| 
					
						|  |  
    					|  |  
    					| Progress in NMR-based metabolomics of Catharanthus roseus |  
						| Qifang PAN,Jingya ZHAO,Yuliang WANG,Kexuan TANG(  ) |  
						| Joint International Research Laboratory of Metabolic & Developmental Sciences, Key Laboratory of Urban Agriculture (South), Ministry of Agriculture, Plant Biotechnology Research Center, Fudan-SJTU-Nottingham Plant Biotechnology R&D Center, School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China |  
						|  |  
					
						| 
								
									|  
          
          
            
              
				
								                
													
													    |  |  
														| 
													
													    | Abstract Metabolomics has been rapidly developed as an important field in plant sciences and natural products chemistry. As the only natural source for a diversity of monoterpenoid indole alkaloids (MIAs), especially the low-abundance antitumor agents vinblastine and vincristine, Catharanthus roseus is highly valued and has been studied extensively as a model for medicinal plants improvement. Due to multistep enzymatic biosynthesis and complex regulation, genetic modification in the MIA pathway has resulted in complicated changes of both secondary and primary metabolism in C. roseus, affecting not only the MIA pathway but also other pathways. Research at the metabolic level is necessary to increase knowledge on the genetic regulation of the whole metabolic network connected to MIA biosynthesis. Nuclear magnetic resonance (NMR) is a very suitable and powerful complementary technique for the identification and quantification of metabolites in the plant matrix. NMR-based metabolomics has been used in studies of C. roseus for pathway elucidation, understanding stress responses, classification among different cultivars, safety and quality controls of transgenic plants, cross talk between pathways, and diversion of carbon fluxes, with the aim of fully unravelling MIA biosynthesis, its regulation and the function of the alkaloids in the plant from a systems biology point of view. |  
															| Keywords 
																																																				Catharanthus roseus  
																		  																																				monoterpenoid indole alkaloids  
																		  																																				NMR  
																		  																																				metabolomics |  
															| Corresponding Author(s):
																Kexuan TANG |  
															| Just Accepted Date: 22 July 2015  
																																														Online First Date: 13 August 2015   
																																														Issue Date: 10 November 2015 |  |  
								            
								                
																																												
