Roztōmajte teoryje ôbrōny roślin dowajōm wożne wytyczne teoretyczne do klarowanio mustrōw wyspecjalizowanego metabolizmu roślin, ale jejich kluczowe przewidowania muszōm być przebadane. Tukej użyliśmy bezstrōnnyj analizy tandymowyj spektrōmetryje masowyj (MS/MS) do systymatycznego podszukowanio metabolomu szczypōw ôsłabiōnych tabakōm z pojedynczych roślin do populacyjōw i blisko spokrewniōnych gatōnkōw, jak tyż przetworziliśmy srogo liczba teoryjōw cych spektrōmetrycznych masowych ôpartych na spektrach złożōnych we informacyjach. Rōmy do testowanio kluczowych przewidowań teoryje ôptymalnyj ôbrōny (OD) i ruchōmego cylu (MT). Informacyjny skłodnik metabolōmiki roślin je zgodliwy z teoryjōm OD, ale zaprzeczo głōwnymu przewidowaniu teoryje MT na tymat dynamiki metabōlōmiki sprawiōnyj bez roślinożercōw. Ôd skali ewolucyjnyj mikro do makro sygnał jasmōnianowy bōł zidyntyfikowany za głōwny determinant OD, w czasie kej sygnał etylenowy zapewnioł precyzyjne strojowanie ôdpowiedzi specyficznyj do roślinożercōw adnotowanyj bez nec molekularny MS/MS.
Specjalne metabolity ô roztōmajtych strukturach sōm głōwnymi uczestnikami adaptacyje roślin do strzodowiska, ôsobliwie w ôbrōnie przed wrogami (1). Niyôbyczajno rōżnicowanie ekstra metabolizmu wystympujōncego w roślinach pobudziyło dziesiōntki lot głymbokich badań nad jego mocōm aspektōw funkcyjōw ekologicznych i utworziła dugi wykōnz teoryjōw ôbrōny roślin, kere sōm rozwojym ewolucyjnym i ekologicznym interakcyjōw roślinno-ôwadōw. Podszukowania ympiryczne dowajōm ważne wytyczne (2). Jednak te teoryje ôbrōny roślin niy szły normatywnōm sztrekōm hipotytycznego miarkowanio dedukcyjnego, w kerym kluczowe przewidowania były na tym samym poziōmie analizy (3) i były testowane eksperymyntalnie, coby postympować nastympny cykl rozwoju teoretycznego (4). Ôgraniczynia techniczne ôgraniczajōm grōmadzynie danych do ôkryślōnych kategoryji metabolicznych i wykluczajōm wszechstrōnno analiza wyspecjalizowanych metabolitōw, zapobiygajōnc tōż porōwnaniōm miyndzykategoryjōm, kere sōm zdatne do rozwoju teoretycznego (5). Brak wszechstrōnnych danych metabolomicznych i spōlnyj waluty do porōwnowanio przepływu roboty przetworzanio przestrzyństwa metabolicznego miyndzy roztōmajtymi grupami roślin zawodzo naukowyj dojzdrzałości tyj dōmyny.
Nojnowsze ôsiōngniyńcia we dōmynie metabolomiki tandymowyj spektrōmetryje masowyj (MS/MS) mogōm wszechstrōnnie skarakteryzować zmiany metaboliczne we postrzodku i miyndzy gatōnkami danego kladu systymowego i mogōm być łōnczōne z metodami rachōnkowymi do ôbliczanio podobiyństwa strukturalnego miyndzy tymi słożōnymi miszōngami. Wczasniejszo wiedza na tymat chymije (5). Kōmbinacyjo modernych technologijōw w analizie i ôbliczaniu stanowi kōnieczne rōmy do dugoterminowych testowanio mocy przewidowań dokōnanych bez ekologiczne i ewolucyjne teoryje roztōmajtości metabolicznyj. Shannon (6) wkludziōł teoryjo informacyje po roz piyrszy we swojim przełomowym artykule w 1948 roku, położōnc podwaliny matymatycznyj analizy informacyje, kero była używano we mocy dōmyn inkszych aniżeli jeji ôryginalne zastosowanie. W gynōmice teoryjo informacyje była z sukcesym zastosowano do kwantyfikacyje sekwyncyje kōnserwatywnyj informacyje (7). W podszukowaniach nad transkryptōmikōm teoryjo informacyje analizuje ôgōlne zmiany we transkryptōmie (8). W piyrwyjszych badaniach zastosowali my statystyczne rōmy teoryje informacyje do metabolōmiki, coby ôpisać ekspertyza metaboliczno poziōmu tkanek u roślin (9). Tukej łōnczymy przepływ roboty ôparty na MS/MS ze statystycznymi rōmami teoryje informacyje, karakteryzujōncymi sie roztōmajtościōm metabolicznōm we spōlnyj walucie, coby porōwnać kluczowe przewidowania teoryje ôbrōny roślin metabolomu indukowanego bez roślinożercōw.
Rōmy teoretyczne ôbrōny roślin sōm zwykle wzajymnie włōnczajōnce sie i mogōm być potajlowane na dwie kategoryje: te, kere prōbujōm wyklarować porozkłodanie metabolitōw specyficznych do roślin w ôparciu ô funkcyje ôbrōnne, take jak ôptymalno ôbrōna (OD) (10), ruchōmy cyl (MT) (11) ) jak tyż wyglōnd (12) w czasie, jak inksze mechanizacyje w dostympność wpływo na wzrōst roślin i akumulacyjo wyspecjalizowanych metabolitōw, takich jak wōngel: hipoteza rōwnowogi ôdżywczyj skłodnikōw (13), hipoteza tympa wzrōstu (14 ), jak tyż hipoteza rōwnowogi wzrōstu i rōżnicowanio (15). Ôba zestawy teoryji sōm na roztōmajtych poziōmach analizy (4). Jednak dwie teoryje ôbyjmujōnce funkcyje ôbrōnne na poziōmie funkcjōnalnym dōminujōm w godce na tymat ôbrōny kōnstytutywnyj i indukowalnyj roślin: teoryjo OD, kero zakłodo, co rośliny inwestujōm we swoje drogie chymiczne ôbrōny ino wtynczos, kej sōm potrzebne, bez przikłod, kej sōm połkniynte. funkcyjo je przipisano (10); hipoteza MT sugeruje, iże niy ma aksy kerunkowyj pōmiany metabolitōw, ale metabolit zmiynio sie losowo, tworzōnc tōż możliwość Uszkodzynio metabolicznego “cylu ruchu” atakyrujōncych roślinożercōw. Inkszymi słowami, te dwie teoryje dokōnujōm przeciwnych przewidowań na tymat remodelowanio metabolicznego, kere zachodzi po ataku roślinożercōw: zwiōnzek miyndzy jednokerōnkowōm akumulacyjōm metabolitōw ô funkcyji ôbrōnnyj (OD) i niykerōnkowymi zmianami metabolicznymi (MT) (11 ).
