LEDitGROW - Beleuchtungssysteme zur Optimierung von Pflanzenzellkulturen für die Sekundärmetabolit-Produktion

Beuel, Ann-Katrin; Commandeur, Ulrich Heinrich; Schillberg, Stefan Johannes

doi:10.18154/RWTH-2022-09555

LEDitGROW - Beleuchtungssysteme zur Optimierung von Pflanzenzellkulturen für die Sekundärmetabolit-Produktion = LEDitGROW - Lighting systems to optimize plant cell cultures for secondary metabolite production

Beuel, Ann-Katrin^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ann-Katrin Beuel, Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Commandeur, Ulrich Heinrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Schillberg, Stefan Johannes (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-10-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-09555
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/854447/files/854447.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
LEDitSHAKE (frei) ; Licht (frei) ; Pflanzenzellkulturen (frei) ; design of experiments (frei) ; pflanzliche Sekundärmetabolite (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Pflanzliche Sekundärmetabolite, die beispielsweise in Kosmetikprodukten, aber auch als Lebensmittelzusatzstoffe zum Einsatz kommen, können in Pflanzenzellkulturen (PZK) hergestellt werden. Um die Ausbeute von Sekundärmetaboliten in PZK mit Licht zu erhöhen, wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Beleuchtungssysteme für PZK entwickelt: LEDitREST (LiR) für Kalluskulturen und LEDitSHAKE 2.0 (LiS 2.0) für Suspensionskulturen. Beide Systeme erlauben die individuelle Kontrolle des Lichtspektrums, der Intensität und der Beleuchtungsdauern. Mit LiR können 24 verschiedene Lichtbedingungen parallel genutzt werden, LiS 2.0 ermöglicht die Verwendung von 12 verschiedenen Lichtbedingungen in nur einem Schüttelinkubator. Um zu ermitteln, ob ein möglicher Einfluss von Licht mit spezifischen Wellenlängen auf PZK mit LiR und LiS 2.0 verlässlich untersucht werden kann, wurden vier Fragestellungen formuliert und mit Hilfe von statistischer Versuchsplanung am Beispiel verschiedener PZK beantwortet: Hat Licht einen Einfluss auf a) die Biomassebildung während der Etablierung einer Suspensionskultur; b) die Biomassebildung einer etablierten Suspensionskultur; c) den Sekundärmetabolismus einer Suspensionskultur; d) die Gesamtprozessentwicklung einer PZK? Durch die Verwendung der Beleuchtungssysteme wurde die Biomassebildung während der Etablierung einer Elsbeere-Suspensionskultur beschleunigt (Verdoppelung der Biomassebildung bei optimierter Lichtbedingung gegenüber der Standard-Bedingung). Außerdem wurde die Biomassebildung von traditionell im Dunkeln kultivierten Tabak BY2-Zellen bei Kultivierung unter rotem Licht signifikant erhöht: nach einwöchiger Kultivierung bildeten die optimal beleuchteten Kulturen fast 1,4 mal mehr Biomasse, als die in Dunkelheit kultivierten Zellen. Des Weiteren wurde der Anthocyangehalt in Weintrauben-Suspensionskulturen durch die Verwendung der optimalen Lichtbedingungen um bis zu 130% (Cyanidin-Glucosid) gegenüber der Standard-Kultivierungsbedingung gesteigert. Im Rahmen der Arbeit wurden zusätzlich Bockshornklee-Zellkulturen in LiR und LiS 2.0 neu hergestellt und der 4-HIL-Gehalt dieser Kulturen durch Licht positiv beeinflusst: drei Kulturen wurden etabliert, die eine 50 - 130% höhere 4-HIL-Produktivität haben, als die mit der konventionellen Methode (Etablierung der Kulturen entweder bei nur weißem Licht im Lichtregal/Lichtschüttler oder Kultivierung in Dunkelheit) hergestellten Kulturen. Dabei wurde eine Steigerung der Biomassebildung sowie der Sekundärmetabolite durch die Anpassung der Lichtbedingungen erreicht, ohne die Anwendung von bekannten Strategien wie Elizitation oder genetische Modifikation. Dies ist ein großer Vorteil, da gerade im Lebensmittel- und Kosmetikbereich die Nutzung von genetisch modifizierten Inhaltsstoffen unerwünscht ist. Der Einfluss von Licht auf PZK, insbesondere auf Suspensionskulturen, konnte somit durch Nutzung der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Beleuchtungssysteme bestätigt werden.

Plant secondary metabolites, which are used for example in cosmetic products, but also as food additives, can be produced in plant cell cultures (PCCs). In the context of this thesis two lighting systems for PCCs were developed in order to increase the secondary metabolite yield in PCCs by using light of specific wavelengths: LEDitREST (LiR) for callus cultures and LEDitSHAKE 2.0 (LiS 2.0) for suspension cultures. Both systems allow individual control of the light spectrum, intensity and duration of the illumination. With LiR 24 different light conditions can be used in parallel, while LiS 2.0 allows 12 different light conditions to be used in just one shaker incubator. To determine whether a possible influence of light of specific wave lengths on PCCs can be reliably investigated with LiR and LiS 2.0, four questions were formulated and answered using statistical experimental design on the example of different PCCs: Does light have an effect on a) the biomass formation during the establishment of a suspension culture; b) the biomass formation of an established suspension culture; c) the secondary metabolism of a suspension culture; d) the overall process development of a PCC? Using the lighting systems accelerated biomass formation during the establishment of a serviceberry suspension culture (doubling of biomass formation under optimized light condition compared to standard condition). In addition, biomass formation of tobacco BY2 cells (traditionally cultured in the dark) was significantly increased when cultivated under red light: after one week of cultivation, the optimally illuminated cultures formed almost 1.4 times more biomass than the cells cultivated in darkness. Furthermore, anthocyanin content in grape suspension cultures was increased by up to 130% (cyanidin glucoside) by using the optimal light conditions compared to the standard cultivation condition. As part of the thesis, additionally fenugreek cell cultures were newly established in LiR and LiS 2.0, and the 4-HIL content of these cultures was positively affected by light: three cultures were established that featured a 50-130% higher 4-HIL productivity than cultures generated using the conventional method (establishment of cultures either with only white light in a light rack/shaker or cultivation in darkness). In these cases, an increase in biomass formation as well as secondary metabolite content was achieved by adjusting the light conditions without using alternative strategies such as elicitation or genetic modification. This is a major advantage, as the use of genetically modified ingredients is undesirable, especially in the food and cosmetic sectors. The influence of light on PCCs, especially on suspension cultures, could thus be confirmed by using the lighting systems developed in this thesis.

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