An apple a day... FLAVOnoide in Nahrungsmitteln und ihre Wirkungen auf den Menschen MARTIN SAGASSER FAKULTÄT FÜR BIOLOGIE // FACULTY OF BIOLOGY

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1 MARTIN SAGASSER FAKULTÄT FÜR BIOLOGIE // FACULTY OF BIOLOGY An apple a day... FLAVOnoide in Nahrungsmitteln und ihre Wirkungen auf den Menschen FLAVOnoids in Fruits and Vegetables: Their Impact on Food Quality, Nutrition and Human Health BI.RESEARCH // AN APPLE A DAY... 21

2 22 Herz-Kreislauf-Erkrankungen gehören zu den häufigsten Todesursachen in westlichen Ländern. Allein in den Staaten der Europäischen Gemeinschaft fordern sie jedes Jahr mehr als 1,9 Millionen Tote. Wer viel Obst und Gemüse isst, verringert nachweislich sein Krankheitsrisiko. Die gesundheitsfördernde Wirkung einer solchen Ernährung ist vermutlich zu einem großen Teil auf Flavonoide zurückzuführen. Im EU- Projekt FLAVO (Abb. 1) haben sich 18 Forschungsteams aus neun Ländern zusammengeschlossen, um die Bildung und die Wirkungen von Flavonoiden zu untersuchen. Ziel des Projektes ist es, Methoden zu entwickeln, die zu gesünderen Früchten und Nahrungsmitteln mit optimierten Flavonoidgehalten führen. Flavonoide sind in fast allen Pflanzen enthalten. Sie dienen als Signalmoleküle, Schutzpigmente sowie als Frucht- und Blütenfarbstoffe und beeinflussen so ganz wesentlich die Farbe und den Geschmack vieler pflanzlicher Nahrungsmittel. Zu den häufigsten Flavonoiden gehören die Proanthocyanidine (PA). Verschiedene klinische Studien haben gezeigt, dass PA das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen verringern können. Äpfel sind reich an PA. Die Bäume, an denen sie wachsen, benötigen allerdings viel Platz und Zeit für ihre Entwicklung und haben sehr große Genome, was die Untersuchung der Funktionen einzelner Gene und ihrer Varianten sehr erschwert. Am Lehrstuhl für Genomforschung führen wir Cardiovascular diseases constitute the main cause of mortality in Western countries. They cause more than 1.9 million deaths a year in the European Union. There is considerable evidence supporting a role for flavonoids in contributing to the health benefits associated with consumption of diets rich in fruits and vegetables or foods and beverages derived thereof. In the EU project FLAVO (fig. 1) 18 research groups from nine countries have teamed up to study the impact of flavonoids on food quality and nutrition. The overall objective of the project is to provide the necessary knowledge and tools to enable development of high quality, consumer-desirable fruits and derived foods containing flavonoids at levels that are optimal for human health. Flavonoids are present in nearly every plant. They serve as signal molecules, protective agents and most prominently fruit and flower pigments and thus have a high impact on colour and taste of plant derived foods. Proanthocyanidins (PAs) constitute a major fraction of the total flavonoids ingested in the Western diet. There is consistent evidence from short-term clinical trials supporting a role for PAs in maintaining cardiovascular function, and decreasing cardiovascular disease risk. Apples are a good source for PAs but not a suitable system for genetic analysis due to the long life cycle and high space requirements of the trees they come from. Therefore, like in many other labs, plant work at the Chair of Genome Research is done on a model system. The tiny weed Arabidopsis thaliana (mouse-ear cress) reproduces in only a few weeks and offers a small and fully sequenced genome. This allows us to efficiently identify and characterize genes involved in PA biosynthesis and its regulation and to apply this knowledge to apple. Looking for molecular switches We are interested in genes which code enzymes required for PA formation as well as for their regulators. During plant development or as a reaction to signals from the outside, genes get switched on and off as required in certain tissues. On the molecular level this switching is performed by proteins called transcription factors which bind to specific DNA sequences. These proteins form families with often more then 100 hardly distinguishable members in plants. Therefore one of the questions we try to answer is which factor is responsible for