															| 1 | Sumner  L W, Mendes  P, Dixon  R A. Plant metabolomics: large-scale phytochemistry in the functional genomics era. Phytochemistry, 2003, 62(6): 817–836 https://doi.org/10.1016/S0031-9422(02)00708-2
														     															     															     		pmid: 12590110
 |  
															| 2 | Schauer  N, Fernie  A R. Plant metabolomics: towards biological function and mechanism. Trends in Plant Science, 2006, 11(10): 508–516 https://doi.org/10.1016/j.tplants.2006.08.007
														     															     															     		pmid: 16949327
 |  
															| 3 | Miettinen  K, Dong  L, Navrot  N, Schneider  T, Burlat  V, Pollier  J, Woittiez  L, van der Krol  S, Lugan  R, Ilc  T, Verpoorte  R, Oksman-Caldentey  K M, Martinoia  E, Bouwmeester  H, Goossens  A, Memelink  J, Werck-Reichhart  D. The seco-iridoid pathway from Catharanthus roseus. Nature Communications, 2014, 5: 3606 https://doi.org/10.1038/ncomms4606
														     															     															     		pmid: 24710322
 |  
															| 4 | De Luca  V, Salim  V, Thamm  A, Masada  S A, Yu  F. Making iridoids/secoiridoids and monoterpenoid indole alkaloids: progress on pathway elucidation. Current Opinion in Plant Biology, 2014, 19: 35–42 https://doi.org/10.1016/j.pbi.2014.03.006
														     															     															     		pmid: 24709280
 |  
															| 5 | Kim  H K, Choi  Y H, Verpoorte  R. NMR-based metabolomic analysis of plants. Nature Protocols, 2010, 5(3): 536–549 https://doi.org/10.1038/nprot.2009.237
														     															     															     		pmid: 20203669
 |  
															| 6 | Brun  G, Dijoux  M G, David  B, Mariotte  A M. A new flavonol glycoside from Catharanthus roseus. Phytochemistry, 1999, 50(1): 167–169 https://doi.org/10.1016/S0031-9422(98)00501-9
 |  
															| 7 | Choi  Y H, Tapias  E C, Kim  H K, Lefeber  A W M, Erkelens  C, Verhoeven  J T J, Brzin  J, Zel  J, Verpoorte  R. Metabolic discrimination of Catharanthus roseus leaves infected by phytoplasma using 1H-NMR spectroscopy and multivariate data analysis. Plant Physiology, 2004, 135(4): 2398–2410 https://doi.org/10.1104/pp.104.041012
														     															     															     		pmid: 15286294
 |  
															| 8 | Sriram  G, Fulton  D B, Shanks  J V. Flux quantification in central carbon metabolism of Catharanthus roseus hairy roots by 13C labeling and comprehensive bondomer balancing. Phytochemistry, 2007, 68(16−18): 2243–2257 https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2007.04.009
														     															     															     		pmid: 17532015
 |  
															| 9 | Toki  K, Saito  N, Irie  Y, Tatsuzawa  F, Shigihara  A, Honda  T. 7-O-Methylated anthocyanidin glycosides from Catharanthus roseus. Phytochemistry, 2008, 69(5): 1215–1219 https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2007.11.005
														     															     															     		pmid: 18164044
 |  
															| 10 | Chung  I M, Ahmad  A, Ali  M, Lee  O K, Kim  M Y, Kim  J H, Yoon  D Y, Peebles  C A M, San  K Y. Flavonoid glucosides from the hairy roots of Catharanthus roseus. Journal of Natural Products, 2009, 72(4): 613–620 https://doi.org/10.1021/np800378q
														     															     															     		pmid: 19271765
 |  
															| 11 | Yang  S O, Kim  S H, Kim  Y, Kim  H S, Chun  Y J, Choi  H K. Metabolic discrimination of Catharanthus roseus calli according to their relative locations using 1H-NMR and principal component analysis. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 2009, 73(9): 2032–2036 https://doi.org/10.1271/bbb.90240
														     															     															     		pmid: 19734668
 |  
															| 12 | Mustafa  N R, Kim  H K, Choi  Y H, Verpoorte  R. Metabolic changes of salicylic acid-elicited Catharanthus roseus cell suspension cultures monitored by NMR-based metabolomics. Biotechnology Letters, 2009, 31(12): 1967–1974 https://doi.org/10.1007/s10529-009-0107-1
														     															     															     		pmid: 19701606