Hipotezy OD i MT tykajōm niy ino indukowanych zmian w metabolomie, ale tyż kōnsekwyncyjōw ekologicznych i ewolucyjnych akumulacyje tych metabolitōw, take jak koszty adaptacyjne i korziści tych zmian metabolicznych w ôkryślōnym strzodowisku ekologicznym (16). Chocioż ôbie hipotezy uznajōm ôbrōnne funkcyje wyspecjalizowanych metabolitōw, kere mogōm być abo niy mogōm być drogie, kluczowe przewidowanie, kere ôdrōżnio hipotezy OD i MT, polygo na kerōnkości indukowanych zmian metabolicznych. Przewidowanie teoryje OD zyskało dotychczas nojbarzij eksperymyntalno uwoga. Te testy ôbyjmujōm badanie bezpostrzednich abo postrzednich funkcyjōw ôbrōnne roztōmajtych tkanek ôkryślōnych zwiōnzkōw w cieplarniach i warōnkach naturalnych, jak tyż zmian we etapie rozwoju roślin (17-19). Jednak dotychczas, skuli braku przepływu roboty i rōm statystycznych do globalnyj wszechstrōnnyj analizy roztōmajtości metabolicznyj kożdego ôrganizmu, głōwne przewidowanie rōżnic miyndzy tymi dwōma teoryjami (to znaczy kerōnek zmian metabolicznych) je do testowanio. Tukej dostarczōmy tako analiza.
Jednōm z nojbarzij znaczōncych cych metabolitōw specyficznych do roślin je jejich ekstrymalno roztōmajtość strukturalno na wszyskich poziōmach ôd pojedynczych roślin, populacyjōw do podobnych gatōnkōw (20). Mocka zmian wielościowych we wyspecjalizowanych metabolitach idzie zaôbserwować we skali populacyjnyj, w czasie kej mocne rōżnice jakościowe sōm zwykle utrzimowane na poziōmie gatōnku (20). Beztōż roztōmajtość metaboliczno roślin je głōwnym aspektym roztōmajtości funkcjōnalnyj, kero ôdbijo zdolność do roztōmajtych nisz, ôsobliwie tych nisz z roztōmajtymi możebnościami inwazyje ekstra ôwadōw i zwykłych roślinożercōw (21). Ôd czasu przełōmowego artykułu Fraenkela (22) na tymat prziczyn istniynio metabolitōw specyficznych do roślin, interakcyje z roztōmajtymi ôwadami były uwożane za wożne presyje selekcyjne, a uwożo sie, co te interakcyje formowały rośliny w czasie ewolucyje. Szlaka metaboliczno (23). Rōżnice miyndzygatōnkowe w roztōmajtości wyspecjalizowanych metabolitōw mogōm tyż ôdzwierciedlać rōwnowoga fizjologiczno zwiōnzano z kōnstytutywnōm i indukowalnōm ôbrōnōm roślin przed strategijami roślinożerczymi, pōniywoż ôba gatōnki sōm ze sobōm czynsto ujymnie skorelowane (24). Chocioż utrzimanie dobryj ôbrōny może być użyteczne we cołkim czasie, wczasne zmiany metaboliczne zwiōnzane z ôbrōnōm przinosiōm klarowne korziści, przizwlajōnc roślinōm na alokacyjo cynnych zasobōw na inksze inwestycyje fizjologiczne (19, 24) i unikanie potrzeby symbiozy. Szkody poboczne (25). Ôkrōm tego te reôrganizacyje wyspecjalizowanych metabolitōw sprawiōne bez ôwady roślinożercy mogōm kludzić do destrukcyjnego dystrybucyje we populacyji (26) i mogōm ôdzwierciedlać bezpostrzednie ôdczyty znaczōncych naturalnych zmian w sygnale kwasu jasmōnicznego (JA), kere mogōm być utrzimowane we populacyji. Wysoke i niske sygnały JA sōm kōmprōmisami miyndzy ôbrōnōm przed roślinożercami a kōnkuryncyjōm z ôkryślōnymi gatōnkami (27). Ôkrōm tego wyspecjalizowane sztreki biosyntytyczne metabolitōw przechodzōm gibko utrata i transformacyjo w czasie ewolucyje, co skutkuje łamowym porozkłodaniym metabolicznym postrzōd blisko spokrewniōnych gatōnkōw (28). Te polimorfizmy idzie wartko ustalić w ôdpowiedzi na zmiyniajōnce sie mustry roślinożercōw (29), co ôznaczo, iże fluktuacyje społeczności roślinożercōw sōm kluczowym faktorym napyndzajōncym heterogyniczność metaboliczno.
