Isoflavone accumulation in soybean cotyledon and hypocotyl

Isoflavone has demonstrated many health benefits due to its weak estrogenic effect. Different isoflavone forms of soybean have its own effect on human health or in plant system. Five different experiments were carried out in order to arrive to most effective factor on isoflavone contents. First was to study 13 varieties under organic and conventional management for 4 years (2005, 06, 07, 08). Second was irrigation and nitrogen application at (R1 in 2006 and R3 in 2007) effect on two varieties (Ales and Nikir). Third was to study the effect of irrigation level on 3 varieties. Fourth was to study the plant density. Fifth was to study the effect of soil type. Isoflavone content was evaluated in both seed organs cotyledon and embryo axis (hypocotyl). In these studies the two major factors affecting the isoflavone contents were cultivar and environment. Conventional management showed high significant value on cotyledon isoflavone but did not influence hypocotyl. Hypocotyl has its own metabolic and physiological controls which can be one of the causes of some genotype by environment interaction that was observed. Hypocotyl is considered a poor source of total isoflavone 10-20% in compared with cotyledon 80-90%. Cotyledon isoflavone of single cultivar may vary up to 100% within years but may show up to 50% between management. However, hypocotyl may vary up to 20% within year and up to 10% between management. Cotyledon contains 30-50% daidzein and 50-70% genistein whereas hypocotyl contains 30-50% daidzein, 15-20% genistein, and 30-50% glycitein depend on the variety. Many varieties showed similarity in their profiles regardless the contents of each variety, which mean similarity of metabolic and the difference only preserved in quantity of expression or presence of gene silence. Maximum and daily range temperature were considered the most effective environment factor in our study. It was notable that varieties were maintaining their ranks among years and both management conventional and organic. Ales and Nikir were different in their response for irrigation in 2007, Ales showed positive accumulation under water supply whereas Nikir showed the contrast which may reveal dependency of water effect on variety. Nitrogen application effect on cotyledon isoflavone contents varied regarding to year of application. Late N application (R3, 2006) caused negative effect on isoflavone accumulation but early (R1, 2007) showed significant increment compared with none fertilized in both variety. Lateral shoot showed stable high significant value about 20% for both seed organs compared with principal shoot. In 2008 level of water supply did not reveal significant effect on isoflavone contents in cotyledon and hypocotyl. Lateral shoot showed 20% greater isoflavone contents for cotyledon and 5% in hypocotyl compared with main shoot. Plant density did not affect isoflavone contents but low density enhance ramification and consequently yield components (n° pod, pod weight and seed dry weight per plant) about 10%. Under both plant density cotyledon and hypocotyl showed higher isoflavone contents on lateral than principal shoot. Soil type showed to be an effective factor for accumulation of isoflavone due to their properties. Cotyledon total isoflavone showed negative correlation with C:N ratio whereas hypocotyl showed slight difference without significance. Interaction is more relevant on cotyledon due to its sensitivity and longer accumulation period of isoflavone compared with hypocotyl. Concluding the relevance of effects on isoflavone of different factors was in order of importance, Variety, seed organs, Environment, pod position on the plant and agronomic practices. Isoflavone contents has showed difference under certain conditions, either positive or negative regardless if that conditions were stress factor or favourable conditions for growth which mainly depend on the variety. Variety interaction with environment may result 100% difference in isoflavone contents whereas other factors may show difference up to 50%. High and low isoflavone varieties can be considered stable in their ranks and they could be recommended to certain line of production either for nutraceutical or infants food production.

