{"id":16101,"date":"2026-06-25T08:44:03","date_gmt":"2026-06-25T08:44:03","guid":{"rendered":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/portfolio\/marisa-lourenco\/"},"modified":"2026-06-25T08:44:12","modified_gmt":"2026-06-25T08:44:12","slug":"marisa-lourenco","status":"publish","type":"us_portfolio","link":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/marisa-lourenco\/","title":{"rendered":"Marisa Lourenco"},"content":{"rendered":"","protected":true},"excerpt":{"rendered":"","protected":true},"author":7,"featured_media":16102,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"us_portfolio_category":[45],"class_list":["post-16101","us_portfolio","type-us_portfolio","status-publish","post-password-required","hentry","us_portfolio_category-new-template"],"acf":{"naam_van_het_proefschift":"Exploring Catharanthus roseus for anticancer alkaloid production in vertical farming systems","samenvatting":"Kanker blijft een grote wereldwijde uitdaging voor de volksgezondheid en dat benadrukt het belang van onderzoek naar verbeterde antikankermiddelen en duurzamere productiestrategie\u00ebn. Chemische verbindingen afkomstig uit planten spelen een centrale rol in de moderne oncologie en zijn verantwoordelijk voor meer dan de helft van de momenteel gebruikte antikankergeneesmiddelen. Catharanthus roseus is een sier- en medicinale plant van groot farmaceutisch belang, aangezien het de enige bekende natuurlijke bron is van de antikankeralkalo\u00efden vinblastine (VLB) en vincristine (VCR). Deze dimerische terpeno\u00efdeindoolalkalo\u00efden (TIA\u2019s) worden op grote schaal gebruikt in chemotherapie. Echter, vanwege hun zeer lage concentratie in plantmateriaal is de huidige industri\u00eble productie van deze stoffen voornamelijk afhankelijk van semisynthetische routes, waarbij de componenten catharanthine (CATH) en vindoline (VDL) uit plantmateriaal worden ge\u00ebxtraheerd. Deze worden chemisch gekoppeld tot anhydrovinblastine (AVLB), de directe voorloper van VLB en VCR. Deze benadering maakt echter nog geen volledig gebruik van het biosynthetisch potentieel van de plant.\n\nMomenteel is de belangrijkste teeltmethode van C. roseus voor de productie van biomassa voor extractie van de voorlopers open-veldteelt. Het is echter algemeen bekend dat zowel omgevingsfactoren als cultivarselectie een sterke invloed hebben op de TIA-productie, wat leidt tot aanzienlijke variabiliteit in alkalo\u00efdeprofielen en opbrengsten. Teelt onder gecontroleerde omstandigheden, en met name vertical farming (VF), biedt mogelijkheden om de beperkingen van de lage natuurlijke concentraties van antikankeralkalo\u00efden te overwinnen, doordat omgevingsfactoren die de plantengroei en het metabolisme reguleren nauwkeurig kunnen worden gestuurd.\n\nLicht is een centrale omgevingsfactor die fotosynthese, plantontwikkeling en gespecialiseerd metabolisme reguleert. Lichtintensiteit fungeert als energiebron, terwijl lichtspectrum, inclusief ultraviolette (UV) straling, werkt als regulerend signaal dat de redoxhomeostase be\u00efnvloedt en verdedigingsgerelateerde metabole routes activeert, waaronder de biosynthese van TIA\u2019s. VF-systemen maken een reproduceerbare instelling van het lichtspectrum, de fotoperiode en de stralingsdosis mogelijk, waardoor deze systemen bijzonder geschikt zijn voor de teelt van hoogwaardige gewassen waarbij constante kwaliteit en biochemische samenstelling minstens zo belangrijk zijn als biomassaopbrengst. In deze context is C. roseus een veelbelovend modelsysteem voor de ontwikkeling van plantmolecular farming in VF-systemen voor de productie van antikankerverbindingen. De cultivar-specifieke effecten van lichtspectrum, UV-golflengte, dosis, timing en fotoperiode op de productie van downstream antikankeralkalo\u00efden in C. roseus zijnechter nog onvoldoende begrepen.\n\nHet algemene doel van deze thesis was om te onderzoeken hoe lichtspectrum en UV-intensiteit kunnen worden gebruikt als elicitatiestrategie\u00ebn om de productie van antikankeralkalo\u00efden in C. roseus geteeld in een VF-systeem te verhogen.