Tukej kōnkretnie rozwiōnzali my nastympujōnce problymy. (I) Jak ôwad roślinożerczy przekōnfiguruje metabolōm roślin? (Ii) Jake sōm głōwne informacyjne skłodniki plastyczności metabolicznyj, kere idzie ôkreślić, coby przebadać przewidowania dugoterminowyj teoryje ôbrōny? (Iii) Eli reprogramować metabōlōm roślin w spōsōb unikatowy do atakyrujōncego, jeźli tak, jako rola ôdgrywo hormōn roślinny w przifasowaniu ôkryślōnyj ôdpowiedzi metabolicznyj i jake metabolity prziczyniajōm sie do specyficzności ôbrōny gatōnkowyj? (Iv) Pōniywoż przewidowania dokōnane bez mocka teoryjōw ôbrōny mogōm być rozszyrzōne na wszyske poziōmy tkanek biologicznych, zapytali my, jak spōjno je sprawiōno ôdpowiydź metaboliczno ôd wnyntrznego porōwnanio do porōwnanio miyndzygatōnkowego? W tym cylu systymatycznie podszukowali my metabōm liści nikotyny tabakowyj, kero je ekologicznōm roślinōm modelowōm ô bogatym wyspecjalizowanym metabolizmie i je skuteczno przeciwko larwōm dwōch rodzimych roślinożercōw, Lepidoptera Datura (Ms) ( Barzo agresywne, głōwnie jedzōne) “rodzaj”, z roślinami gospodorzami Solanaceae i inkszymi gospodorzami inkszych zort i familijōw Pożywiynie roślinne. Analizowali my widmo metabolomiki MS/MS i wydobyli my deskryptory statystyczne teoryje informacyje, coby porōwnać teoryje OD i MT. Tworz karty specyficzności, coby ujawnić tożsamość kluczowych metabolitōw. Analiza była rozszyrzōno na rodzimo populacyjo N. nasi i blisko spokrewniōnych gatōnkōw tabaku, coby dalij przeanalizować kowariancyjo miyndzy sygnalizacyjōm hormōnōw roślinnych a indukcyjōm OD.
Coby uchwycić ôgōlno karta plastyczności i struktury metabolōmu liściowego tabaki roślinożerczyj, użyliśmy wczasnij ôbrobiōnego przepływu roboty analizy i ôbliczanio do wszechstrōnnego zebranio i dekōnwolucyje danych w wysokij rozdzielczości niyznoleżnych spektrōw MS/MS z ekstraktōw roślinnych ( 9). Ta niyzrōżnicowano metoda (zwano MS/MS) może kōnstruować niyredundantne spektra zwiōnzkōw, co mogōm być potym użyte do wszyskich ôpisanych tukej analiz na poziōmie zwiōnzkōw. Te rozłożōne metabolity roślinne sōm roztōmajtych zortōw, skłodajōm sie z setkōw do tysiyncy metabolitōw (tu kole 500-1000-s/MS/MS). Tukej rozwożōmy plastyczność metaboliczno w rōmach teoryje informacyje i kwantyfikujymy roztōmajtość i profesjōnalizm metabolomu podle yntropije Shannona dystrybucyje frekwyncyje metabolicznyj. Przi użyciu wczasnij zaimplymyntowanego wzoru (8), porachowali my zestow wskoźnikōw, kere mogōm być użyte do kwantyfikacyje roztōmajtości metabolomu (skaźnik Hj), specjalizacyje profilu metabolicznego (skaźnik δj) i specyficzności metabolicznyj pojedynczego metabolitu (skaźnik Si) . Ôkrōm tego zastosowali my indeks plastyczności wzglyndnyj ôdległości (RDPI) do kwantyfikacyje indukowalności metabolomu roślinożercōw (Figura 1A) (30). W tych statystycznych rōmach traktujymy widmo MS/MS za bazowo jednotka informacyjno, i przetworzōmy zglyndno hojność MS/MS w karta dystrybucyje frekwyncyje, a potym używōmy yntropije Shannona do ôszacowanio z niego roztōmajtości metabolomōw. Specjalizacyjo metabolōmu je mierzōno bez strzednio specyficzność pojedynczego widma MS/MS. Beztōż wzrōst hojności niykerych klas MS/MS po indukcyji roślinożercōw przekształco sie we indukcyjność spektralno, RDPI i specjalizacyjo, to znaczy wzrōst indeksu δj, skuli tego, co wytworzo sie barzij wyspecjalizowane metabolity i wytworzo sie wysoki indeks Si. Ôbniżynie indeksu roztōmajtości Hj ôdzwierciedlo, iże abo liczba wygynerowanych MS/MS je zmyńszōno, abo dystrybucyjo frekwyncyje profilu zmiynio sie w mynij jednolitym kerōnku, przi zmyńszaniu jego ôgōlnyj niypewności. Bez ôbliczanie indeksu Si idzie podkreślić, kere MS/MS sōm indukowane bez niykere roślinożerce, przeciwnie, kere MS/MS niy ryagowajōm na indukcyjo, co je kluczowym wskoźnikiym do rozrōżniynio przewidowanio MT i OD.
(A) Statystyczne deskryptory używane do roślinożercōw (H1 do Hx) indukowalności danych MS/MS (RDPI), roztōmajtości (indeks Hj), specjalizacyje (indeks δj) i specyficzności metabolitōw (indeks Si). Wzrōst stopnia specjalizacyje (δj) wskozuje na to, iże strzednio bydzie wyprodukowane wiyncyj roślinożerczych specyficznych metabolitōw, w czasie kej spodk roztōmajtości (Hj) wskozuje na spodk produkcyje metabolitōw abo niyrōwnomierny porozkłod metabolitōw na karcie dystrybucyje . Werta Si ôcynio, eli metabolit je specyficzny do danego stanu (tu roślinożerczy) abo ôdwrotnie utrzimowany na tym samym poziōmie. (B) Kōnceptualny diagram przewidowanio teoryje ôbrōny ze użyciym aksy teoryje informacyje. Teoryjo OD przewiduje, iże atak roślinożercōw zwiynkszy metabolity ôbrōnne, a tym samym zwiynkszy δj. W tym samym czasie Hj maleje, skuli tego, co profil je reôrganizowany w kerōnku zmyńszōnyj niypewności informacyje metabolicznyj. Teoryjo MT przewiduje, iże atak roślinożercōw powoduje niykerōnkowe zmiany we metabolomie, zwiynkszajōnc w tyn spōsōb Hj jako wskoźnik zwiynkszōnyj niypewności informacyjnyj metabolicznyj i powodujōnc losowy porozkłod Si. Zapropōnowali my tyż model miyszany, nojlepszy MT, w kerym niykere metabolity ô wyższych wartościach ôbrōnne bydōm ekstra zwiynkszōne (wysoko wartość Si), w czasie kej inksze wykazujōm losowe ryakcyje (niższo wartość Si).
