Whole plant in vivo and in silico metabolic flux analysis : towards biotechnological application

Abstract

In the present work, both in silico and in vivo methods for flux analysis in plants were successfully developed and applied for enhanced understanding of plant physiology. Taken together, the in silico metabolic simulations provide detailed molecular insights into plant functioning, particularly by linking in vivo with in silico data. The knowledge gained from such a systems-biological approach, together with the proposed high potential of plants as biotechnological production platforms, especially for compounds requiring much redox power, will help to establish plants as biotechnological factories. For the first time, the in vivo metabolism of an agriculturally relevant crop, O. sativa, was investigated, through non-stationary 13C-metabolic flux analysis. This allowed elucidation of the in vivo intracellular carbon partitioning in rice plants and of the plants’ necessity for futile cycling of resources, thus, contributing significantly to our current knowledge on plant metabolism. In addition, the effect of imazapyr, an industrially relevant herbicide, on rice metabolism was inspected using the newly established workflow. This first real-life case-study provides a valuable proof-of-principle and enabled a deeper understanding of the immediate metabolic effects of the treatment. This method can now be adopted to other crops, cell lines and stress inducers, such as abiotic stresses, herbicides and fungicides, and therefore, has great potential in green biotechnology.

In dieser Arbeit wurden in silico und in vivo Methoden für Stoffflussanalysen in Pflanzen erfolgreich entwickelt und angewendet, um das Verständnis der Pflanzenphysiologie zu verbessern. In Summe erlauben die metabolischen in silico Simulationen detaillierte molekulare Einblicke in die Funktionalität von Pflanzen, insbesondere durch die Verknüpfung von in vivo und in silico Daten. Das Wissen, das durch einen solchen systembiologischen Ansatz gewonnen wird, kann genutzt werden um Pflanzen als biotechnologische Produktionsplattformen zu etablieren. Zum ersten Mal wurde der in vivo Metabolismus der Nutzpflanze O. sativa durch nicht-stationäre 13C-metabolische Flussanalyse untersucht. Dies erlaubte die Aufklärung der intrazellulären Kohlenstoffverteilung von Reispflanzen und der Notwendigkeit von scheinbar nutzlosen Ressourcenkreisläufen. Diese Arbeit steuert daher wesentlich zum aktuellen Wissensstand des Pflanzenmetabolismus bei. Zusätzlich wurde der Effekt von Imazapyr, einem industriell relevanten Herbizid, auf den Metabolismus von Reis mit der neu etablierten Methode untersucht. Diese erste praxisnahe Studie stellt einen wertvollen Machbarkeitsbeweis bereit, und erlaubte darüber hinaus ein tieferes Verständnis der metabolischen Effekte bei der Behandlung. Diese Methode kann auch auf andere Pflanzen, Zelllinien und Stressauslöser, wie zum Beispiel abiotischem Stress, Herbizide und Fungizide, angewandt werden und hat damit ein großes Potential für die grüne Biotechnologie.