\n\nIn plaats van zich uitsluitend te richten op de productie van voorlopers, had dit werk tot doel regulatiestrategie\u00ebn te identificeren die de metabole flux richting de downstreamalkalo\u00efden VLB en VCR verbeteren, rekening houdend met cultivar-afhankelijke fysiologische en metabole beperkingen. Om dit doel te bereiken werden de volgende specifieke doelstellingen nagestreefd: (i) het onderzoeken van cultivar-specifieke variatie in groei, fysiologische prestaties en productie van antikankeralkalo\u00efden inbladeren en bloemen; (ii) het evalueren van het effect van het toppen van de planten op biomassa-allocatie en alkalo\u00efdeopbrengst; (iii) het bepalen van het effect van lichtspectrum op biomassa, anti-oxidatieve respons en biosynthese van antikankeralkalo\u00efden; (iv) het evalueren van dosisafhankelijke effecten van UV-A-straling op oxidatieve responsen en alkalo\u00efdeproductie; (v) het vergelijken van de elicitatie-effici\u00ebntie van UV-A en UV-C toegepast aan het einde van de fotoperiode; en (vi) het optimaliseren van de duur van UV-C-blootstelling om de productie van antikankeralkalo\u00efden binnen het hormetische bereik te maximaliseren. Daarnaast bevat deze thesis ook een beoordeling van de economische haalbaarheid van de productie van antikankeralkalo\u00efden in VF-systemen.\n\nIn deze experimenten werden morfologische, fysiologische en biochemische responsen bestudeerd, waaronder fotosynthese snelheden, merkers van oxidatieve stress, anti-oxidatieve enzymactiviteit en gedetailleerde profilering van zowel upstream TIA\u2019s als downstream antikankeralkalo\u00efden. De plantresponsen op lichtkwaliteit en UV-behandelingen waren sterk cultivar-afhankelijk, wat bevestigt dat de genetische achtergrond een belangrijke determinant is van metabole plasticiteit. UV-A- en UV-C-straling induceerden matige oxidatieve stress, zich uitend in een verhoogde activiteit van superoxide dismutase (SOD) en verhoogde malondialdehyde(MDA)-gehaltes. In plaats van schadelijke effecten te verooraken, fungeerden deze oxidatieve signalen als biochemische triggers voor gespecialiseerd metabolisme, wat het concept van hormesis in C. roseus onder specifieke UV-doseringen ondersteunt. Meer specifiek, 2 uur UV-A (3.60 kJ\u00b7m\u207b\u00b2\u00b7dag\u207b\u00b9) verhoogde de concentratie van upstream TIA\u2019s met 28% in de drie onderzochte cultivars. Bovendien vertoonden UV-A-behandelingen van 4 uur (4.80 kJ\u00b7m\u207b\u00b2\u00b7dag\u207b\u00b9) en 6 uur (7.20 kJ\u00b7m\u207b\u00b2\u00b7dag\u207b\u00b9) cultivar-specifieke effecten: beide behandelingen verlaagden de VCR-concentratie met 74% in de cultivar \u2018Sunstorm Apricot\u2019, terwijl de opbrengst aan antikankeralkalo\u00efden in \u2018CoraRed\u2019 2.3 keer hoger was bij 4 uur UV-A dan in de controleplanten. Belangrijk is dat geen gereduceerde biomassaproductie werd waargenomen onder de toegepaste UV-A-behandelingen.\n\nDaarnaast bleken hormetische doses UV-C (1.2 en 1.8 kJ\u00b7m\u207b\u00b2\u00b7dag\u207b\u00b9), toegepast aan het einde van de teeltcyclus, vijf dagen v\u00f3\u00f3r de oogst, bijzonder effectief in het stimuleren van de productie van antikankeralkalo\u00efden. UV-C-behandelingen van 60 tot 90 minuten leidden tot de hoogste totale alkalo\u00efde-opbrengsten, tot 4.2 keer hoger dan de controle, zonder negatieve effecten op biomassa of fotosynthese. Deze resultate tonen aan dat korte, goed getimede UV-C-elicitaties de metabole flux effici\u00ebnt kunnen verhogen richting de laatste stappen van de TIA-biosyntheseroute, in plaats van een uniforme toename van alkalo\u00efden in de gehele route.\n\nCorrelatieanalyse van alkalo\u00efdeprofielen met oxidatieve en anti-oxidatieve parameters toonde aan dat de accumulatie van downstream antikankeralkalo\u00efden sterker samenhing met specifieke merkers van oxidatieve stress dan met de hoeveelheidupstream voorlopers. Met name lipidenperoxidatie (MDA) vertoonde een consistente en sterke correlatie met VLB- en VCR-concentraties, wat MDA een relevante biochemische merker maakt voor effectieve elicitatiestrategie\u00ebn in C. roseus onder VF-systemen.\n\nTegelijkertijd bleken de VCR-concentratie een meer betrouwbare merker voor cultivarselectie dan totale biomassa of totale TIA-inhoud. Tenslotte toonde de economische analyse aan dat C. roseus een gewas is met een hoog potentieel maar ook een hoog risico binnen VF-systemen, aangezien de economische haalbaarheid sterk afhankelijk is van de consistentie van de biologische opbrengst en de kosten van downstream verwerking.