Przi użyciu deskryptorōw teoryje informacyje, interpretujymy teoryjo OD, coby przewidować, iże zmiany ekstra metabolitōw indukowane bez roślinożercōw w niyindukowanym stanie kōnstytutywnym dokludzōm do (i) wzrōstu specyficzności metabolicznyj (indeks Si), napyndzajōncyj specyficzność metabonōmiczno (indeks δj) Wzrōst) niykerych ekstra grup metabolitōw z wyższōm wartościōm ôbrōnne ( indeks) skirz pōmiany dystrybucyje frekwyncyje metabolicznyj na srogszo dystrybucyjo ciała leptyny. Na poziōmie jednego metabolitu ôczekuje sie uporzōndkowanego dystrybucyje Si, kaj metabolit zwiynkszy wartość Si zgodnie z jego wartościōm ôbrōnnōm (Figura 1B). W tym duchu klarujemy teoryjo MT, coby przewidyć, iże pobudzynie dokludzi do (i) niykerōnkowych zmian w metabolitach, kere skutkujōm spodkym indeksu δj i (ii) wzrōstym indeksu Hj skirz wzrōstu niypewności metabolicznyj. Abo przipodkowość, kero może być ôkryślōno bez yntropijo Shannona we formie uôgōlniōnyj rozmajtości. Co sie tyczy składu metabolicznego, teoryjo MT przewiduje losowy porozkłod Si. Bez zarachowanie, iże niykere metabolity sōm w ôkryślōnych warōnkach w ôkryślōnych warōnkach, a inksze warōnki niy sōm w ôkryślōnych warōnkach, a jejich wert ôbrōny zależy ôd strzodowiska, zapropōnowali my tyż model miyszanyj ôbrōny, w kerym δj i Hj sōm porozkłodane na dwa wzduż Si Wzrōst we wszyskich kerōnkach, w czasie kej niykere przipodkowe inksze grupy metabolitōw zwiynkszajōm wartość ôbrōny. dystrybucyjo (Figura 1B).
Coby przetestować przedefiniowane przewidowanie teoryje ôbrōny na aksie deskryptora teoryje informacyje, wychowali my larwy roślinożercōw eksperckich (Ms) abo ôgōlnych (Sl) na listkach Nepenthes pallens (Figura 2A). Przi użyciu analizy MS/MS, pozyskaliśmy 599 niyredundantnych spektrōw MS/MS (plik danych S1) z ekstraktōw metanolu z tkanki liściowyj zebranych po karmiyniu gōńsiōw. Użycie indeksōw RDPI, Hj i δj do wizualizacyje rekōnfiguracyje treści informacyjnyj w plikach kōnfiguracyjnych MS/MS pokozuje interesujōnce mustry (Figura 2B). Ôgōlnym tryndym je to, co, jak ôpisuje deskryptōr informacyjny, skuli tego, co gōńsiōny durch jedzōm liście, stopiyń cołkij reôrganizacyje metabolicznyj wzrosto w czasie: 72 godziny po jedzyniu roślinożerza, RDPI znaczōnco wzrosto. W porōwnaniu z niyposzkodzōnōm kōntrolōm Hj bōł znaczōnco zmyńszōny, co wyniko ze zwiynkszōnego stopnia specjalizacyje profilu metabolicznego, kery bōł ôkryślōny bez indeks δj. Tyn złudny trynd je zgodliwy z przewidowaniami teoryje OD, ale je niyspōjny z głōwnymi przewidowaniami teoryje MT, kero uwożo, iże losowe (niykerōnkowe) zmiany poziōmu metabolitōw sōm używane za ôbrōnne kamuflaż (Figura 1B). Chocioż zawartość wywołujōncych sekrecje ustnyj (OS) i zachowanie karmiynio tych dwōch roślinożercōw sōm inksze, jejich bezpostrzednie karmiynie sprawiyło podobne zmiany w kerōnkach Hj i δj w ôkresach 24-godzinnych i 72-godzinnych zbiorōw. Jedyno rōżnica ukozała sie po 72 godzinach RDPI. W porōwnaniu z tym sprawiōnym bez karmiynie Ms, ôgōlny metabolizm indukowany bez karmiynie Sl bōł srogszy.
(A) Projekt eksperymyntalny: roślinożerce wszeôbecne świnie (S1) abo ekspercke (Ms) sōm karmiōne ôdsolōnymi listkami roślin dzbankowych, w czasie kej w przipadku symulowanego roślinożerstwa OS Ms (W + OSMs) je używany do ôbsuganio przekłucio standaryzowanych pozycyjōw liści. Larwy S1 (W + OSSl) abo woda (W + W). Kōntrola (C) je niyposzkodzōnym liściym. (B) Indukcyjność (RDPI w porōwnaniu z wykresym kōntrolnym), indeks roztōmajtości (indeks Hj) i specjalizacyje (indeks δj) ôbliczany do ekstra karty metabolitōw (599 MS/MS; plik danych S1). Gwiozdki skazujōm na znaczōnce rōżnice miyndzy bezpostrzednim karmiyniym roślinożercōw a grupōm kōntrolnōm (test t Studenta z dwojistym testym t, *P<0,05 i ***P<0,001). ns, niy ważne. (C) Indeks rozdzielczości czasowyj głōwnego (blue box, aminokwas, kwas ôrganiczny i cuker; plik danych S2) i ekstra widma metabolitōw (czerwōny box 443 MS/MS; plik danych S1) po symulowanym ôbsudzeniu roślinożercōm. Pasmo farbōw ôdnosi sie do 95% przedziału dufności. Gwiozdka skazuje na znaczōnco rōżnica miyndzy lyczyniym a kōntrolōm [kwadratyczno analiza wariancyje (ANOVA), po keryj przichodzi szczyro znaczōnco rōżnica Tukey'a (HSD) do post hoc wielokrotnych porōwnań, *P<0,05, **P<0,01 I *** P <0,001]. (D) Specjalizacyjo plotōw rozproszynio i ekstra profilōw metabolitōw (powtarzajōnce sie prōbki z roztōmajtymi ôbrōbkami).
