Influence of abiotic factors on growth and biosynthesis of secondary plant components in Duboisia species
Creators: name: Ullrich, Sophie Friederike
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2016
Subjects: subject: Metabolomics
subject: NMR
subject: HPLC-MS
subject: Breeding
subject: Scopolamine
subject: 660
subject: Scopolamin
subject: NMR-Spektroskopie
subject: HPLC-MS

description: Die in Australien beheimatete Pflanzengattung Duboisia, die historisch schon von den Aborigines verwendet wurde, ist bis heute die Hauptquelle der medizinisch genutzten Tropanalkaloide. Davon werden Scopolamin und dessen Derivate häufig als anticholinerge Wirkstoffe in der Behandlung von postoperativer Übelkeit und Erbrechen, Reiseübelkeit sowie gastrointestinalen, renalen und biliären Krämpfen angewandt. Bis heute wird die globale Marktversorgung mit Scopolamin hauptsächlich über den großflächigen Freilandanbau von Hybriden aus Duboisia myoporoides und Duboisia leichhardtii gewährleistet. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Einflusses von abiotischen Faktoren auf Wuchs und Biosynthese sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe, insbesondere des Scopolamins, in Duboisia. Dabei wurde 1H NMR Metabolite Profiling für einen allgemeinen Vergleich des Primär- und Sekundärstoffwechsels verschiedener Genotypen, Pflanzenorgane, Altersgruppen und Anbaubedingungen eingesetzt. Darüber hinaus wurde eine passende HPLC-MS Methode für die Gehaltsbestimmung der enthaltenen Tropanalkaloide entwickelt und validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Menge an Tropanalkaloiden in Duboisia stark von genetischen Merkmalen sowie von Umwelteinflüssen abhängt, während der Entwicklungszustand eine untergeordnete Rolle spielt. Um den Einfluss der Umweltfaktoren Temperatur, Licht und Makronährstoffe auf die Scopolaminbiosynthese und den Wuchs systematisch zu untersuchen, wurden Pflanzen dreier Genotypen unter kontrollierten Bedingungen in Klimakammern angebaut. Die Datenanalyse zeigt einen hohen Einfluss von Lichtintensität und Stickstoffversorgung auf die Scopolaminproduktion und das Pflanzenwachstum; diese Parameter können gezielt zur Steigerung von Scopolamin- und Biomasseproduktion genutzt werden. Zusammenfassend trägt diese Forschungsarbeit zu einem besseren Verständnis der Interaktion von abiotischen Faktoren mit dem Alkaloidstoffwechsel und dem Pflanzenwachstum bei. Zukünftig werden die in dieser Arbeit entwickelten Methoden dazu beitragen, vielversprechende Genotypen in der Züchtung zu selektieren und geeignete Anbaumethoden für eine optimierte Scopolaminproduktion auszuwählen.
description: The Australian plant genus Duboisia has a long history of use dating back to the Aborigines and still today, it is main source of the medicinally used tropane alkaloids. Thereof scopolamine and its derivatives are often applied as anticholinergic agents in the treatment of postoperative nausea and vomiting, motion sickness as well as gastrointestinal, renal and biliary spasms. Until today, the global supply in scopolamine is mainly covered by large scale field cultivation of hybrids of Duboisia myoporoides and Duboisia leichhardtii. The objective of this work was to evaluate the impact of abiotic elicitors on growth and biosynthesis of secondary plant components in Duboisia species with special focus on scopolamine. Thereby, 1H NMR-based metabolite profiling was applied for a global analysis of primary and secondary metabolism comparing different genotypes, plant organs, growth stages and cultivation conditions. An appropriate HPLC-MS method was developed and validated for a detailed analysis of tropane alkaloids. The results demonstrate that the abundance of tropane alkaloids in Duboisia species is largely influenced by genetic characteristics as well as by environmental conditions, whereas the plant age plays an inferior role. In order to systematically analyse the influence of temperature, light and macronutrients on scopolamine biosynthesis and plant growth, plants of three different genotypes were grown in climate chambers under controlled conditions. The data analysis hereby reveals that especially the light intensity as well as the nitrogen supply have a major impact on the scopolamine and biomass production. All in all, this research contributes to a better understanding of the interaction of abiotic factors with alkaloid metabolism and plant growth. Prospectively, the employment of the methods established within this work will help to select promising genotypes in breeding as well as suitable cultivation conditions for an optimised production of scopolamine.