\n\nSamenvattend toont deze thesis aan dat het lichtspectrum binnen de fotoperiode bepaalt hoe C. roseus reageert op UV-A-behandelingen en dat zorgvuldig ontworpen, cultivar-specifieke UV-elicitatiestrategie\u00ebn de farmaceutische waarde van C. roseus onder VF-omstandigheden aanzienlijk kunnen verhogen. Door verder te gaan dan optimalisatie van voorlopers en zich direct te richten op downstream-antikankeralkalo\u00efden, laat dit werk zien dat in planta verhoging van VLB en VCR mogelijk is in VF-systemen. De identificatie van hormetische UV-C-behandelingen aan het einde van de productie als een effectieve en schaalbare strategie positioneert C. roseus als een veelbelovende kandidaat voor plant molecular farming, mits biologische optimalisatie gepaard gaat met verbeteringen in downstream verwerking en kostenreductie.","summary":"Cancer remains a major global health challenge, highlighting the need for improved anticancer agents and more sustainable production strategies. Plant-derived compounds play a central role in modern oncology, accounting for more than half of the currently used anticancer drugs. Catharanthus roseus is an ornamental and medicinal plant of major pharmaceutical importance since it is the only known natural source of anticancer alkaloids: vinblastine (VLB) and vincristine (VCR). These dimeric terpenoid indole alkaloids (TIAs) are widely used in chemotherapy. However, owing to their very low natural abundance in plant tissues, current industrial production relies primarily on semi-synthetic routes, in which the upstream precursors catharanthine (CATH) and vindoline (VDL) are extracted from plant material and chemically coupled to form anhydrovinblastine (AVLB), the direct precursor of VLB and VCR. Therefore, this approach does not yet make full use of the biosynthetic potential of the plant.\n\nThe main method for cultivating C. roseus to obtain raw biomass for precursor extraction is currently open-field cultivation. However, it is well established that both environmental conditions and cultivar selection strongly influence TIA production, leading to substantial variability in alkaloid profiles and yields. Controlled-environment agriculture, and particularly vertical farming (VF), offers opportunities to potentially overcome the limitations of the low natural concentrations of the anticancer alkaloids, enabling precise manipulation of environmental parameters that regulate plant growth metabolism.\n\nLight is a central environmental factor regulating photosynthesis, plant development, and specialized metabolism. Light intensity acts as energy source, whereas light quality, including ultraviolet (UV) radiation, serve as regulatory cues that modulate redox homeostasis and trigger defense-related metabolic pathways, including TIA biosynthesis. VF systems allow reproducible control of light spectrum, photoperiod, and radiation dose, making them especially suitable for high-value crops where quality and biochemical composition are as important as biomass yield. Within this context, C. roseus is a promising model species for developing plant molecular farming in VF systems to produce anticancer compounds. However, the genotype-specific effects of light spectrum, UV wavelength, dose, timing, and photoperiod on downstream anticancer alkaloid production in C. roseus remain poorly understood.\n\nThe overall aim of this thesis was to investigate how light quality and UV intensity can be used as elicitation strategies to enhance anticancer alkaloid production in C. roseus grown in a VF system. Rather than focusing solely on precursor production, this work aimed to identify regulatory strategies to improve metabolic flux toward the downstream alkaloids VLB and VCR, while accounting for cultivar-dependent physiological and metabolic constraints.\n\nTo address this general aim, the thesis pursued a series of experiments with the following specific objectives: (i) to explore cultivar-specific variation in growth, physiological performance, and anticancer alkaloid production in leaves and flowers; (ii) to assess the potential of apical pinching to modulate biomass partitioning and anticancer alkaloid yield; (iii) to determine the effect of light spectrum on biomass, antioxidant response, and anticancer alkaloid biosynthesis; (iv) to evaluate dose-dependent effects of UV-A radiation on oxidative responses and anticancer alkaloid production; (v) to compare the elicitation efficiency of UV-A and UV-C applied at the end of the photoperiod; and (vi) to optimize UV-C exposure duration to maximize anticancer alkaloid production within the hormetic range. Additionally, from an applied perspective, this thesis also includes an assessment of the economic feasibility of anticancer alkaloid production in VF systems.