NUTRISOL. Biofortificazione di prodotti di base nella dieta mediterranea

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1 Biofortificazione di prodotti di base nella dieta mediterranea Miglioramento delle proprietà igienico-sanitarie, salutistiche e funzionali di commodity per l alimentazione dell uomo e/o degli animali NUTRISOL Italian-Israeli initiative for the nutritional improvement of Solanaceous crops G. Mandolino

2 Quali sono i geni responsabili della sintesi dei metaboliti di ortaggi e frutta dotati di effetti positivi per la salute e quindi del loro valore nutrizionale? Qual è la struttura di tali geni? Quali sono i fattori che regolano la loro espressione? Tre casi-studio: pomodoro, arancio, patata

3 1. Pomodoro

4 Il frutto di pomodoro come fonte di metaboliti dall elevato valore nutrizionale Chinoni (Vit K) Glucosio, Fruttosio Licopene β-carotene (provit A) Glutammato ed altri amminoacidi Acido Ascorbico (Vit C) Folati (Vit B)

5 15-cis phytoene 9-9 -di-cis-ζ-carotene 4x Isopentenyl diphosphate OPP IPI, GGPS 2x GGPP OPP PSY1, PSY2, PSY3 PDS, Z-ISO apricot, at Hirschberg, unpublished data yellow flesh, r Fray et al., 1993 Delta, Del Ronen et al., 2002 δ-carotene cis-lycopene trans-lycopene LCY-e LCY-b ZDS CrtISO β- carotene LCY-b tangerine, t Isaacson et al., 2002 CHY1 CHY2 LUT5 OH Beta, B Ronen et al., 2000 white flower, wf Galpaz et al., 2006 α-carotene HO lutein Perdita di Funzione Guadagno di Funzione LUT1 LUT5 OH HO zeaxanthin HO violaxanthin HO neoxanthin O OH ZEP NXS??? VDE O O OH OH

6 Analisi LC-DAD-MS dei carotenoidinella collezione di mutanti ENEA r Del IPP GGPP fitoene fitofluene licopene δ-carotene β-carotene luteina pro-licopene t at B wf β-β-xantofille μg/gr DW Fitoene Pro-licopene δ-carotene t wt t B at, r Del Fitofluene Licopene β-carotene B wt t wt at, r, B wt Del B at,r,t wf, Del at, r,t Luteina Del t β β-xantofille wt r, t, B wt, B wf at, r, Del MG Br B+10 MG Br B+10

7 Livello di alcaloidi in varietàdi pomodoro cresciute in condizioni pedoclimatichedifferenti Fold ISTD Livello di amminoacidi in varietàdi pomodoro sottoposte a processing Analisi LC-ESI-MS di metaboliti polari in varietàdi pomodoro cresciute in condizioni pedoclimatichediverse o sottoposte a processamento(develonutri, FP6) Fold ISTD

8 2. Arancio

9 ANTOCIANINE cianidina-3-glucoside cianidina-3-(6 -malonil)-glucoside delfinidina-3-glucoside cianidina-3-soforoside delfinidina-3-(6 -malonilglucoside) peonidina-3-(6 -malonilglucoside) cianidina-3-(6 -diossialilglucoside) Le antocianine determinano particolari qualità attrattive del frutto per il loro colore rosso brillante, ma esercitano un ruolo ancora più importante per le loro proprietà farmacologiche e antiossidanti.

10 Contenuto dei parametri salutistici nel germoplasma pigmentato e biondo Acido Ascorbico (mg/100ml) Unità ORAC (µmolite/100m) Polifenoli totali (mg/l) Antocianine totali (mg/l) Tarocco 61,4 A 1734,5 C 771,2 BC 16,7 C Moro 46,2 BC 2839,0 B 817,8 BC 127,3 B Sanguinello e Doppio Sanguigno 61,5 A 1973,3 C 912,0 B 18,9 C Ibridi pigmentati di mandarino 32,2 C 6726,1 A 1504,2 A 545,5 A Navel 51,7 B 1494,6 C 775,5 BC - Valencia 57,8 AB 1384,7 C 739,9 BC - Vaniglia 29,5 C 1117,8 C 564,8 C - Germoplasma pigmentato * 59, 4 A 2033,9 A 823,0 a 44,8 Germoplasma biondo ** 50,5 B 1428,3 B 744,1 b -

11 Geni Strutturali chs(calcone sintasi) dfr(diidroflavonol 4-reduttasi) ans(antocianidina sintasi) ufgt(udp-glucose:flavonoid 3-O-glucosiltransferasi) gst(glutatione S-transferasi). Geni Regolatori combinazione di due diverse famiglie di fattori trascrizionali, c-myb e bhlh; l interazione tra MYB e bhlh e il coinvolgimento di proteine regolatrici con dominio WD40 è il meccanismo attraverso cui si sviluppa la regolazione della biosintesi delle antocianine e delle proantocianidine

12 L espressione del gene regolatore Rubydetermina l accumulo di antocianine nei frutti

13 Variazioni allelichedel gene regolatore Ruby(in fucsia), del suo retrotrasposone(grigio) e delle LTR (verde) in differenti specie di agrumi, in varie accessioni di arancio e suoi ibridi

