Distribution of foliar plant polyphenols across the plant phylogeny

Abstract

In this multidisciplinary thesis, thousands of plant species were screened to study their major foliar polyphenol groups and their distribution across the plant kingdom. While plants produce thousands of polyphenol compounds primarily for defensive purposes, current research has predominantly focused on health benefits of certain species and compounds, often employing variable methodologies. In contrast, older large-scale chemotaxonomy studies were limited by the methods available at the time. This study addresses these gaps by employing a comprehensive plant screening approach with updated and consistent methodologies throughout the data.

The first part of this thesis establishes a basis for extensive plant screening. A novel graphical method was developed to examine species-specific quantitative and qualitative variations in polyphenol profiles and their seasonal changes. It was observed that while the species expressed certain levels of quantitative variation, the polyphenol profile remained recognizable. The seasonal changes were relatively subtle and most of the changes were detected in the species producing ellagitannins and proanthocyanidins. Additionally, linking the polyphenol results to significant bioactivities revealed specific compound types that influence these activities. The findings from various plant species suggest that plant collection methods used in large-scale plant screening, which do not strictly define timing and use pooled samples from multiple individuals, effectively represent the species.

The second part of this thesis integrates chemical data from hundreds of plant families with contemporary plant phylogenies, providing a biological context for the chemical findings. It was observed that the distribution of eight polyphenol groups likely reflects key evolutionary events in plants at deeper phylogenetic levels, while ongoing ecological processes influence polyphenol profiles at lower levels closer to the species level. Flavonol derivatives, quinic acid derivatives and proanthocyanidins were the most widely distributed polyphenol classes, while hydrolysable tannins were even more restricted to specific clades than previously assumed. Within these main classes, the biosynthetically simpler subgroups were more frequently observed compared to biosynthetically later counterparts.

<b>Kasvien lehtien polyfenolien fylogeneettinen jakautuminen</b>

Tässä poikkitieteellisessä väitöskirjassa kartoitettiin tuhansien kasvilajien lehtien pääpolyfenoliyhdisteryhmiä ja niiden jakautumista kasvikunnassa. Vaikka kasvit tuottavat polyfenoleja pääasiassa puolustustarkoituksiin, nykyinen tutkimus on keskittynyt lähinnä yksittäisten kasvilajien ja yhdisteiden terveysvaikutuksiin käyttäen vaihtelevia menetelmiä. Toisaalta vanhempia laaja-alaisia kemotaksonomiatutkimuksia rajoitti saatavilla olevat menetelmät. Tämä tutkimus pyrkii täydentämään näitä puutteita kattavalla kasvikunnan kartoittamisella hyödyntäen uusia ja yhteneviä menetelmiä koko aineistolle.

Väitöskirjan ensimmäisessä osassa luotiin pohja laajalle kasvikunnan kartoitukselle. Uusi visuaalinen työkalu kehitettiin kartoittamaan lajityypillistä polyfenoliprofiilien kvantitatiivista ja kvalitatiivista vaihtelua ja niiden kausittaista muutosta. Havaittiin, että lajien polyfenoliprofiilien kvantitatiivisesta vaihtelusta huolimatta lajiprofiilit pysyivät tunnistettavina. Havaitut kausittaiset vaihtelut olivat melko vähäisiä, ja suurimmat muutokset näkyisät lajeilla, jotka tuottivat ellagitanniineja ja proantosyanidiineja. Lisäksi polyfenolitulosten yhdistäminen merkittäviin bioaktiivisuuksiin paljasti poikkeavia yhdistetyyppejä aktiivisuuksien taustalla. Useiden kasvilajien tulokset vahvistavat, että laajassa kasvien kartoituksessa käytetyt keräysmenetelmät, jotka eivät ole tiukasti keräysaikaan sidottuja ja joissa näyte koostuu useammasta kasviyksilöstä, kuvaavat hyvin tutkittavaa kasvilajia.

Väitöskirjan toinen osa yhdisti satojen kasviheimojen kemiallisen aineiston nykyaikaisiin kasvien fylogeneettisiin sukupuihin, mikä tarjosi biologisen kontekstin kemiallisille tuloksille. Havaittiin, että kahdeksan polyfenoliryhmän jakautuminen todennäköisesti heijastaa suuria evolutiivisia tapahtumia kasvikunnan vanhemmissa haaroissa, mutta nykyiset ekologiset prosessit vaikuttavat polyfenoliprofiileihin lähempänä lajitasoa. Flavonolijohdannaiset, kviinihappojohdannaiset ja proantosyanidiinit olivat laajimmin levittäytyneitä polyfenoliluokkia, kun taas hydrolysoituvien tanniinien esiintyminen oli jopa oletettua rajoittuneempaa vain tiettyihin kasviryhmiin. Näiden pääluokkien sisällä havaittiin, että biosynteettisesti yksinkertaisemmat alaryhmät olivat yleisempiä verrattuna vastaaviin, biosynteettisesti seuraaviin ryhmiin.