3 daher viele unserer Arbeiten an einer Pflanze durch, die einfacher zu handhaben ist, der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Sie ist sehr klein, hat eine Generationsdauer von nur wenigen Wochen und ein vergleichsweise einfaches Genom, dessen vollständige Sequenz bekannt ist. In dieser Pflanze suchen wir nach Genen, die an der Biosynthese von PA und ihrer Regulation beteiligt sind, und versuchen, die so gewonnenen Erkenntnisse auf den Apfel zu übertragen. Molekulare Schalter gesucht Wir interessieren uns für Gene, die für Enzyme kodieren, die zur PA- Bildung benötigt werden. Darüber hinaus suchen wir aber vor allem nach den molekularen Schaltern, die die Aktivität dieser Gene in einzelnen Geweben oder als Antwort auf Umweltbedingungen steuern. Dabei handelt es sich um Transkriptionsfaktoren, also Proteine, die an bestimmte DNA-Sequenzen binden und so Gene an- oder abschalten. In Pflanzen gehören diese Proteine zum Teil zu Familien, die weit über 100 kaum voneinander unterscheidbare Mitglieder haben. Eine der Fragen, denen wir nachgehen, ist daher, welcher Faktor welchen Prozess reguliert. Zur Beantwortung dieser Frage untersuchen wir zum Beispiel Mutanten, in denen einzelne Schritte der Bildung von PA oder ihrer Regulation gestört sind (Abb. 2). Mit Hilfe der Informationen, die wir in A. thaliana gewonnen haben, suchen wir nach ähnlichen Genen in Apfel. Deren Funktionen können wir dann wiederum in A. thaliana überprüfen. Von Arabidopsis zum Apfel und zurück Für Gene, deren Beteiligung an der PA-Bildung in der Apfelfrucht wir nachweisen konnten, versuchen wir molekulare Marker zu entwickeln. Mit Hilfe solcher Marker lässt sich feststellen, ob im Genom einer Pflanze bestimmte Eigenschaften, zum Beispiel die Anlage für einen erhöhten Gehalt oder eine veränderte Zusammensetzung der PA, vorhanden sind. Züchter, die allein mit klassischen Methoden arbeiten, müssen bei der Entwicklung neuer Sorten nach jedem Kreuzungsversuch warten, bis die Pflanzen ausgewachsen sind, um sie auf die gewünschten Eigenschaften hin zu untersuchen. Bei Verwendung molekularer Marker dagegen lassen sich Kreuzungen viel gezielter planen und die erwünschten Merkmale in der Nachkommenschaft eindeutig und frühzeitig feststellen. Dies ist besonders wichtig, wenn es um sehr komplexe Eigenschaften geht, die durch mehr als ein Gen which process. Among the tools we use to address this question are Arabidopsis plants that carry mutations in various steps of flavonoid biosynthesis or its regulation (fig. 2). The knowledge gained in the model system is used to identify homologous genes in apple. In turn, the function of apple genes can easily be tested in Arabidopsis. From Arabidopsis to apple and back Genes with an established role in PA formation are chosen for the development of molecular markers. Such markers can be used to determine if a given plant is genetically predisposed for a trait of interest like elevated or changed PA content. In conventional breeding, occurrence of the desired trait has to be tested phenotypically after each cross. The use of molecular markers allows genotype testing already at a very early stage in plant development significantly speeding up the development of new varieties. FLAVO - a multidisciplinary project In the context of FLAVO the strategy outlined above is also applied to grape and strawberry. But FLAVO comprises not only genomic approaches. Other groups try to improve analytical methods for flavonoid determination or to optimize the production of cider, wine and jam with respect to PA content (fig. 3). The fermentation, absorption and metabolism of PAs are studied as well as their impact on oxidative stress and cardiovascular functions. Finally, the project involves consumer studies regarding the acceptability of novel food products and measures in order to communicate the health promoting effects of PAs to the public. This includes a web page that contains further information on flavonoids and the FLAVO project at 23

