Kanchana Dumri

Chemical Analyses of Non-Volatile Flower Oils and Related Bee Nest Cell linings

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt der Naturwissenschaftlichen Fakultät II der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 08.05.2008

Abstract
Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen zur chemischen Zusammensetzung von nichtflüchtigen Blütenölen, insbesonde von ölsekretierenden Pflanzen der Familien Cucurbitaceae, Iridaceae, Malpighiaceae, Orchidaceae, Myrsinaceae and Scrophulariaceae. Die Hauptverbindungen der Blütenöle, die aus freien Fettsäuren, (3R)-Acetoxyfettsäuren, partiell acetylierten Dihydroxyfettsäuren sowie Mono-, Di- und Triacylglycerolen bestehen, wurden mittels ESI-FTICR-MS und GC/EI-MS analysiert. Die identifizierten Acylglycerole besitzen ein oder zwei Acetylreste und eine einfache langkettige Fettsäure oder eine Mono- oder Diacetoxyfettsäure (Oxidation an C-3 und/oder C-9). Die in verschiedenen Stadien (knospig, blühend und abgeblüht) gesammelten ölproduzierenden Blüten von Heteropterys chrysophylla (Malpighiaceae) wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die TEM-Aufnahmen zeigen deutlich, dass sowohl Zahl als auch Größe der Lipidtröpfchen während der Blütenentwicklung zunehmen. Während sich die großen Lipidtröpfchen vor allem in der Blühphase in der Umgebung der Mitochodrien befinden, konnten im abgeblühten Stadium nur noch wenige beobachtet werden.
Basierend auf Untersuchungen mittels GC-EIMS, ESI-FTICR-MS and LC-ESI-MS/MS wurden im Bienennest Biotransformationsprodukte von Monoacylglyceriden aus Lysimachia punctata (Myrsinaceae), die durch weibliche Bienen der ölsammelnden solitären Spezies Macropis fulvipes (Melittidae) gebildet werden, analysiert. Diese neu gebildeten Verbindungen entstehen durch Umesterung eines Monoacylglycerols des Lysimachia Blütenöls mit einer weiteren 3-Hydroxyfettsäure. Neben der möglichen Bildung von 1,2- und 1,3-Diglycerolen konnte erstmals auch eine Veresterung über die 3-Hydroxygruppe des Fettsäureteils (Oligoesterbildung) nachgewiesen werden. In vitro Experimente mit L. punctata Öl, das mit Labialdrüsensekret von M. fulvipes behandelt ist, weisen neue Intermediate auf, die bereits die relevanten Strukturmerkmale der neu gebildeten Bienennestbestandteile aufweisen. Damit konnte erstmalig die Bedeutung der Labialdrüsensekrete für diese Biotransformationsprozesse bewiesen werden, was deren wichtige Rolle beim Nestbau von M.  fulvipes zeigt.

The chemical constituents of non-volatile floral oils secreted by specialized flowers belonging to plants of the families Cucurbitaceae, Iridaceae, Malpighiaceae, Orchidaceae, Myrsinaceae and Scrophulariaceae were investigated by both ESI-FTICR-MS and GC/EI-MS techniques. These oils consist of fatty acids, (3R)-acetoxy fatty acids, partially acetylated dihydroxy fatty acids and mono-, di-, and triacylglycerols. The identified acylglycerols possess one or two acetyl residues and one long chain fatty acid, or a mono- or diacetoxy fatty acid (oxidation at C-3 and/or C-9). Transmission electron microscopy (TEM) observations were performed to study the origin of the flower oils. The calyx gland of Heteropterys chrysophylla (Malpighiaceae) revealed large lipid droplets located around the mitochondria during the blooming stage, whereas only some small lipid droplets were present in the cytoplasm at the senescence stage.
A chemical study dealing with the biotransformation of the oil constituents from Lysimachia punctata (Myrsinaceae) by solitary oil-collecting females of the bee Macropis fulvipes (Melittidae) in the course of the nest cell lining preparation was carried out with GC/EI-MS, ESI-FTICR-MS and LC-ESI-MS/MS techniques. New compounds were formed by hydrolysis and transesterification of the monoacylglycerols of the Lysimachia oil. Besides the possible formation of a 1,2-and/or 1,3-diglycerols, an oligoester formation with a coupling via the 3-hydroxy group of the 3-hydroxy fatty acid moiety could be shown. In vitro experiments of L. punctata oil treated with M. fulvipes labial gland secretion have revealed novel intermediate compounds. This establishes for the first time the role of the labial gland secretion of M.  fulvipes as a biocatalyst for the nest cell lining formation.

Keywords:
nichtflüchtige Blütenöle, Bienennestbestandteile, Acylglycerole, Labialdrüsen, oxidierte Fettsäuren, GC/EI-MS, ESI-FTICR-MS

non-volatile flower oil, bee nest cell lining, acylglycerols, labial gland, oxidized fatty acids, GC/EI-MS, ESI-FTICR-MS

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Inhaltsverzeichnis
Front page, Contents, Abbreviations, Summary, Zusammenfassung, List of compounds, Aims of Study (1, i-vi; 1-9)
1 General Introduction (10-20)
2 Non-Volatile Floral Oils of Diascia spp. (Scrophulariaceae) (21-36)
3 Chemical and Ecological Aspects of Floral Oil Secondary Metabolites (37-72)
4 Ontogeny of Heteropterys chrysophylla (Malpighiaceae) Calyx Glands (73-83)
5 From Flowers and Bees: the Chemical Relation Between Lysimachia & Macropis (84-102)
6 Materials and Methods (103-114)
References (115-123)
Appendix (19 Seiten)