Different regulation of target genes coding components of phenolics compounds biosynthesis pathways and their accumulations in apple and olive mutants

Abstract

The growing interest from nutritionist and consumers for food phytochemicals has opened new challenges for agriculture and food industries, particularly towards functional foods. Spontaneous mutants of cultivated species characterized by high phytochemicals content represent important resources both for scientific and productive purpose. In these researches, spontaneous mutants of apple and olive species have been investigate to evaluate their use as functional food or as scientific tools for the comprehension of biochemical and molecular mechanism, which regulate polyphenol biosynthesis and accumulation. The apples of Italian Red Passion (IRP) group, having red to pink coloration of flesh tissues, have been investigated, with particular attention to their nutraceutical value, their sensorial attributes and consumer’s preferences. IRP apples group are characterized by higher polyphenols content compared to commercial apple such as Annurca. The higher polyphenols content of IRP flesh is due to a general increase in qualitative and quantitative content of many polyphenols classes, including chlorogenic acids, flavan-3-ols, dihydrochalcones and anthocyanins. The high polyphenol content did not affect the sensorial attributes of IRP apples and the analysis of consumers’ preferences for red-flesh apples highlight the propensity of consumers to taste and purchase the new apple product, mainly guided by their high nutraceutical values. From scientific viewpoint, IRP apple lines represent an important tools for the comprehension of genetic and biochemical mechanism regulating phenolics compounds accumulation in apple fruit. Molecular analysis confirm the belonging of IRP lines to type I red-flesh apple group, characterized by the minisatellites insertion in MdMYB10 promoter region, which confer trans-activation of MYB10 itself. However, as demonstrated by in dept transcriptional analysis, the presence of mutated MYB10 alone is not able to explain the different apple phenotypes regarding red pigmentation. The different expression of other upstream regulator of flavonoid pathway, such as MdbHLH3/33 genes between IRP apples might indicate a functional diversity not directly associated with MYB mutation. Some evidences have been found about the role of epigenetic regulators, such as mdo-miR858, in the regulation of MYB genes regulating specific branches of flavonoid pathways. The mutant’s cv Leucocarpa is characterized by the colorless phenotype of mature drupe. This feature make this cultivar an excellent tool to investigate genetic mechanism, which regulate flavonoid biosynthesis in drupe. Molecular and metabolic analysis have demonstrated that anthocyanins biosynthesis in olive is regulated by a specific subset of structural genes (OeDFR and OeANS) temporally regulated during olive drupe development and ripening. In addition, the potential use of NIR spectroscopy to measure olive firmness and pigments content has been evaluated, obtaining promising results. Finally, preliminary studies have been reported about the abundance of plant small-RNA that might have the putative ability to regulate human health, in olive and apple fruit and some derived products. The integration of food technology with recent advances in human nutrition may help to expand the concept of fruit quality to include other molecules, such as specific classes of small-RNA, characterized by a potential benefit for human health.

Il crescente interesse di nutrizionisti e consumatori per i fitochimici presenti negli alimenti ha aperto nuove sfide per l'agricoltura e l’industria alimentare, in particolare riguardo i cibi funzionali. I mutanti spontanei di specie coltivate caratterizzati da un elevato contenuto di fitochimici rappresentano importanti risorse sia a scopo scientifico che produttivo. In questa ricerca mutanti spontanei di melo e olivo sono stati impiegati sia per la valutazione di un loro impiego come alimento funzionale sia come strumenti scientifici per la comprensione dei meccanismi che regolano la biosintesi e l'accumulo dei composti fenolici. Le mele del gruppo Italian Red Passion (IRP), oltre ad essere caratterizzate dalla colorazione rossa della polpa, presentano un elevato contenuto di polifenoli rispetto alle cultivar commerciali, come Annurca, e una maggiore proprietà antiossidante. Il maggiore contenuto di polifenoli nella polpa delle mele IRP è dovuto a un aumento qualitativo e quantitativo di composti fenolici come flavanoli monomerici e dimerici, acido clorogenico, diidrocalconi e antociani. L'alto contenuto di polifenoli non ha influenzato gli attributi sensoriali delle mele, come dimostrato dall'elevato gradimento complessivo ottenuto nel panel test da molte delle linee IRP, con punteggi molto vicini alle principali mele commerciali. Inoltre, l'analisi delle preferenze dei consumatori riguardo le mele a polpa rossa, ha evidenziato una generale propensione ad assaggiare ed acquistare il nuovo prodotto, principalmente guidati dall’elevato valore nutraceutico delle mele IRP piuttosto che dalla colorazione rossa della polpa. Dal punto di vista scientifico, le mele IRP rappresentano un importante strumento per la comprensione dei meccanismi genetici e biochimici che regolano l’accumulo dei composti fenolici nella mela. Le analisi molecolari confermano l'appartenenza delle mele IRP al tipo I, caratterizzato dall'inserimento di una mutazione nella regione del promotore del gene MdMYB10, che conferiscono trans-attivazione del MYB10 stesso, in ultimo inducente la biosintesi di antociani. Tuttavia, come dimostrato dalle analisi di espressione genica, la presenza della mutazione nel gene MYB10 mutato non è in grado di spiegare i diversi fenotipi. La differente espressione di altri fattori di trascrizione, regolatori a monte del pathway dei flavonoidi, come i geni MdbHLH3/33 potrebbe indicare una diversità funzionale tra le differenti linee non direttamente associata con la mutazione MYB1. La cultivar Leucocarpa è caratterizzata dall’assenza di colorazione delle drupe mature. Questa particolare caratteristica rende questa cultivar un ottimo strumento per indagare i meccanismi genetici che regolano la biosintesi dei flavonoidi in olivo. Le analisi molecolari e dei profili di accumulo di importanti metaboliti hanno permesso di individuare alcuni dei principali geni che regolano il colore dell’oliva, come OeDFR e OeANS, temporalmente regolati durante la maturazione della drupa. E’ stato inoltre valutato il potenziale utilizzo della spettroscopia NIR per misurare la consistenza dell’oliva e soprattutto i pigmenti in essa contenuti, come clorofille, carotenoidi e antociani, ottenendo risultati promettenti in termini di correlazione con il dato misurato per via analitica. Infine sono stati condotti studi preliminari circa la presenza e l'abbondanza di specifiche classi di smallRNA nell’oliva e nella mela e in alcuni prodotti da essi derivati, come l’olio extra-vergine d’oliva, aventi la capacità di regolare geni umani in colture cellulari. L'integrazione delle tecnologie di produzione degli alimenti con i recenti progressi sulla nutrizione umana potrebbe contribuire ad espandere il concetto di iii qualità nella frutta ed includere altre molecole, come specifiche classi di piccoli RNA, recanti un beneficio per la salute umana.