Metabolic fluxes of the model crop rice : technological development and biological applications

Abstract

Metabolic engineering of plants to ensure global food supply and to produce valuable compounds is challenging as plant metabolic networks are highly complex and cellular functions largely unknown. In the present work, a comprehensive labeling-based flux analysis toolbox was established for in vivo analysis of whole plant metabolism under physiologically relevant conditions. This method was used to analyze the metabolism of rice, an agriculturally relevant crop plant. The studies revealed fundamental characteristics of photoautotrophic metabolism, specific features of salt stress response and the mode-of-action of a broad-spectrum herbicide. The analysis of untreated rice seedlings emphasized the anabolic nature of photosynthetic metabolism and revealed a necessity for futile cycling to dissipate excess energy. The herbicide imazapyr was found to inhibit the biosynthesis of branched-chain amino acids and caused accumulation of storage carbohydrates, increased protein turnover and enhanced futile cycling. Decreased flux into biomass suggests a switch from anabolic growth to metabolic maintenance for plant survival. This study revealed the incredible potential of the established toolbox to examine metabolic phenotypes at the systems level and therefore is of considerable interest for plant physiologists and green biotechnology.

Metabolic Engineering von Pflanzen zur Sicherung der Nahrungsmittelversorgung und zur Wertstoffsynthese ist anspruchsvoll, da metabolische Netzwerke von Pflanzen hochkomplex und zelluläre Funktionen weitgehend unbekannt sind. In der vorliegenden Arbeit wurde ein umfassender Ansatz der metabolischen Flussanalyse zur in vivo Untersuchung ganzer Pflanzen unter physiologisch relevanten Bedingungen etabliert. Die Technologie wurde eingesetzt um den Stoffwechsel von Reis, einer bedeutenden Nutzpflanze, zu untersuchen. Die Studien legten grundlegende Eigenschaften des photoautotrophen Stoffwechsels, spezifische Eigenschaften der Stressantwort, sowie den Wirkmechanismus von Herbiziden offen. Die Analyse unbehandelter Reiskeimlinge zeigte eine anabole Form des lichtabhängigen Stoffwechsels und die Notwendigkeit für Substratkreisläufe zur Umwandlung überschüssiger Energie. Es konnte beobachtet werden, dass das Herbizid Imazapyr die Biosynthese verzweigtkettiger Aminosäuren inhibierte und zu einer Akkumulation von Speicherkohlenhydraten, gesteigerten Proteinumsatzraten und erhöhten Flussraten durch Substratzyklen führte. Der verminderte Fluss in die Biomasse spricht für einen Wechsel von anabolem Wachstum hin zum Erhalt lebenswichtiger Stoffwechselfunktionen. Diese Studie zeigte das außerordentliche Potenzial des etablierten Ansatzes für die Analyse metabolischer Phänotypen auf Systemebene und ist deshalb von erheblichem Interesse für Pflanzenphysiologen und die grüne Biotechnologie.