Antioxidative properties of phenolic compounds isolated from the fungal endophytes of Zingiber nimmonii (J. Graham) Dalzell.

Abstract

BACKGROUND: The microbes living in planta termed ‘endophytes’ is bestowed with the potential to produce bioactive substances. The aim of this investigation was focused on the isolation and molecular identification of the fungal endophytes fromZingiber nimmonii (J. Graham) Dalzell., an endemic medicinal plant species of the ‘Western ghats’, a hotspot location in southern India and characterization of the secondary metabolites responsible for the antioxidant and DNA protective capacity using chromatography and mass spectrometry techniques.

METHODS: Endophytic fungi were isolated and identified by sequencing the Internal Transcribed Spacer (ITS). The secondary metabolites were extracted with ethyl acetate and evaluated for the total phenolic, flavonoid and antioxidant capacities. The isolates with potential antioxidative property were further analyzed for the DNA protection ability and the presence of bioactive phenolic compounds by High Performance Liquid Chromatography (HPLC) and Electrospray Ionization-Mass Spectroscopy/Mass Spectroscopy (ESI-MS/MS) techniques.

RESULTS: Endophytic fungi belonging to 11 different taxa were identified. The total phenolic content of the extracts ranged from 10.8±0.7 to 81.6±6.0 mg gallic acid equivalent/g dry extract. Flavonoid was present in eight extracts in the range of 5.2±0.5 to 24.3±0.9 mg catechin equivalents/g dry extract.Bipolaris specifera, Alternaria tenuissima, Aspergillus terreus, Nectria haematococca and Fusarium chlamydosporum extracts exhibited a potentially high antioxidant capacity. Characterization of the extracts revealed an array of phenolic acids and flavonoids.N. haematococcaand F. chlamydosporum extracts contained quercetin and showed DNA protection ability.

CONCLUSION: This study is the first comprehensive report on the fungal endophytes from Z. nimmonii, as potential sources of antioxidative and DNA protective compounds. The study indicates that Z. nimmonii endophytes are potential sources of antioxidants over the plant itself.

Key words： endophytic fungi; Zingiber; Western Ghats; phenolic acids; flavonoid; DNA protection

Abbreviations

ABTS- 2, 2’-azino-bis(3- ethylbenzthiazoline-6-sulphonic acid); CA- caffeic acid; CE- catechin equivalents; CF- colonization frequency; ChA- chlorogenic acid; CTAB –cetyltrimethyl ammonium bromide; DPPH-1, 1-diphenyl-2- picrylhydrazyl; FA – ferulic acid; FC- Folin–Ciocalteau; GAE-gallic acid equivalent; ITS- Internal Transcribed Spacer; NCBI – National Center for Biotechnology Information; PA – protocatechuic acid;pCA- p-coumaric acid; PDA- potato dextrose agar; PDB – potato dextrose agar; pHBA- p-hydroxybenzoic acid; RF- relative species frequency; RT – retention time; SA- syringic acid; SD – standard deviation; TEAC – Trolox Equivalent Antioxidant Capacity; VA –vanillic acid.

Acknowledgements

The University Grants Commission–Major Research Project and the facilities utilized from Institution of Excellence, University of Mysore, are thankfully acknowledged. Thanks to Dr. Shylaja Dharmesh, Senior Scientist, Central Food Technological Research Institute, Mysore for the inputs in the manuscript.

Compliance with ethics guidelines

Madhuchhanda Das, Harischandra Sripathy Prakash and Monnanda Somaiah Nalini declare that they have no conflict of interest.

References

1 Ausubel F M, Brent  R, Kingston R E ,  Moore D D ,  Seidman J G ,  Smith J A ,  Struhl K  (1994). Current protocols in molecular biology.Wiley, New York

2 Barros L, Ferreira  M J, Queirós  B, Ferreira C F R ,  Baptista P  (2007). Total phenols, ascorbic acid, β-carotene and lycopene in Portuguese wild edible mushrooms and their antioxidant activities. Food Chem, 103(2): 413–419

3 Bussaban B, Lumyong  S, Lumyong P ,  Mckenzie E H C ,  Hyde K D  (2001). Endophytic fungi from Amomum siamense. Can J Microbiol, 47(10): 943–948

4 Çelik H, Arinç  E (2010). Evaluation of the protective effects of quercetin, rutin, resveratrol, naringenin and trolox against idarubicin-induced DNA damage. J Pharm Pharm Sci, 13(2): 231–241

