Investigations into the secondary metabolite profile and bioactivity characteristics of various Achillea species grown under different environmental conditions

Abstract

Various Achillea species, including common yarrow Achillea millefolium L., are known to be rich in bioactive substances and are important medicinal plants in modern phytotherapy. In contrast, the alpine species Achillea atrata L. has hardly been studied so far regarding its bioactive compounds and the concomitant potential for human health. Having this in mind, the present work combined studies on the cultivation of A. atrata in different habitats with the phytochemical characterization of its secondary metabolite profile aiming at the generation of plant material with a defined and consistent phenolic profile suitable for pharmaceutical application. Particular emphasis was put on potential relationships between phytochemical profile and bioactivity, and these parameters were considered in comparison with other Achillea species. The results presented in this thesis reveal that the cultivation of A. atrata can be realized at sites differing significantly in altitude and, consequently, in their climatic conditions. Environmental conditions were found to have only a minor impact on the secondary metabolite profile. Rather, differences of various chemotypes might be more decisive. However, the contents of individual phenolic components, especially phenolic acids, is strongly dependent on environmental factors and reach their maximum at increasing altitude levels. Significant differences in the occurrence of the identified phenolic compounds were found between flowers and leaves. In addition to the previously mentioned studies, A. millefolium, Achillea moschata Wulfen, and A. atrata were compared with respect to their phenolic profile and antibacterial activity against gram-positive bacterial strains (Staphylococcus, Propionibacterium). A. atrata showed more similarities in the secondary metabolite profile with the alpine A. moschata than with A. millefolium. The two alpine Achillea species only differed in the occurrence of four compounds. All three aforementioned Achillea species reduced the growth of the tested bacteria. A. atrata showed the highest activity against Propionibacterium acnes and Staphylococcus epidermidis, which are involved in the development of the skin disease Acne vulgaris. In addition, A. atrata exhibited pronounced anti-MRSA potential. Bioassay-guided fractionation of the corresponding extracts revealed that the high antimicrobial activity was due to the flavonoids apigenin, centaureidin, and nevadensin, which were detected exclusively in the most polar fraction and were present in high amounts in A. atrata. Additional studies on the bioactivity and phytochemistry of A. atrata proved that this species exhibits higher antioxidant activity compared to A. millefolium, which was significantly correlated with its total phenolic content. Further bioassay-guided fractionation confirmed the correlation between the mentioned flavonoids in the most polar fraction and the high antioxidant capacity of A. atrata. In conclusion, A. atrata may be an alternative source for the development of novel herbal drugs, based on its compound and bioactivity characteristics.

Zahlreiche Achillea-Arten, darunter die Gemeine Wiesen-Schafgarbe Achillea millefolium L., sind für ihre Reichhaltigkeit an bioaktiven Substanzen bekannt und stellen somit wichtige Heilpflanzen in der modernen Phytotherapie dar. Im Unterschied dazu wurde die alpine Art Achillea atrata L. bislang kaum hinsichtlich ihrer bioaktiven Inhaltsstoffe und dem damit zusammenhängenden Potenzial für die menschliche Gesundheit untersucht. Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit Untersuchungen zur Kultivierung von A. atrata in verschiedenen Habitaten mit der phytochemischen Charakterisierung ihres Sekundärstoffprofils kombiniert mit dem Ziel, Pflanzenmaterial mit einem definierten und konstanten Polyphenolprofil zu generieren, welches sich für eine Anwendung zu pharmazeutischen Zwecken eignet. Ein besonderer Fokus wurde auf mögliche Zusammenhänge zwischen phytochemischem Profil und Bioaktivität gelegt, und diese Parameter wurden vergleichend für verschiedene Achillea-Arten bewertet. Die in der hier vorliegenden Arbeit dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die Kultivierung von A. atrata an Standorten möglich ist, die sich in ihrer Höhenlage und damit auch in ihren klimatischen Bedingungen signifikant voneinander unterscheiden. Es zeigte sich, dass die Umweltbedingungen nur einen geringen Einfluss auf das Profil der Sekundärmetaboliten haben. Vielmehr dürften die Unterschiede verschiedener Chemotypen entscheidender sein. Der Gehalt einzelner phenolischer Komponenten, insbesondere der Phenolcarbonsäuren, ist jedoch stark von Umweltfaktoren abhängig und erreicht mit zunehmender Höhenlage sein Maximum. Signifikante Unterschiede im Vorkommen der identifizierten phenolischen Verbindungen wurden zwischen den Blüten und Blättern festgestellt. Zusätzlich zu den bereits erwähnten Untersuchungen wurden A. millefolium, Achillea moschata Wulfen, und A. atrata hinsichtlich ihres Phenolprofils und ihrer antibakteriellen Aktivität gegenüber gram-positiven Bakterienstämme (Staphylococcus, Propionibacterium) verglichen. Hierbei wies A. atrata im Sekundärmetabolitenprofil mehr Gemeinsamkeiten mit der ebenfalls alpinen A. moschata auf als mit A. millefolium. Die beiden alpinen Achillea-Arten unterschieden sich nur im Vorkommen von vier Verbindungen. Alle drei untersuchten Achillea-Arten hemmten das Wachstum der getesteten Bakterien. A. atrata zeigte die höchste Aktivität gegenüber Propionibacterium acnes und Staphylococcus epidermidis, die an der Entstehung der Hauterkrankung Akne vulgaris beteiligt sind. Zudem wies A. atrata ein ausgeprägtes Anti-MRSA-Potenzial auf. Eine Bioassay-geleitete Fraktionierung der entsprechenden Extrakte zeigte, dass die hohe antimikrobielle Aktivität auf die Flavonoide Apigenin, Centaureidin und Nevadensin zurückzuführen ist, welche ausschließlich in der polarsten Fraktion nachgewiesen werden konnten und die in A. atrata in hohen Mengen vorhanden sind. Zusätzliche Untersuchungen zur Bioaktivität und Phytochemie von A. atrata belegten, dass diese Art eine höhere antioxidative Aktivität als A. millefolium aufweist, welche signifikant mit ihrem Gesamtphenolgehalt korrelierte. Eine weitere Bioassay-geleitete Fraktionierung bestätigte den Zusammenhang zwischen den bereits genannten Flavonoiden in der polarsten Fraktion und der hohen antioxidativen Kapazität von A. atrata. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass A. atrata basierend auf ihrer inhaltsstofflichen Zusammensetzung und ihrer stark ausgeprägten Bioaktivität eine weitere Quelle für die Entwicklung neuartiger pflanzlicher Arzneimittel sein könnte.