4 bestimmt werden. Mit dem Einsatz der markergestützten Züchtung kann die Entwicklung neuer Sorten erheblich verkürzt werden. FLAVO ist multidisziplinär Die hier für den Apfel beschriebene Vorgehensweise wird im Rahmen von FLAVO auch bei Weintrauben und Erdbeeren angewandt. Im Projekt finden jedoch nicht nur Arbeiten im Bereich der Genomforschung statt. Es wird auch versucht, Methoden zur Bestimmung von Flavonoidgehalten zu verbessern oder die Herstellung von Cidre, Wein und Marmelade im Hinblick auf deren PA-Gehalt zu optimieren (Abb. 3). Die Verdauung von Flavonoiden im menschlichen Darm wird untersucht sowie ihre Wirkung auf tierische Zellen und Gefäßfunktionen. Auch Studien zur Akzeptanz optimierter Nahrungsmittel beim Verbraucher gehören zum Projekt und schließlich die Vermittlung von Informationen über die gesundheitsfördernden Wirkungen von Flavonoiden, z.b. auf flavo.vtt.fi, der Website des Projektes Abb. 1 // Logo des FLAVO-Projektes. FLAVO ist ein EU-Projekt des 6. Rahmenprogramms mit dem Ziel, Erkenntnisse zu gewinnen und Methoden zu entwickeln, die es erlauben, gesündere Früchte und Nahrungsmittel mit optimierten Flavonoidgehalten zu erzeugen. Aufbauend auf Daten aus dem Modellsystem A. thaliana (Samen oben links) finden Arbeiten an Weintrauben, Erdbeeren und Apfel statt. Abb. 2 // Keimlinge von A. thaliana Pflanzen, in denen unterschiedliche Schritte der Flavonoidsynthese blockiert sind (B-D) im Vergleich zum Wildtyp (A). Aufgrund der Defekte häufen sich in den Mutanten Zwischenstufen des Stoffwechselweges an. Diese können angefärbt und durch ihre Fluoreszenz unter UV-Licht sichtbar gemacht werden. Mit Hilfe solcher Mutanten wird erforscht wie in A. thaliana die Bildung von Flavonoiden gesteuert wird. Die gewonnenen Erkenntnisse können dann auf Nutzpflanzen wie den Apfel übertragen werden. Abb. 3 // Teebeutel der Firma Lipton mit Hinweis auf dessen hohen Flavonoidgehalt. Gesündere Nahrungsmittel sind eines der Ziele von FLAVO. Fig. 1 // FLAVO Logo. FLAVO is an European Union 6th Framework Project with the aim to provide knowledge, tools and methods to enable development of high quality, consumer-acceptable fruits, vegetables, foods and beverages containing flavonoids at levels that are optimal for human health. Building on data from the model system A. thaliana (seeds, upper left), the focus is on grapes, strawberries and apple. Fig. 2 // Seedlings of A. thaliana plants mutated in various steps of flavonoid biosynthesis (B-D) in comparison to wild type (A). A specific staining procedure allows distinguishing mutants that accumulate different pathway intermediates based on their fluorescence in UV light. Mutant analysis is the method of choice to assign functions to genes and the corresponding proteins. Fig. 3 // Lipton teabag emphasizing its high flavonoid content. Fruit derived foods and beverages containing flavonoids at levels that are optimal for human health are one of the aims of FLAVO. 24

5 FLAVO Flavonoids in fruits and vegetables: their impact on food quality, nutrition and human health Instrument: Coordinator: Partners: Duration: Specific Targeted Research Project Institut National de la Recherche Agronomique (France) 14 Partners from 9 countries (Finland, France, Germany, Italy, Netherlands, Poland, Spain, Switzerland, United Kingdom) 36 months // MARTIN SAGASSER // BERND WEISSHAAR Dr. Martin Sagasser studierte Biologie an der Technischen Universität Braunschweig. Am Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln promovierte er über die Regulation der Bildung von Pflanzenfarbstoffen. Er arbeitete in einem Wissenschaftsverlag und ist seit 2003 Mitarbeiter am Lehrstuhl für Genomforschung an der Universität Bielefeld. Seine Forschung zielt vor allem auf die Aufklärung der Funktion einiger neuartiger regulatorischer Proteine in Pflanzen. Dr. Martin Sagasser studied Biology at the Technical University of Braunschweig. He did his PhD on the regulation of a flavonoid biosynthesis at the Max-Planck-Institute for Plant Breeding Research in Cologne. Having worked for a science publisher in between he joined the Chair of Genome Research at Bielefeld University in His current research aims at the characterization of a novel class of regulatory plant proteins. Dr. Bernd Weisshaar ist seit 2003 Professor für Genomforschung an der Universität Bielefeld. Er ist Sprecher des Insituts für Genomforschung (IfG) im Bielefelder Centrum für Biotechnologie (CeBiTec) und leitet das FLAVO-Projekt an der Universität Bielefeld. Dr. Bernd Weisshaar is professor for Genome Research at Bielefeld University since He is speaker of the Institute for Genome Research (IfG) at the Bielefeld Center for Biotechnology (CeBiTec) and conducts the FLAVO Project at Bielefeld University. 25