Biosynthesis and regulation of terpene production in accessions of chamomile (Matricaria recutita L.)

Abstract

Das ätherische Öl der Kamille M. recutita hat eine Vielfalt von Anwendungen in der pharmazeutischen, kosmetischen und Nahrungsmittelindustrie. Der pharmakologische Effekt wird vornehmlich α-Bisabolol zugeschrieben, dem Hauptsesquiterpen des ätherischen Öls. Um die Schlüsselfaktoren der Regulation der α-Bisabolol-Produktion aufzuklären, wurde die Terpenbiosynthese und ihre Regulation in 16 verschiedenen Kamille-Akzessionen analysiert. Die Charakterisierung der α-Bisabololsynthasen, den Schlüsselenzymen für dieses Sesquiterpen, zeigte dass die biochemischen Eigenschaften dieses Enzyms in allen Akzessionen relativ ähnlich sind, aber die Genexpression auf der Transkriptebene nicht mit der Produktion des Sesquiterpens korreliert. Dagegen ist die α-Bisabolol-Produktion von der Konzentration des Substrates der α-Bisabololsynthase, des Farnesyldiphosphat (FPP) abhängig. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die frühen Schritte in der Terpenbiosynthese, die zur Bildung von FPP führen, entscheidend für die Produktion von α-Bisabolol in der Blüte sind. Diese Erkenntnisse dienen zur Entwicklung spezifischer Züchtungsstrategien für Kamillesorten mit hohem α-Bisabololgehalt.

The essential oil of German chamomile (Matricaria recutita L.) has significant commercial value for cosmetic, food and pharmaceutical industries. The components α-bisabolol and its oxides are the main interest of this study. The focus is the identification of the regulatory mechanism(s) controlling α-bisabolol production in a group of sixteen chamomile (Matricaria recutita L.) accessions. The study looks at the variation of terpenes in different plant parts and at different developmental stages of the accessions. We will isolate putative α-bisabolol synthase alleles from chamomile accessions. In addition, we characterize some of their biochemical properties (e.g. Km), and their transcript levels in flowers. To identify the mechanism(s) responsible for the regulation of α-bisabolol production, we correlate these features with the in vivo farnesyl diphosphate (FPP) substrate levels and α-bisabolol product concentrations in flowers. These results will help to understand biosynthesis and regulation of terpene production in chamomile and will assist the design of trait-specific molecular markers for directed breeding strategies to obtain chamomile accessions with high content of α- bisabolol.