Coby zbadać, eli remodelowanie indukowane bez roślinożercōw na poziōmie metabolomu ôdbija sie we zmianach poziōmu pojedynczych metabolitōw, skupiyli my sie nojprzōd na metabolitach wczasnij badanych w listkach Nepenthes pallens ô udowodniōnyj ôdporności roślinożercōw. Amidy fenoliczne to kōniugaty hydroksycynamamid-poliamina, kere grōmadzōm sie w czasie procesu roślinożernictwa ôd ôwadōw i sōm znane z tego, iże zmyńszajōm wydajność ôwadōw (32). Przeszukowali my prekursory ôdpednich MS/MS i wykreślyli jejich kumulatywne krzywe kinetyczne (Figura S1). Niydziwi, że pochodne fenolu, kere niy bierōm udział dyrekt w ôbrōna przed roślinożercami, take jak kwas chlorogyniczny (CGA) i rutyna, sōm po roślinożerstwie ôdregulowane. W przeciwiyństwie do tego, roślinożerce mogōm sprawić, iże amidy fenolu sōm barzo potyntne. Ciōngłe karmiynie dwōch roślinożercōw skutkowało bezma tym samym widmym pobudzynio fenolamidōw, a tyn muster bōł ôsobliwie ôczywisty w przipadku syntezy de novo fenolamidōw. To samo zjawisko bydzie zaôbserwowane przi badaniu sztreki glikozydōw diterpenōw 17-hydroksygeranilowej nonanediolowych (17-HGL-DTG), co produkuje srogo liczba acyklicznych diterpenōw ô skutecznych funkcyjach przeciwroślinożerczych (33), z kerych Ms Feeding profilowała podobno ekspresyjo SlFigure1).
Możliwōm wadōm bezpostrzednich eksperymyntōw z karmiyniym roślinożercōw je rōżnica w tympie kōnsumpcyje liści i czasie karmiynio roślinożercōw, co utrudnio wyeliminowanie skutkōw specyficznych do roślinożercōw sprawiōnych bez rany i roślinożercy. Coby lepij rozwiōnzać specyficzność indukowanyj ôdpowiedzi metabolicznyj liści ôd gatōnku roślinożercōw, symulowali my karmiynie larw Ms i Sl bez zaroz zastosowanie świyżo zebranego OS (OSM i OSS1) do sztandardowyj punkcyje W spōjnych pozycyjōw liści. Ta procedura nazywo sie lyczyniym W + OS i standaryzuje indukcyjo bez akuratne czas poczōntku ôdpowiedzi wywołanyj bez roślinożerca bez powodowanio mylōncych skutkōw rōżnic w tympie abo wielości utraty tkanek (Figura 2A) (34). Przi użyciu analizy MS/MS i rachōnkōw, pozyskałyśmy 443 spektrōw MS/MS (plik danych S1), co pokrywały sie ze widmami wczasnij stworzōnymi z eksperymyntōw bezpostrzednigo pasywanio. Analiza teoryje informacyje tego zbioru danych MS/MS pokozała, iże reprogramowanie metabolōmōw wyspecjalizowanych w liściach bez symulacyjo roślinożercōw wykozało indukcyje specyficzne do OS (Figura 2C). Nojbarzij w porōwnaniu z lyczyniym OSS1, OSM sprawiyło zwiynkszynie specjalizacyje metabolomu po 4 godzinach. Warto zauważyć, iże w porōwnaniu z eksperymyntalnym zbiorym danych ô bezpostrzednim karmiyniu roślinożercōw, kinetyka metaboliczno wizualizowano w dwuwymiarowym przestrzyństwie przi użyciu Hj i δj za spōłrzyndne jak tyż kerōnkowość specjalizacyje metabōlōmu w ôdpowiedzi na symulowane lyczynie roślinożercōw w czasie wzrosto spōjne (Figura 2D). W tym samym czasie ôkryślyliśmy zawartość aminokwasōw, kwasōw ôrganicznych i cukrōw (plik danych S2), coby zbadać, eli tyn cylowy wzrōst ekspertyzy w metabolomie je sprawiōny rekōnfiguracyjōm ôstrzodkowego metabolizmu wōnglo w ôdpowiedzi na symulowane roślinożerce ( Figura S2). Coby lepij wyklarować tyn muster, mōnitorowali my dalij kinetyka akumulacyje metabolicznyj wczasnij ômōwiōnych sztrek fenolamidowych i 17-HGL-DTG. Specyficzno do OS indukcyjo roślinożercōw je przekształcano w muster rōżnicowego przeukładanio w ôbrymbie metabolizmu fynolamidōw (Figura S3). Amidy fenoliczne zawiyrajōnce ôgrōmki kumaryny i kafeoylu sōm preferyncyjnie indukowane bez OSS1, w czasie kej OSM wywołujōm specyficzno indukcyjo kōniugatōw ferulilu. W przipadku sztreki 17-HGL-DTG wykryto rōżnicowo indukcyjo OS bez downstream produkty malonylacyje i dymalōnilacyje (Figura S3).
