Phytochemistry and bioactivity of halophytic grasses from Ria de Aveiro : the case study of Spatina spp. and Puccinellia maritima

Abstract

Soil salinity has been continuously increasing and nowadays is considered a serious threat to global food security and sustainability. We argue that halophytic grasses could be the answer to this problem, since (1) they thrive under salinity environments and (2) in response to salt stress, an overproduction of some important chemical compounds is observed, from which arises the possibility of their exploitation as nutraceutics by the food, pharmaceutical, and cosmetic industries. The first step to test this hypothesis is to study their chemical profile and biological activities. Taking this into consideration, this project approaches the phytochemistry and biological activities of Spartina maritima (Curtis) Ferland, Spartina patens (Aiton.) Muhl. and Puccinellia maritima (Hudson) Parl., three halophytic grasses from Ria de Aveiro whose chemical composition and bioactivities are completely unknown. Within this work, the lipophilic and polyphenolic profile of the studied halophytic grasses were uncovered. In the first case, the hexane extracts of S. maritima and P. maritima were analyzed by GC-MS leading to the identification of 72 compounds, revealing a rich lipophilic composition. Regarding the polyphenolic profile of S. maritima, S. patens, and P. maritima, their ethanol extracts were analyzed by UHPLC-MS leading to the identification of 65 compounds. The extracts were dominated by flavones and hydroxycinnamic acids, highlighting their potential. Additionally, a clear link between overproduction of some of the identified chemical families and/or compounds and salinity stress was achieved. These compounds possess a wide range of biological activities and are associated with high nutraceutical values. Aiming to assess the bioactivities of the polyphenolic extracts of the three taxa, their antimicrobial, antioxidant and inhibition of acetylcholinesterase activities were assayed. S. patens showed the best antioxidant activity. Regarding antimicrobial activity, S. patens showed inhibition of Listeria innocua NCTC™ 11288 and P. maritima of Candida albicans NCPF 3255. At last, the polyphenolic extracts of all studied species did not show inhibition of acetylcholinesterase capacity. Moreover, aiming to optimize a suitable extraction of chlorophylls, an important family of compounds, from the three studied taxa, several extraction techniques were applied. Through the results obtained it was verified that the microwave-assisted extraction is the most suitable method for chlorophyll extraction in these plants. Furthermore, the photophysical properties of the extracts were evaluated in order to assess their potential as photosensitizers for application in photodynamic therapy. All extracts showed remarkable photostability and singlet oxygen generation. In conclusion, the results herein achieved support the hypothesis that the studied species could bring advantages in the reclaim of degraded soils for possible exploitation by pharmaceutical and food industries. Moreover, these are the first reports on the phytochemistry and biological activities of the studied species.

Atualmente, o aumento constante da salinidade dos solos constitui uma das maiores ameaças para a segurança e sustentabilidade alimentar. Uma proposta para superar esta ameaça é a utilização de gramíneas halófitas, uma vez que (1) elas prosperam sob condições de elevada salinidade e (2) apresentam uma sobreprodução de compostos químicos importantes como resposta ao stress salino, surgindo assim a possibilidade da exploração nutracêutica destas espécies pelas indústrias alimentar, farmacêutica e cosmética. O primeiro passo para confirmar esta hipótese é o estudo do seu perfil químico e das suas potenciais atividades biológicas. Por este motivo, este trabalho aborda a fitoquímica e as atividades biológicas de Spartina maritima (Curtis) Ferland, Spartina patens (Aiton.) Muhl. e Puccinellia maritima (Hudson) Parl., três halófitas gramíneas da Ria de Aveiro cuja composição química e bioatividade são completamente desconhecidas. Neste projeto, o perfil lipofílico e polifenólico das halófitas gramíneas sob estudo foram revelados. No primeiro caso, os extratos de hexano de S. maritima e P. maritima foram analisados por GC-MS, o que resultou na identificação de 72 compostos, revelando uma composição lipofílica diversificada. No segundo caso, os extratos de etanol de S. maritima, S. patens e P. maritima foram analisados por UHPLC-MS o que resultou na identificação de 65 compostos. Os extratos de etanol apresentam maioritariamente derivados de flavonoides e ácidos hidroxicinâmicos, compostos com potencial biológico relevante. De facto, estes compostos possuem uma grande gama de atividades biológicas e estão associados a elevados valores nutracêuticos. Adicionalmente, foi estabelecida uma relação clara entre algumas das famílias químicas presentes e/ou compostos identificados e o stress salino sentido pela planta. Com o objetivo de avaliar as bioatividades dos extratos polifenólicos dos três taxa sob estudo, procedeu-se à avaliação das suas atividades antimicrobiana, antioxidante e de inibição da acetilcolinesterase. S. patens demonstrou ter a melhor atividade antioxidante. Relativamente à atividade antimicrobiana, S. patens exibiu inibição de Listeria innocua NCTC™ 11288 e P. maritima de Candida albicans NCPF 3255. Por fim, os extratos polifenólicos de todas as espécies não apresentam capacidade de inibição da acetilcolinesterase. Com o intuito de potenciar a valorização dos três taxa sob estudo, procedeuse à otimização do processo de extração das clorofilas presentes, através da variação das técnicas de extração empregues. Da análise dos resultados obtidos, a extração assistida por micro-ondas revelou-se o método mais adequado para a extração de clorofilas a partir destas plantas. Para além disso, o potencial dos extratos clorofílicos para atuarem como fotossensibilizadores foi avaliado através do estudo das suas propriedades fotofísicas. Todos os extratos demonstraram fotoestabilidade e capacidade de geração de oxigénio singleto. Em suma, os resultados obtidos suportam a hipótese da utilização destas espécies na reivindicação dos solos degradados para possível exploração pelas indústrias farmacêutica e alimentar. Para além disso, este é o primeiro relato da fitoquímica e atividade biológica destas espécies.