 |  
															| 13 | Mustafa  N R, Kim  H K, Choi  Y H, Erkelens  C, Lefeber  A W M, Spijksma  G, van der Heijden  R, Verpoorte  R. Biosynthesis of salicylic acid in fungus elicited Catharanthus roseus cells. Phytochemistry, 2009, 70(4): 532–539 https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2009.01.009
														     															     															     		pmid: 19251288
 |  
															| 14 | Pan  Q, Dai  Y, Nuringtyas  T R, Mustafa  N R, Schulte  A E, Verpoorte  R, Choi  Y H. Investigation of the chemomarkers correlated with flower colour in different organs of Catharanthus roseus using NMR-based metabolomics. Phytochemical Analysis, 2014, 25(1): 66–74 https://doi.org/10.1002/pca.2464
														     															     															     		pmid: 24151112
 |  
															| 15 | Pan  Q, Wang  Q, Yuan  F, Xing  S, Zhao  J, Choi  Y H, Verpoorte  R, Tian  Y, Wang  G, Tang  K. Overexpression of ORCA3 and G10H in Catharanthus roseus plants regulated alkaloid biosynthesis and metabolism revealed by NMR-metabolomics. PLoS ONE, 2012, 7(8): e43038 https://doi.org/10.1371/journal.pone.0043038
														     															     															     		pmid: 22916202
 |  
															| 16 | Pan  Q, Mustafa  N R, Tang  K, Choi  Y H, Verpoorte  R. Monoterpenoid indole alkaloids biosynthesis and its regulation in Catharanthus roseus: a literature review from genes to metabolites. Phytochemistry Reviews, 2015, DOI: 10.1007/s11101–015–9406–4 (first published online) |  
															| 17 | Mahrous  E A, Farag  M A. Two dimensional NMR spectroscopic approaches for exploring plant metabolome: a review. Journal of Advanced Research, 2015, 6(1): 3–15 https://doi.org/10.1016/j.jare.2014.10.003
														     															     															     		pmid: 25685540
 |  
															| 18 | van der Kooy  F, Maltese  F, Choi  Y H, Kim  H K, Verpoorte  R. Quality control of herbal material and phytopharmaceuticals with MS and NMR based metabolic fingerprinting. Planta Medica, 2009, 75(7): 763–775 https://doi.org/10.1055/s-0029-1185450
														     															     															     		pmid: 19288400
 |  
															| 19 | Murata  J, Luca  V D. Localization of tabersonine 16-hydroxylase and 16-OH tabersonine-16-O-methyltransferase to leaf epidermal cells defines them as a major site of precursor biosynthesis in the vindoline pathway in Catharanthus roseus. Plant Journal, 2005, 44(4): 581–594 https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2005.02557.x
														     															     															     		pmid: 16262708
 |  
															| 20 | Murata  J, Roepke  J, Gordon  H, De Luca  V. The leaf epidermome of Catharanthus roseus reveals its biochemical specialization. Plant Cell, 2008, 20(3): 524–542 https://doi.org/10.1105/tpc.107.056630
														     															     															     		pmid: 18326827
 |  
															| 21 | Ratcliffe  R G, Shachar-Hill  Y. Revealing metabolic phenotypes in plants: inputs from NMR analysis. Biological Reviews of the Cambridge Philosophical Society, 2005, 80(1): 27–43 https://doi.org/10.1017/S1464793104006530
														     															     															     		pmid: 15727037
 |  
															| 22 | Stephanopoulos  G, Stafford  D E. Metabolic engineering: a new frontier of chemical reaction engineering. Chemical Engineering Science, 2002, 57(14): 2595–2602 https://doi.org/10.1016/S0009-2509(02)00088-X
 |  
															| 23 | Ratcliffe  R G, Shachar-Hill  Y. Measuring multiple fluxes through plant metabolic networks. The Plant Journal, 2006, 45(4): 490–511 https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2005.02649.x
														     															     															     		pmid: 16441345
 |  
															| 24 | Kim  S W, Ban  S H, Jeong  S C, Chung  H J, Ko  S M, Yoo  O J, Liu  J R. Genetic discrimination between Catharanthus roseus cultivars by metabolic fingerprinting using1H NMR spectra of aromatic compounds. Biotechnology and Bioprocess Engineering, 2007, 12(6): 646–652 https://doi.org/10.1007/BF02931081
 |  