Dalij podszukowali my plastyczność transkryptōmu indukowano bez OS ze użyciym zbioru danych mikrotablicy w przebiegu czasowym, co symuluje użycie OSM do ôbsugi listkōw listkōw rosety u roślinożercōw. Kinetyka prōbkowanio zasadniczo pokrywo sie z kinetykōm użytōm w tym badaniu metabolomicznym (35). W porōwnaniu z rekōnfiguracyjōm metabolomu, w keryj plastyczność metaboliczno je ekstra zwiynkszōno z czasym, ôbserwujymy przechodnie wybuchy transkrypcyje w listkach indukowane bez Ms, kaj indukcyjność transkryptōmu (RDPI) i specjalizacyjo (δj) sōm na 1 Był znaczōncy wzrōst godzin, a roztōmajtość (Hj) w tym pōnkcie czasowym zmyńszyła sie ekspresyjo BMPx, specjalizacyje transkryptōmu (Figura S4). Familije gynōw metabolicznych (take jak P450, glikozylotransferaza i acyltransferaza BAHD) uczestniczōm w procesie łōnczynio ekstra metabolitōw z jednostek strukturalnych pochodzōncych z piyrwotnego metabolizmu, podōnżajōnc za spōmnianym wyżyj modelym wczasnyj wysokij specjalizacyje. Za podszukowanie przipodku przeanalizowano sztreka fenylalaniny. Analiza potwierdziyła, iże gyny jōndrowe w metabolizmie fynolamidōw sōm fest indukowane bez OS u roślinożercōw w porōwnaniu z niyprziciōnganymi roślinami i sōm ściśle wyrōwnane we swojich mustrach ekspresyje. Faktōr transkrypcyje MYB8 i gyny strukturalne PAL1, PAL2, C4H i 4CL we przednij czynści tyj sztreki wykozały wczasne inicjacyjo transkrypcyje. Acyltransferazy, kere ôdgrywajōm rola w ôstatecznym zespołu fenolamidu, take jak AT1, DH29 i CV86, wykazujōm przedugszony muster upregulacyje (Figura S4). Powyższe ôbserwacyje wskazujōm, co wczasne inicjatywanie specjalizacyje transkryptōmu i niyskorniyjsze ulepszynie specjalizacyje metabolomiki to tryby sprzyngniynte, co może być sprawiōne synchrōnnym systymym regulacyjnym, kery inicjuje potynżno ôdpowiydź ôbrōnne.
Rekōnfiguracyjo w sygnalizacyji hormōnalnyj roślinnyj działo za warstwa regulacyjno, kero integruje informacyje roślinożercze do reprogramowanio fizjologije roślin. Po symulacyji roślinożercōw zmierzili my kumulacyjno dynamika kluczowych kategoryji hormōnōw roślinnych i wizualizowali my czasowo koekspressyjo miyndzy niymi [spōłczynnik korelacyje Pearsona (PCC)> 0,4] (Figura 3A). Jak ôczekowano, hormōny roślinne zwiōnzane z biosyntezōm sōm połōnczōne w necu koekspressyje hormōnōw roślinnych. Ôkrōm tego specyficzność metaboliczno (indeks Si) je mapowano na tyn nec, coby podkreślić hormōny roślinne indukowane bez roztōmajte ôperacyje. Dwa głōwne przestrzyństwa specyficznyj ôdpowiedzi roślinożerczych sōm rysowane: jedyn je we klastrze JA, kaj JA (jeji biologicznie aktywno forma JA-Ile) i inksze pochodne JA wykazujōm nojwyższy wynik Si; drugim je etylyn (ET). Gibberelina wykozała ino strzedni wzrōst specyficzności roślinożercōw, w czasie kej inksze hormōny roślinne, take jak cytokinina, auksyna i kwas abscizynowy, miały nisko specyficzność indukcyjno do roślinożercōw. W porōwnaniu ze użyciym ino W + W, amplifikacyjo szczytowyj werty pochodnych JA bez zastosowanie OS (W + OS) może być w głōwnym zorcie przekształcōne we mocny specyficzny wskoźnik JA. Niyôczekiwanie wiadōmo, iże OSM i OSS1 ô roztōmajtyj zawartości elicitora powodujōm podobno akumulacyjo JA i JA-Ile. W ôpaczności do OSS1, OSM je specyficznie i moc indukowany bez OSM, w czasie kej OSS1 niy zmocnio ôdpowiedzi ran podstawowych (Figura 3B).
(A) Analiza necu koekspressyje ôparto na rachōnkach PCC symulacyje kinetyki akumulacyje hormōnōw roślinnych indukowanyj bez roślinożercōw. Wyndzeł reprezyntuje pojedynczy hormōn roślinny, a srogość wynzyka reprezyntuje indeks Si specyficzny do hormōnu roślinnego miyndzy ôbrōbkami. (B) Akumulacyjo JA, JA-Ile i ET w listkach sprawiōno bez roztōmajte ôbrōbki wskazane bez roztōmajte farby: abrykosa, W + OSM; błynkitny, W + OSSl; czorny, W + W; szaro, C (kōntrola) . Gwiozdki skazujōm na znaczōnce rōżnice miyndzy lyczyniym a kōntrolōm (dwudyrekcyjno ANOVA, po keryj przichodzi wielokrotne porōwnanie post hoc Tukey'a HSD, *** P <0,001). Analiza teoryje informacyje (C)697 MS/MS (plik danych S1) w biosyntezie JA i zaburzyniu widma percepcyje (irAOC i irCOI1) jak tyż (D)585 MS/MS (plik danych S1) w ETR1 z zaburzyniym sygnału ET Dwa symulowane plany kōntrole roślinożercōw i plan EV wywołały. Gwiozdki skazujōm na znaczōnce rōżnice miyndzy lyczyniym W+OS a niyposzkodzōnōm kōntrolōm (dwudyrekcyjno ANOVA, po keryj przichodzi wielokrotne porōwnanie post hoc Tukey'a HSD, *P<0,05, **P<0,01 i ***P<0,001). (E) Rozproszōne wykresy rozproszōnyj ôpozycyje wobec specjalizacyje. Farby reprezyntujōm rozmajte gynetycznie zmodyfikowane szczypy; symbole reprezyntujōm roztōmajte metody lyczynio: trōjkōnt, W + OSS1; prostokōnt, W + OSM; ôkrōng C