14 OTA 9 Ar. Doppio Sanguigno AMOA 8 Tarocco TDV Tarocco Tapi Nuc Tarocco Tringali Nuc. C 3169

15 3. Patata

16 1,2 1,0 0,8 Factor Loadings, Factor 1 vs. Factor 2 Rotation: Unrotated Extraction: Principal components Andean Sunrise Isci 105/7-8 Papa Pura 0,6 Factor 2 0,4 0,2 Fontane 0,0-0,2 Daifla Golden (17) Mayan Gold Isci 5/03-1 E60 Laura -0,4 S.chaco -0,6-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Factor 1

17 Genotipo Specie Ploidia Contenuto di carotenoidi (µg/g DW) Yema de Huevo S. phureja 2 n n.d. Andean Sunrise,,,, Papa Pura,,,, Inserire: foto tuberi ISCI 105/7-8,,,, Mayan Gold,,,, E60 S. tuberosum 4 n Fontane,,,, Laura,,,, ISCI 5/03-1,,,, Daifla,,,, S. chacoense S. chacoense 2 n

18 Il pathwaydella biosintesi dei carotenoidi CHYE LCYE a-carotene Lutein IPP GGPP Phytoene ζ-carotene Lycopene LCYB CHYB PSY1, PSY2 PDS ZDS CRTISO ß-Carotene Zeaxanthin Carotenoids CCD1A CCD1B CCD4 Apocarotenoids ZEP Antheraxanthin VED PSY Phytoene synthase PDS Phytoene desaturase ZDS ζ-carotene desaturase CRTISO Carotenoid isomerase LCYB Lycopene ß-cyclase LCYE Lycopene e-cyclase CHYB ß-carotene hydroxylase CHYE e-carotene hydroxylase ZEP Zeaxanthin epoxidase VDE Violaxanthin de-epoxidase NSY Neoxanthin synthase NCED 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase CCD Carotenoid cleavage dioxygenase NCED ABA NSY Violaxanthin Neoxanthin

19 bp 400 A C M P E I5 I105 D L Frammento di 302 bp amplificato con i primer CHY2ex4F+ Beta-R822 2 siti AluI nell allele 3 1 sito AluI in tutti gli altri alleli 237 : altri alleli chy2 (recessivi) : Chy2 allele 3 (dominante) 100 A Andean Sunrise C S. chacoense M Mayan Gold P Papa Pura E E60 I 5 ISCI5/03-1 I 105 ISCI105/7-8 D Daifla L - Laura Variabilità al locus chy2 Identificazione dell allele 3 mediante marcatore CAPS

20 Laura E60 Daifla ISCI5/03-1 Fontane Papa pura S. chacoense Mayan Gold Andean Sunrise 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 Espressione del gene chy chy2 expression (fold change relative to Daifla)

21 Zeaxantina. Valore nutrizionale. Valore commerciale colore della pasta del tubero 50 Andean S. Papa Pura 0 ISCI 105/7-8 Mayan Gold E60 Fontane Laura ISCI 5/03-1 Daifla S. chacoense zeaxanthin total carotenoids β-carotene Zeaxantina CHY2 ZEP

22 Gli alleli al locus zep, che determinano l accumulo o meno della zeaxantina (A) AWZEP 26 AWZEP 25 AWZEP 20 allele zep 1, recessivo Caratterizzato da: -trasposonedi 4102 bpnel primo introne -delezionedi 49 bpnel 4 introne (B) tutti gli altri alleli Zep(dominanti) Caratterizzati da: β-carotene -Assenza del trasposonenel primo CHY2 introne - Assenza della Zeaxantina delezione nel 4 introne ZEP

23 bp A C M P I5 I105 D Analisi della presenza del trasposone bp 572 Primers AWZEP25/ AWZEP20 Amplificazione degli alleli Zep dominanti (B) senza trasposone Primers AWZEP25/ AWZEP26 Amplificazione dell allele recessivo zep 1(A) con il trasposone

24 Genotipo Ploidia Zeaxantina (µg/g DW) % carotenoidi totali Aplotipo Chy2 : chy2 Aplotipo Zep : zep Yema de Huevo 2 n n.d. n.d. n.d. n.d Andean Sunrise,, , : 1 0 : 2 Papa Pura,, , : 1 0 : 2 ISCI 105/7-8,, , : 1 0 : 2 Mayan Gold,, , : 1 1* : 1 E60 4 n , : 1 4 : 0 Fontane,, , : 2 4 : 0 Laura,, , : 2 4 : 0 ISCI 5/03-1,, , : 1 4 : 0 Daifla,, , : 4 4 : 0 S. chacoense 2 n : 2 2*: 0

25 Gruppi di Lavoro CRA-ACM Acireale Reforgiato Recupero G. Recupero S. Russo G. Licciardello C. Russo M.P. Pietro Paolo D. Rapisarda P. Fabroni S. Amenta M. Rizza G. Rizzo V. ENEA Centro La Casaccia Roma Giuliano G. Diretto G. Sulli M. JOHN INNES CENTRE Norwich Butelli E. Zhang Y. Mackay S. Bailey P. Martin C. CRA-CIN Bologna Mandolino G. Sturaro M. Parisi B. Onofri C. Pacifico D.

26 GRAZIE PER L ATTENZIONEL ATTENZIONE