Metabolic flux analysis for biosynthesis of volatile terpenoids in model Lamiaceae plants

Abstract

Essentielle Öle von Laminaceen haben eine wirtschaftliche Bedeutung auf Grund ihres hohen Gehaltes an Terpenen die in den Trichomen produziert werden. Wenig verstanden wird bislang die Regulation der Biosynthese dieser Terpene. Diese Regulation wurde in der vorliegenden Studie mittels Metabolischer Flussanalyse (MFA) in Pfefferminze und Oregano untersucht. Die Flussanalyse ergab einen Beitrag des Mevalonat Biosynthese Weges zur Monoterpensynthese und einen Beitrag des “Nicht-Mevalonat” Weges zur Sequiterpensythese. Diese Interaktion der Stoffwechselwege zur Synthese von Mono und Sequiterpenen konnte quantifiziert werden. Gleichzeitig wurde die Wichtigkeit des oxidativen Pentosephosphatweges über die Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten und RuBisCo zur effizienten CO2 Refixierung nachgewiesen. Diese Studie stellt einen Beitrag zum “metabolic engeneering” dieser Stoffwechselwege dar, da es “bottlenecks” in diesen Synthesewegen aufzeigt.

Essential oil of Lamiaceae plants has commercial value due to the enrichment of volatile terpenes in trichomes. However, overall metabolic regulation for the production of these volatile compounds is still not fully understood. The present study was to investigate the metabolism towards terpene production in trichomes which was achieved by performing metabolic flux analysis (MFA) in peppermint and oregano. The flux analysis provided evidence for the contribution of the alternate mevalonate route to monoterpene production and non-mevalonate route to sesquiterpene production, and quantified the cross-talk between non-mevalonate and mevalonate route. In addition, MFA supported a prominent role for the oxidative pentose phosphate pathway in providing reductants for terpene biosynthesis and RuBisCO in refixing CO2 thereby contributing to the carbon use efficiency in peppermint trichomes. This study can advance the metabolic engineering of this cell by uncovering the metabolic bottlenecks in the precursor pathways for further increasing the productivity of these high value compounds.