5 Cheng M J, Wu  M D, Chen  J J, Cheng  Y C, Hsieh  M T, Hsieh  S Y, Yuan  G F, Su  Y S (2014). Secondary metabolites from the endophytic fungus Annulohypoxylon stygium BCRC 34024. Chem Nat Compd, 50(2): 237–241

6 Das A K, Singh  V (2016). Antioxidative free and bound phenolic constituents in botanical fractions of Indian specialty maize (Zea mays L.) genotypes. Food Chem, 201: 298–306

7 Deng C M, Liu  S X, Huang  C H, Pang  J Y, Lin  Y C (2013). Secondary metabolites of a mangrove endophytic fungus Aspergillus terreus (No.GX7–3B) from the South China Sea. Mar Drugs, 11(7): 2616–2624

8 Duthie S J, Collins  A R, Duthie  G G, Dobson  V L (1997). Quercetin and myricetin protect against hydrogen peroxide-induced DNA damage strand breaks and oxidised pyrimidines in human lymphocytes. Mutat Res, 393(3): 223–231

9 Finose A, Gopalakrishnan  V K (2014). Antioxidant potential of Zingiber nimmonii (J. Graham) Dalzell. Int J Pharm PharmSci, 6(6): 50–52

10 Gamble J S (1928). Flora of the Presidency of Madras. Vol.III, Bishen Singh Mahenra Pal Singh, Dehra Dun, India, pp. 1487–1489

11 Huang W Y, Cai  Y Z, Hyde  K D, Corke  H, Sun M  (2007b). Endophytic fungi from Nerium oleander L (Apocynaceae): main constituents and antioxidant activity. World J Microbiol Biotechnol, 23(9): 1253–1263

12 Huang W Y, Cai  Y Z, Xing  J, Corke H ,  Sun M (2007a). A Potential antioxidant resource: endophytic fungi from medicinal plants. Econ Bot, 61(1): 14–30

13 Jasim B, Anisha  C, Rohini S ,  Kurian J M ,  Jyothis M ,  Radhakrishnan E K  (2014). Phenazine carboxylic acid production and rhizome protective effect of endophytic Pseudomonas aeruginosa isolated from Zingiber officinale. World J Microbiol Biotechnol, 30(5): 1649–1654

14 Jing P, Zhao  S J, Jian  W J, Qian  B J, Dong  Y, Pang J  (2012). Quantitative studies on structure- DPPH• scavenging activity relationships of food phenolic acids. Molecules, 17(12): 12910–12924

15 Karamac M, Kosiñska  A, Pegg R B  (2005). Comparison of radical-scavenging activities for selected phenolic acids. Pol J Food NutrSci, 14/55(2): 165–170

16 Kavitha P G, Kiran  A G, Dinesh Raj  R, Sabu M ,  Thomas G  (2010). Amplified fragment length polymorphism analyses unravel a striking difference in the intraspecific genetic diversity of four species of four species of genus Zingiber Boehm. from the Western Ghats, South India. Curr Sci, 98(2): 242–246

17 Lee J C, Kim  H R, Kim  J, Jang Y S  (2002). Antioxidant activity of ethanol extract of the stem of Opuntiaficus-indica var. saboten. J Agric Food Chem, 50(22): 6490–6496

18 Liu X, Dong  M, Chen X ,  Jiang M ,  Lv X, Yan  G (2007). Antioxidant activity and phenolics of an endophytic Xylaria sp. from Ginkgo biloba. Food Chem, 105(2): 548–554

19 Maldonado P D ,  Rivero-Cruz I ,  Mata R, Pedraza-Chaverrí  J (2005). Antioxidant activity of A-type proanthocyanidins from Geranium niveum (Geraniaceae). J Agric Food Chem, 53(6): 1996–2001

20 Nalini MS, Sunayana  N, Prakash HS  (2014). Endophytic fungal diversity in medicinal plants of Western Ghats, India. Int J Biodiv, doi:org/10.1155/2014/494213.