Dalij używōmy gynetycznie zmodyfikowanego szczypu ôsłabiōnego Nepenthes (irCOI1 i sETR1) w kluczowych etapach biosyntezy JA i ET (irAOC i irACO) jak tyż percepcyje (irCOI1 i sETR1) do analizy metabolizmu tych dwōch hormōnōw roślinnych w reprogramowanie roślinożercōw. Zgodnie z piyrwyjszymi eksperymyntami, potwierdziyli my indukcyjo roślinożercōw-OS w ​​roślinach prōżnych nosicieli (EV) (Figura 3, C do D) i ôgōlny spod indeksu Hj sprawiōny bez OSM, w czasie kej indeks δj wzrōs. Ôdpowiydź je barzij wyraźno aniżeli ôdpowiydź wywołano bez OSS1. Dwulinijowy wykres, kery używo Hj i δj za spōłrzyndne, pokozuje specyficzno deregulacyjo (Figura 3E). Nojbarzij ôczywistym tyndyncyjōm je to, iże u szczypōw pozbytych sygnału JA roztōmajtość metabolomu i zmiany specjalizacyje sprawiōne bez roślinożercōw sōm hned doimyntnie wyeliminowane (Figura 3C). W przeciwiyństwie do tego, niymy percepcyjo ET u roślin sETR1, chocioż ôgōlny wpływ na zmiany w metabolizmie roślinożercōw je moc niższy aniżeli sygnalizacyjo JA, ôsłabio rōżnica w indeksach Hj i δj miyndzy pobudzaniami OSM i OSS1 (Figura 3D i Figura S5). . Wskazuje to, iże ôkrōm podstawowyj funkcyje transdukcyje sygnału JA, transdukcyjo sygnału ET suży tyż za dokōnanie specyficznyj do gatōnku ôdpowiedzi metabolicznyj roślinożercōw. Zgodnie z tōm funkcyjōm fine-tuning, niy prziszła zmiany w ôgōlnyj indukowalności metabolomu u roślin sETR1. Z drugij strōny, w porōwnaniu z roślinami sETR1, rośliny irACO indukowały podobne ôgōlne ampitudy zmian metabolicznych sprawiōnych bez roślinożercōw, ale wykozały znaczōnco rōżne wyniki Hj i δj miyndzy wyzwaniami OSM i OSS1 (Figura S5).
Coby zidyntyfikować wyspecjalizowane metabolity, kere majōm wożny wkłod we gatōnkowo ôdpowiydź roślinożercōw i dosztymować jejich produkcyjo bez sygnały ET, użyliśmy wczasnij ôbrobiōnyj strukturalnyj metody MS/MS. Ta metoda ôpiyro sie na metodzie dwuklastrowanio, coby zaś wnioskować familijo metaboliczno z fragmyntōw MS/MS [znormalizowany produkt kropkowy (NDP)] i wynik podobiyństwa ôparty na neutralnyj stracie (NL). Zbiōr danych MS/MS skōnstruowany bez analiza transgynicznych linijōw ET dał 585 MS/MS (plik danych S1), co było rozwiōnzane bez skupiynie jejich na siedym głownych modułōw MS/MS (M) (Figura 4A) . Niykere z tych modułōw sōm gynsto zapakowane wczasnij skorakteryzowanymi ekstra metabolitami: bez przikłod M1, M2, M3, M4 i M7 sōm bogate w roztōmajte pochodne fenolu (M1), glikozydy flawonoidowe (M2), cukry acylowe (M3 i M4) jak tyż 17-HGL-DTG (M7). Ôkrōm tego ôbliczo sie informacyjo specyficzno metaboliczno (indeks Si) pojedynczego metabolitu w kożdym module, a jego dystrybucyjo Si idzie zoboczyć intuicyjnie. Krōtko godajōnc, spektra MS/MS wykazujōnce wysoko specyficzność roślinożernictwa i gynotypu karakteryzujōm sie wysokimi wartościami Si, a statystyki kurtozy wskazujōm na porozkłodanie futra na prawym rogu ôgōnu. Jedna tako chude dystrybucyjo koloidōw była wykryto w M1, w kerym amid fenolu wykozoł nojwyższo frakcyjo Si (Figura 4B). Wczasnij spōmniany roślinożerczy indukcyjny 17-HGL-DTG w M7 wykozoł strzedni wynik Si, co wskozuje na strzedni stopiyń rōżnicowyj regulacyje miyndzy dwōma zortami OS. W przeciwiyństwie do tego, wiynkszość kōnstytutywnie produkowanych wyspecjalizowanych metabolitōw, takich jak rutyna, CGA i cukry acylowe, je postrzōd nojniższych wynikōw Si. Coby lepij zbadać słożōność strukturalno i dystrybucyjo Si miyndzy ekstra metabolitami, do kożdego modułu stworzōno nec molekularny (Figura 4B). Wożnym przewidowaniym teoryje OD (podsumowane na figurze 1B) je to, co reôrganizacyjo ekstra metabolitōw po roślinożerzyniu winna kludzić do jednospōłczynnych zmian w metabolitach ô wysokij wartości ôbrōnne, ôsobliwie bez zwiynkszynie jejich specyficzności (w ôpaczności do losowego dystrybucyje) Tryb) Metabolit ôbrōnne przewidowany bez teoryjo MT. Wiynkszość pochodnych fenolu grōmadzōnych w M1 je funkcjōnalnie zwiōnzano ze spodkym wydajności ôwadōw (32). Przi porōwnowaniu wartości Si w metabolitach M1 miyndzy indukowanymi listkami a skłodowymi listkami roślin kōntrolnych EV po 24 godzinach, zaôbserwowaliśmy, iże specyficzność metaboliczno mocki metabolitōw po ôwadach roślinożerczych mo znaczōncy trynd wzrōstu (Figura 4C). Specyficzny wzrōst wartości Si bōł wykryty ino w ôbrōnnych fenolamidach, ale niy wykryto wzrōstu wartości Si w inkszych fenōlach i niyznōmych metabolitach spōłistniejōncych w tym module. Je to wyspecjalizowany model, co je zwiōnzany ze teoryjōm OD. Głōwne przewidowania zmian metabolicznych sprawiōnych bez roślinożercōw sōm spōjne. Coby przebadać, eli ta ôsobliwość widma fenolamidōw była indukowano bez OS-specyficzny ET, wykreśli my indeks metabolitu Si i sprawiyli rōżnicowo wartość ekspresyje miyndzy OSM i OSS1 w gynotypach EV i sETR1 (Figura 4D ). W sETR1 rōżnica indukowano bez fenamid miyndzy OSM a OSS1 była moc zmyńszōno. Metoda bi-klasterowanio była tyż zastosowano do danych MS/MS zebranych we szczypach z niystykajōncym JA, coby wywnioskować głōwne moduły MS/MS zwiōnzane ze specjalizacyjōm metabolicznōm regulowanōm bez JA (Figura S6).