\n\nAcross these experiments, morphological, physiological, and biochemical responses were studied, including photosynthetic performance, oxidative stress markers, antioxidant enzyme activity, and detailed profiling of both upstream TIA and downstream anticancer alkaloids. Plant responses to light quality and UV supplementation treatments were strongly cultivar-dependent, confirming genetic background as a primary determinant of metabolic plasticity. Supplementary UV-A and UV-C radiation induced moderate oxidative stress, evidenced by increased superoxide dismutase (SOD) activity and elevated malondialdehyde (MDA) levels. Rather than causing detrimental effects, these oxidative signals acted as biochemical triggers for specialized metabolism, supporting the concept of hormesis in C. roseus under specific UV dosages. More specifically, 2 h of UV-A elicitation (3.60 kJ\u00b7m-2\u00b7day-1) increased the upstream TIA concentration by 28% in the three studied cultivars. Moreover, the UV-A supplementation \u2013 4h (4.80 kJ\u00b7m-2\u00b7day-1) and 6h (7.20 kJ\u00b7m-2\u00b7day-1) \u2013 throughout the growing cycle had genotype-specific responses: both UV-A treatments decreased VCR concentration by 74% in \u2018Sunstorm Apricot\u2019 cultivar, and the anticancer alkaloids yield in \u2018Cora-Red\u2019 was 2.3-fold higher in 4h UV-A compared to control. Importantly, no biomass losses were observed under any of the UV-A supplementation applied.\n\nAdditionally, hormetic doses of UV-C treatments (1.2 and 1.8 kJ\u00b7m-2\u00b7day-1) applied at the end of the cultivation cycle, five days before harvest, proved particularly effective in stimulating anticancer alkaloid production. End-of-production UV-C exposures of 60\u201390 minutes led to the highest total alkaloid yields, reaching up to 4.2-fold increases relative to control plants, without negatively affecting biomass or photosynthetic performance. These results demonstrate that short, well-timed UV-C elicitation can efficiently enhance the metabolic flux toward the final steps of the TIA pathway, rather than by uniformly increasing alkaloid production across the whole pathway.\n\nA correlation analysis of alkaloid profiles with oxidative and antioxidant parameters revealed that downstream anticancer alkaloid accumulation was more closely associated with specific oxidative stress markers than with upstream precursor abundance. In particular, lipid peroxidation (MDA) showed a consistent and strong association with VLB and VCR concentrations, indicating it as a relevant biochemical marker of effective elicitation of anticancer alkaloids in C. roseus under VF systems. In parallel, VCR concentration emerged as a more reliable cultivar selection marker for anticancer alkaloid yield than total biomass or overall TIA content. Finally, the economic feasibility assessment showed that C. roseus is a high-reward, high-risk choice for VF systems, as its economic viability depends heavily on biological yield consistency and downstream processing costs, making profitability uncertain rather than guaranteed.\n\nIn conclusion, this thesis shows that the photoperiodic light spectrum influences how C. roseus responds to UV-A treatments, and that carefully designed, cultivar-targeted UV elicitation regimes can significantly enhance the pharmaceutical value of C. roseus cultivated under VF conditions. By moving beyond precursor-centered optimization and directly targeting downstream, anticancer alkaloids, this work demonstrates that in planta enhancement of VLB and VCR might be achievable under VF systems. The identification of hormetic, end-of-production UV-C elicitation as an effective and scalable regulatory strategy positions C. roseus as a highly relevant candidate for plant molecular farming, provided that biological optimization is accompanied by future advances in downstream processing efficiency and costs reduction.","auteur":"Marisa Lourenco","auteur_slug":"marisa-lourenco","publicatiedatum":"13 juli 2026","taal":"EN","url_flipbook":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/ebook\/marisalourenco?iframe=true","url_download_pdf":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/download\/2f13bd12-9e76-407a-92cf-8c3b1c80d704\/optimized","url_epub":"","ordernummer":"18861","isbn":"978-94-6534-488-1","doi_nummer":"","naam_universiteit":"Overig","afbeeldingen":16103,"naam_student:":"","binnenwerk":"","universiteit":"Overig","cover":"","afwerking":"","cover_afwerking":"","design":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16101","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/us_portfolio"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/7"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=16101"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16101\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":16104,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16101\/revisions\/16104"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/16102"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=16101"}],"wp:term":[{"taxonomy":"us_portfolio_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio_category?post=16101"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}