Alteration in phenylpropanoid metabolism in gamma irradiated potatoes

Summary

Gamma irradiation, up to 10 krad, of potatoes had no effect on the primary defence mechanism at the site of injury in potatoes, namely, the formation of quinones from phenolic acids, but it reduced by 50% the capacity of tubers to synthesize chlorogenic and caffeic acids in the wounded tissue. Of the first two enzymes involved in chlorogenic acid synthesis, irradiation impaired the induction of the second, cinnamic acid-4-hydroxylase (CA-4-H), but the induction of the first, phenylalanine ammonia lyase (PAL), was unaltered. Of the three tissues examined, bud, cortex and parenchyma, the last proved to be most susceptible, an effect that was also dependent on the dose absorbed. An increase in dose from 0 to 200 krad caused a progressive decrease in the induction of CA-4-H, net accumulation of chlorogenic acid, and increased rotting of potatoes stored at room temperature. In contrast, PAL induction gradually increased up to the 50-krad dose and thereafter remained steady.

Zusammenfassung

Gammabestrahlung von Kartoffeln mit der keimhemmenden Dosis von 10 krad ergab beeinträchtigte Wundperiderm-Bildung und beeinflusste deren Widerstandsfähigkeit gegenüber bakterieller Nassfäule. Die biochemische Natur dieser Veränderung wurde durch den Vergleich des Phenolsäure- und des phenylpropanoiden Metabolismus bei gammbestrahlten Kartoffeln bei drei Gewe-betypen untersucht: Keim-(Auge), Rinden-und Parenchym-Gewebe, am Ende von drei Lagerzeiten — 24 Studen, 3 und 6 Wochen.

Tabelle 1 zeigt, dass die Konzentration an Chlorogensäure in bestrahltem Knollenge-webe immer geringer war als die in entspre-chendem unbestrahltem Gewebe, mit Ausnahme von bestrahltem Keim- und Rindengewebe nach 24 Stunden. Der Gehalt an Phenolase, Chlorogensäure und Kaffeesäure in bis zu 8 Wochen gelagerten Kontrollen und bestrahlten Knollen zeigte, dass deren Phenolase-Aktivität gleichermassen abnahm.

Die aktivierung von Abwehrmechanismen in Kartoffelknollen ist ein Ergebnis rapider Synthese und akkumulation von Chlorogensäure, hervorgerufen durch die Induktion von Enzymen des phenylpropanoiden Reaktions-ablaufes im Gewebe, welches das verletzte Gewebe umgibt. Die Kapazität für die Induktion von Phenylalanin-Ammonium-Lyase (PAL), Cinnamonsäure-4-Hydroxylase (CA-4-H) und akkumulierter Chlorogensäure in verschiedenen Gewebearten von bis zu 8 Wochen bei Licht gelagerten Kontrollen und bestrahlten Knollen wurde nach Aufteilung und 20-stündiger Lagerung verglichen. In allen Geweben bestrahlter Kartoffeln ergab sich immer ein 40–70%-iger Rückgang in der Nettosynthese von Chlorogensäure (Tabelle 3, Abb. 1b), verglichen mit nicht-bestrahlten Knollen. Bestrahlung beeinträchtigte nicht die Induktion von PAL (Tabelle 4, Abb. 1a), die CA-4-H-Induktion wurde jedoch negativ beeinflusst. Das am meisten beeinträchtigte Gewebe war das Parenchym, bei dem der Induktionsgrad an CA-4-H weniger als 50% der Kontrolle betrug (Abb. 1b, Tabelle 5). Die maximale Reduktion bei der Chlorogensäure-Synthese wurde ebenfalls im Parenchym beobachtet.

Bei Bestrahlung mit 0, 10, 25, 50 und 100 krad stieg die Kapazität zur PAL-Induktion mit steigender Gammastrahlen-Dosis bis 50 krad an (Abb. 2a), die Kapazität zur Induktion von CA-4-H sank jedoch mit der Dosissteigerung (Abb. 2b) und beeinflusste die Synthese von Chorogensäure entsprechend (Abb. 2c). Letztere Beeinträchtigung war mit ansteigender Neigung zum Faulen der Kartoffeln mit genannten Dosishöhen verbunden und zeigte damit eine Beziehung zwischen dem Rückgang der CA-4-H-Aktivität, der Retardierung der Chlorogensäure- Synthese und dem stärkeren Faulen der Kartoffeln.

Résumé

Les radiations gamma à la dose inhibant la germination (10 krad) provoquent chez les pommes de terre une altération du péridermé de cicatrisation qui affecte leur résistance aux pourritures bactériennes. La nature biochimique de cette modification est étudiée en comparant les niveaux d'acides phénoliques et le métabolisme des phénylpröpanoïdes dans trois types de tissus de tubercules non irradiés et irradiés par les rayons gamma: le bourgeon (oeil), le cortex et le tissu parenchymateux, à la fin de trois périodes de conservation: 24 heures, 3 et 8 semaines.

Le tableau 1 montre que la concentration en acide chlorogénique des tissues de tubercules irradiés est toujours inférieure à celle des tissus de tubercules non irradiés, à l'exception du bourgeon et du cortex après 24 heures. Les taux de phénolase, d'acide chlorogénique et d'acide cafféique dans le témoin et dans les tubercules irradiés montrent qu'après huit semaines de conservation l'activité phénolasique diminue de manière analogue dans toutes les conditions.

L'activation du mécanisme de défense des tubercules résulte d'une rapide synthèse et d'une accumulation d'acide chlorogénique causée par l'induction des enzymes du cycle des phénylpropanoïdes dans les tissus entourant la lésion. Les capacités d'induction de la phénylalanine-ammoniac-lyase (PAL), de l'acide cinnamique-4-hydrolase (CA-4-H) et d'accumulation de l'acide chlorogénique dans les différents tissus du témoin et des tubercules irradiés conservés pendant 8 semaines à la lumière sont comparés après excision et maintien en survie pendant 20 heures. Dans tous les tissus des tubercules irradiés, il y a toujours une diminution de 40% à 70% de la synthèse de l'acide chlorogénique (tableau 3, figure 1b) comparés au témoin. L'irradiation n'entrave pas l'induction de la PAL (tableau 4, figure la) mais celle de la CA-4-H est affectée. Le tissu le plus atteint est le parenchyme pour lequel le taux d'induction de cette dernière est inférieur de 50% au témoin (figure 1b, tableau 5) et la synthèse d'acide chlorogénique ralentie.

Avec l'irradiation à 0, 10, 25, 50 et 100 krad, la capacité d'induction de la PAL augmente parallèlement à l'augmentation des doses de rayons gamma jusqu'à 50 krad (figure 2a), mais la capacité d'induction de la CA-4-H diminue (figure 2b) et affecte la synthèse de l'acide chlorogénique (figure 2c). Ce dernier phénomène se traduit par une tendance à la pourriture des tubercules qui recoivent de telles doses d'irradiation et montre la relation existant entre l'altération de l'activité de la CA-4-H, le ralentissement de la synthèse de l'acide chlorogénique et l'augmentation de la sensibilité à la pourriture des tubercules.