, com elevadas herdabilidade e acurácia de seleção. Os valores genotípicos para os teores de saponinas totais variaram de 28,13 (Yari) a 51,54 (BRS 409) mg g-1 de massa seca, e a seleção de clones com baixos ou altos teores de saponinas é indicada dependendo da finalidade industrial da matéria-prima. Este foi o primeiro estudo realizado com avaliação genotípica de compostos bioativos em testes clonais da espécie. E no Capítulo 3, a análise multivariada ANOVA Common Dimensions (AComDim) foi empregada para unir os espectros MIR e NIR em um modelo global e determinar a variação atribuída por cada fator analisado e as interações entre eles. A maior parte da variação foi determinada pela época de colheita e pelo sítio (ambos com 7%), seguida pela interação entre estes fatores (5,7%), e pelo efeito de clones (4%). Por esta técnica de bioespectroscopia foi possível detectar as bandas de absorção mais determinantes para cada fator, sendo estas relacionadas a moléculas do metabolismo primário vegetal. Assim, as técnicas bioespectroscópica, quimiométrica e estatística aplicadas foram efetivas e possuem potencial de aplicação para padronizar a matéria-prima ainda em campo e no controle de qualidade na indústria.

Abstract: Yerba mate leaves contain a wide diversity of compounds, many of which exhibit well documented bioactive effects. Among these, saponins, methylxanthines, and polyphenols stand out. Numerous studies have demonstrated that intrinsic factors (such as genetics, leaf age, and plant sex) and environmental conditions (such as light availability and nutrient supply) influence the levels of methylxanthines and polyphenols in yerba mate. However, there are still significant research gaps concerning saponins and primary metabolites. In this study, mature leaves from nine yerba mate clones, originating from two clonal trials (geographically distant and cultivated under different systems – full sun and shade), were collected during two seasons (winter and summer). The leaves were microwave-dried and mechanically ground into granulometry less than 1 mm to determine total saponin content and acquire Mid-Infrared (MIR) and Near-Infrared (NIR) spectra. Quantification of total saponins in the leaves required optimization of the vanillin-sulfuric acid spectrophotometric method. Accordingly, Chapter 1 of this thesis presents the leaf sampling methodology, key parameters for adjusting the spectrophotometric method, and preliminary results analyzing four yerba mate clonal cultivars, with significant differences between them. Chapter 2 aims to assess the effects of clones, harvest seasons, and cultivation sites (9 x 2 x 2) on total saponin content, as well as to estimate genetic parameters and predict genotypic values for this trait. This represents the first study to analyze genetic parameters of bioactive compounds in clonal trials of the species. The results indicate strong genetic control over this trait, with high heritability and selection accuracy. Genotypic values for total saponin content ranged from 28.13 (Yari) to 51.54 (BRS 409) mg g 1of dry mass, and the selection of clones with either low or high saponin levels is recommended depending on the intended industrial application of the raw material. In Chapter 3, the multivariate analysis technique ANOVA Common Dimensions (AComDim) was applied to combine MIR and NIR spectra into a global model and to determine the variation attributable to each factor and their interactions. The greatest variation was explained by harvest season and site (both 7%), followed by their interaction (5.7%), and the clone effect (4%). This biospectroscopic approach allowed identification of the absorption bands most affected by each factor, which were primarily associated with molecules from the plant primary metabolism. Thus, the applied biospectroscopic, chemometric, and statistical techniques proved to be effective and show potential for standardizing raw material in the field and for quality control in the industry