21 Nongalleima K, Dey  A, Lokesh D ,  Singh C B ,  Thongam B ,  Sunitibala D H ,  Indira D S  (2013). Endophytic fungus isolated from Zingiber zerumbet (L.) Sm. inhibits free radicals and cyclooxygenase activity. Int J Pharm Tech Res, 5(2): 301–307

22 Ohkawa H, Ohishi  N, Yagi K  (1979). Assay for lipid peroxides in animal tissues by thiobarbituric acid reaction. Anal Biochem, 95(2): 351–358

23 Onyema O O, Farombi  E O, Emerole  G O, Ukoha  A I, Onyeze  G O (2006). Effect of vitamin E on monosodium glutamate induced hepatotoxicity and oxidative stress in rats. Indian J Biochem Biophys, 43(1): 20–24

24 Oyaizu M (1986). Studies on product of browning reaction prepared from glucose amine. J Nutr, 44: 307–315

25 Pérez-Magariño S ,  Revilla I ,  González-SanJosé M L, Beltrán S  (1999). Various applications of liquid chromatography-mass spectrometry to the analysis of phenolic compounds. J Chromatogr A, 847(1-2): 75–81

26 Pizarro J G, Folch  J, De La Torre A V, Verdaguer E ,  Junyent F ,  Jordan J ,  Pallas M ,  Camins A  (2009). Oxidative stress-induced DNA damage and cell cycle regulation in B65 dopaminergic cell line. Free Radic Res, 43(10): 985–994

27 Re R, Pellegrini  N, Proteggente A ,  Pannala A ,  Yang M, Evans  C R (1999). Antioxidant activity applying and improved ABTS radical cation decolorization assay. Free Radic Biol Med, 26(9-10): 1231–1237

28 Sabulal B, Dan  M, John J A ,  Kurup R ,  Pradeep N S ,  Valsamma R K ,  George V  (2006). Caryophyllene-rich rhizome oil of Zingiber nimmonii from South India: chemical characterization and antimicrobial activity. Phytochemistry, 67(22): 2469–2473

29 Samaga P V, Rai  V R (2016). Diversity and bioactive potential of endophytic fungi from Nothapodytes foetida, Hypericum mysorense and Hypericum japonicum collected from Western Ghats of India. Ann Microbiol, 66(1): 229–244

30 Schulz B, Guske  S, Dammann U ,  Boyle C  (1998). Endophyte host interactions II. Defining symbiosis of the endophyte host interaction. Symbiosis, 25: 213–227

31 Strobel G, Daisy  B (2003). Bio prospecting for microbial endophytes and their natural products. Microbiol Mol Biol Rev, 67(4): 491–502

32 Strobel G, Yang  X, Sears J ,  Kramer R ,  Sidhu R S ,  Hess W M  (1996). Taxol from Pestalotiopsis microspora, an endophytic fungus of Taxus wallachiana. Microbiology, 142(2): 435–440

33 Sun J, Liang  F, Bin Y ,  Li P, Duan  C (2007). Screening non-colored phenolics in red wines using liquid chromatography/ultraviolet and mass spectrometry/mass spectrometry libraries. Molecules, 12(3): 679–693

34 Tan R X, Zou  W X (2001). Endophytes: a rich source of functional metabolites. Nat Prod Rep, 18(4): 448–459

35 Tejesvi M V, Mahesh  B, Nalini M S ,  Prakash H S ,  Kini K R ,  Subbiah V ,  Shetty H S  (2005). Endophytic fungal assemblages from inner bark and twig of Terminalia arjuna W. & A. (Combretaceae). World J Microbiol Biotechnol, 21(8-9): 1535–1540

36 Thannickal V J ,  Fanburg B L  (2000). Reactive oxygen species in cell signalling. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 279: L1005–L1028

37 Tiwari S, Singh  S, Pandey P ,  Saikia S K ,  Negi A S ,  Gupta S K ,  Pandey R ,  Banerjee S  (2014). Isolation, structure determination, and antiaging effects of 2,3-pentanediol from endophytic fungus of Curcuma amada and docking studies. Protoplasma, 251(5): 1089–1098

38 Tuma D J, Casey  C A (2003). Dangerous byproducts of alcohol breakdown—focus on adducts. Alcohol Res Health, 27: 285–290

39 Wilson D (1995). Fungal endophytes: out of sight but should not be out of mind. Oikos, 68(2): 379–384

40 Yashavantha Rao H C ,  Rakshith D ,  Satish S  (2015). Antimicrobial properties of endophytic actinomycetes isolated from Combretum latifolium Blume, a medicinal shrub from Western Ghats of India. Front Biol, 10(6): 528–536