In numerose esperienze gli isoflavoni prodotti da soia hanno dimostrato di avere un buon risultato sulla salute dell’uomo grazie al loro effetto come deboli estrogeni ed hanno manifestato di svolgere diversi ruoli nella pianta. Cinque esperimenti sono stati realizzati al fine di individuare i principali fattori che influiscono sul contenuto degli isoflavoni. Il primo era finalizzato allo studio comparativo tra 13 varietà sottoposte a due tipi di gestione agronomica (metodo biologico vs convenzionale) in 4 anni di coltivazione (2005-08). Il secondo è stato programmato per esaminare l’effetto dell’irrigazione e della concimazione azotata complementare, applicata in fase tardiva (R1-3) su due varietà di soia (Ales e Nikir). Il terzo è stato impostato per studiare l’effetto della sola irrigazione in varietà di soia di diversa precocità. Il quarto invece è stato realizzato allo scopo di studiare l’effetto della densità di piante adottando due tipi di management (metodo biologico vs convenzionale) in 4 varietà. L’ultimo esperimento aveva per obiettivo lo studio dell’effetto di diversi tipi di terreno sulla medesima varietà. Il contenuto degli isoflavoni è stata stimato usando separatamente la metodica HPLC sia per i cotiledoni che nel germe. I fattori dimostratisi più efficaci sono stati la “varietà” e l’ ”ambiente”. Il metodo di coltivazione convenzionale ha mostrato una maggiore capacità di concentrare gli isoflavoni a livello dei cotiledoni, mentre non ha influenzato il germe. Le due strutture seminali hanno dimostrato di possedere un’attività metabolica differenziata che potrà essere considerata uno dei caratteri principali di un genotipo nell’ambito dell’interazione con l’ ambiente. Il germe è da considerare una struttura di peso relativo ma ricca di isoflavoni percui il risultato finale oscilla attorno al 20% della produzione totale di isoflavoni. In confronto il cotiledone rappresenta invece l’ 80%. I cotiledoni di alcune varietà rispetto ad altre possono variare il loro contenuto anche del 100%, mentre la differenza tra i metodi di coltivazione può dar luogo ad una differenza in termini di isoflavoni al massimo fino del 50%. Sebbene l’ipocotile possa far variare gli isoflavoni fino al 20% tra gli anni e al 10% fra i management. Le varietà di soia si caratterizzano anche per il diverso profilo degli isoflavoni. Il cotiledone contiene, in forma glucosilica, il 30-50% di daidzina ed il 50-70% di genistina mentre l’ipocotile contine il 30-50% di daidzeina, il 15-20% genisteina e il 30-50% glyciteina. Varietà diverse hanno mostrato di possedere profili simili, con diverse concentrazioni. Una similarità di profilo in alcune varietà riflette la differente espressione del gene o la presenza di geni silenti. La temperatura massima e il range giornaliero erano i fattori ambientali più correlati con il contenuto di isoflavoni totali presenti nel cotiledone, il germe invece non ha mostrato alcuna relazione con i fattori ambientali. E’ stato osservato che le varietà mantengono il loro ranking di posizione negli anni e tra i metodi di coltivazione. Per le varietà Ales e Nikir è stata accertata una diversa risposta all’irrigazione. Ales ha reagito positivamente all’acqua al contrario di Nikir che ha visto il suo incremento di isoflavoni essre assai modesto. Ciò ha rivelato che l’effetto dell’irrigazione dipende dalla varietà. L’applicazione dell’azoto in forma complementare e tardiva sul contenuto totale di isoflavoni dei cotiledoni ha mostrato diversi effetti in relazione all’epoca di applicazione mentre ancora una volta il germe non ha subito variazioni statisticamente apprezzabili. Le ramificazioni in confronto al fusto principale hanno mostrato un capacità produttiva di isoflavoni maggiore del 20% nel cotiledone e del 5% nell’ipocotile. La densità di semina non ha sortito alcun effetto sul contenuto di isoflavoni, però la densità bassa ha stimolato la ramificazione e di conseguenza le componenti della resa sui laterali (n° baccelli, peso del baccelli e il peso secco del semi per piante circa il 10%). Le due densità a confronto, sia nel cotiledone che nel germe hanno presentato un elevato contenuto di isoflavoni nei baccelli portati sul fusto laterale rispetto al principali. Tipo di terreno de essere un fattore effettivo sul accumulo del isoflavone a cause di il loro caratteristica. Totali del isoflavone nel cotiledone mostrato relazione negativa con C:N rapporto mentre il ipocotile ha mostrato piccolo differenza senza significatività. Interazione più rilevante in cotiledone a cause del lungo periodo di accumulo di isoflavone in confronto con ipocotile. Concludendo in ordine di rilevanza dell’effetto vanno citati nell’ordine la varietà, la posizione nel seme, l’ambiente, la posizione del baccello sulla pianta, il metodo di gestione agronomica. Il contenuto d’isoflavoni ha presentato delle differenze per effetto di qualche condizione, sia positiva sia negativa senza riguardo se queste condizioni erano state di stress o favorevoli per la crescita della soia. Comunque, questo effetto dipende sopratutto dalla varietà. L’interazione “varietà x ambiente” può dar luogo a differenze anche del 100% mentre altri fattori hanno dimostrato di far variare gli isoflavoni solo fino al 50%. Varietà ad elevato e a basso contenuto di isoflavoni possono essere considerate stabili nel loro ranking e potranno essere utilizzate nella produzione per finalità nutraceutica o cibo per l’infanzia.