															| 25 | Hoekenga  O A. Using metabolomics to estimate unintended effects in transgenic crop plants: problems, promises, and opportunities. Journal of Biomolecular Techniques, 2008, 19(3): 159–166 pmid: 19137102
 |  
															| 26 | Contin  A, van der Heijden  R, Lefeber  A W M, Verpoorte  R. The iridoid glucoside secologanin is derived from the novel triose phosphate/pyruvate pathway in a Catharanthus roseus cell culture. FEBS Letters, 1998, 434(3): 413–416 https://doi.org/10.1016/S0014-5793(98)01022-9
														     															     															     		pmid: 9742965
 |  
															| 27 | Muljono  R A B, Scheffer  J J C, Verpoorte  R. Isochorismate is an intermediate in 2, 3-dihydroxybenzoic acid biosynthesis in Catharanthus roseus cell cultures. Plant Physiology and Biochemistry, 2002, 40(3): 231–234 https://doi.org/10.1016/S0981-9428(02)01369-4
 |  
															| 28 | Schuhr  C A, Radykewicz  T, Sagner  S, Latzel  C, Zenk  M H, Arigoni  D, Bacher  A, Rohdich  F, Eisenreich  W. Quantitative assessment of crosstalk between the two isoprenoid biosynthesis pathways in plants by NMR spectroscopy. Phytochemistry Reviews, 2003, 2(1−2): 3–16 https://doi.org/10.1023/B:PHYT.0000004180.25066.62
 |  
															| 29 | Sriram  G, González-Rivera  O, Shanks  J V. Determination of biomass composition of Catharanthus roseus hairy roots for metabolic flux analysis. Biotechnology Progress, 2006, 22(6): 1659–1663 pmid: 17137315
 |  
															| 30 | Fukushima  A, Kusano  M, Redestig  H, Arita  M, Saito  K. Integrated omics approaches in plant systems biology. Current Opinion in Chemical Biology, 2009, 13(5−6): 532–538 https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2009.09.022
														     															     															     		pmid: 19837627
 |  
															| 31 | Urbanczyk-Wochniak  E, Luedemann  A, Kopka  J, Selbig  J, Roessner-Tunali  U, Willmitzer  L, Fernie  A R. Parallel analysis of transcript and metabolic profiles: a new approach in systems biology. EMBO Reports, 2003, 4(10): 989–993 https://doi.org/10.1038/sj.embor.embor944
														     															     															     		pmid: 12973302
 |  
															| 32 | Okazaki  Y, Shimojima  M, Sawada  Y, Toyooka  K, Narisawa  T, Mochida  K, Tanaka  H, Matsuda  F, Hirai  A, Hirai  M Y, Ohta  H, Saito  K. A chloroplastic UDP-glucose pyrophosphorylase from Arabidopsis is the committed enzyme for the first step of sulfolipid biosynthesis. Plant Cell, 2009, 21(3): 892–909 https://doi.org/10.1105/tpc.108.063925
														     															     															     		pmid: 19286968
 |  
															| 33 | Lackman  P, González-Guzmán  M, Tilleman  S, Carqueijeiro  I, Pérez  A C, Moses  T, Seo  M, Kanno  Y, Häkkinen  S T, Van Montagu  M C, Thevelein  J M, Maaheimo  H, Oksman-Caldentey  K M, Rodriguez  P L, Rischer  H, Goossens  A. Jasmonate signaling involves the abscisic acid receptor PYL4 to regulate metabolic reprogramming in Arabidopsis and tobacco. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, 108(14): 5891–5896 https://doi.org/10.1073/pnas.1103010108
														     															     															     		pmid: 21436041
 |  
															| 34 | Rischer  H, Orešič  M, Seppänen-Laakso  T, Katajamaa  M, Lammertyn  F, Ardiles-Diaz  W, Van Montagu  M C, Inzé  D, Oksman-Caldentey  K M, Goossens  A. Gene-to-metabolite networks for terpenoid indole alkaloid biosynthesis in Catharanthus roseus cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2006, 103(14): 5614–5619 https://doi.org/10.1073/pnas.0601027103
														     															     															     		pmid: 16565214
 |  
								            
												
											    	
											        	|  | Viewed |  
											        	|  |  |  
												        |  | Full text 
 | 
 
 |  
												        |  |  |  
												        |  | Abstract 
 | 
 |  
												        |  |  |  
												        |  | Cited |  |  
												        |  |  |  |  
													    |  | Shared |  |  
													    |  |  |  |  
													    |  | Discussed |  |  |  |  |