(A) Wyniki klastrowanio 585 MS/MS ôparte na spōlnym fragmyncie (podobiyństwo NDP) i spōlnyj stracie neutralnyj (podobiyństwo NL) skutkujōm tym, iże modul (M) je zgodliwy ze znanōm familijōm zwiōnzkōw abo bez niyznōmy abo słabo zmetabolizowany skłod Metabolitōw. Kole kożdego modułu pokozano je dystrybucyjo specyficzno (Si) metabolitōw (MS/MS). (B) Modułowy nec molekularny: Wynzyki reprezyntujōm MS/MS i ranty, NDP (czerwōny) i NL (modro) wyniki MS/MS (cut-off,> 0,6). Stopniowy indeks specyficzności metabolitōw (Si) ôfarbiōny podle modułu (po lewyj) i mapowany na nec molekularny (po prawyj). (C) Modul M1 rośliny EV we stanie kōnstytutywnym (kōntrolnym) i indukowanym (symulowany roślinożerc) po 24 godzinach: diagram necu molekularnego (wert Si to srogość wynźla, ôbrōnne fenolamid je podświytlany modrym). (D) Diagram necu molekularnego M1 linije widma sETR1 ze zaburzōnōm percepcyjōm EV i ET: zwiōnzek fynolowy reprezyntowany bez wynźel zielōnego koła, jak tyż znaczōnco rōżnica (wert P) miyndzy ôbsudzkami W + OSM i W + OSS1 jako srogość wynźla. CP, N-kafeoil-tyrozyna; CS, N-kafeoilo-spermidyna; FP, kwas N-ferulowy ester-kwas moczowy; FS, N-ferulyl-spermidyna; CoP, N', N “-kumarolilo-tyrozyna; DCS, N', N”-dikafeoilo-spermidyna; CFS, N', N”-kofeoil, feruloil-spermidyna; Lyc barbarum w jagodowyj synu; Nick. O-AS, cuker O-acylowy.
Rozszyrzili my dalij analiza ôd jednego ôsłabiōnego gynotypu Nepenthes do naturalnych populacyjōw, kaj siylne wewnōntrzgatōnkowe zmiany w poziōmie JA roślinożerczych i specyficznych poziōmōw metabolitōw były wczasnij ôpisane w naturalnych populacyjach (26). Użyj tego zbioru danych do pokrycio 43 germplazmōw. Te zarodkowe plazmy skłodajōm sie ze 123 gatōnkōw roślin z N. pallens. Te rośliny były pobrane z nasiyni zebranych w roztōmajtych rodzimych siedliskach w Utah, Nevadzie, Arizonie i Kalifornii (Figura S7), porachowaliśmy roztōmajtość metabolomu (nazywano tukej poziōmym populacyje) roztōmajtość β) jak tyż specjalizacyjo sprawiōno bez OSM. Zgodnie z piyrwyjszymi badaniami, zaôbserwowali my szyroki zakres zmian metabolicznych wzduż ôsi Hj i δj, co wskozuje na to, iże germplazmy majōm znaczōnce rōżnice w plastyczności jejich ryakcyjōw metabolicznych na roślinożercōw (Figura S7). Ta ôrganizacyjo przipomina piyrwyjsze ôbserwacyje na tymat dynamicznego zakresu zmian JA sprawiōnych bez roślinożercōw i utrzimała barzo wysoko wartość w jednyj populacyji (26, 36). Bez użycie JA i JA-Ile do testowanio ôgōlnyj korelacyje poziōmu miyndzy Hj i δj, wykozali my, iże je znaczōnco pozytywno korelacyjo miyndzy JA a indeksym roztōmajtości i specjalizacyje metabolomu β (Figura S7). To sugeruje, iże heterogyniczność indukowano bez roślinożercōw w indukcyji JA wykryto na poziōmie populacyje może być sprawiōno kluczowymi polimorfizmami metabolicznymi sprawiōnymi bez selekcyjo z ôwadōw roślinożercōw.
Piyrwyjsze badania wykozały, co zorty tabaku rōżniōm sie moc zortōm i zglyndnōm zależnościōm ôd indukowanyj i kōnstytutywnyj ôbrōny metabolicznyj. Uwożo sie, iże te zmiany w transdukcyji sygnału przeciwroślinożerczych i zdolnościach ôbrōnne sōm sztalowane bez presyjo populacyje ôwadōw, cykl życiowy roślin i koszty produkcyje ôbrōnne w niszy, w keryj rośnie dany gatōnek. Badali my spōjność remodelowanio metabolomu liści indukowanego bez roślinożercōw sześciu gatōnkōw Nicotiana pochodzōncych z Ameryki Pōłnocnyj i Połedniowyj. Gatōnki te sōm blisko spokrewniōne z Nepenthesym Ameryki Pōłnocnyj, mianowicie Nicolas Bociflo. La, N. nikotynōw, nikotynōw n. ôsłabiōno trowa, tabaka linijowo, tabaka (Nicotiana spegazzinii) i tabaka liściowo (Nicotiana obtusifolia) (Figura 5A) (37). Sześ z tych gatōnkōw, w tym dobrze scharakteryzowany gatōnk N. please, to rośliny jednoroczne kladu petunije, a obtusifolia N. to byloroczne rośliny kladu szwestra Trigonophyllae (38). Niyskorzij indukcyjo W + W, W + OSM i W + OSS1 przekludzōno na tych siedmiu gatōnkach, coby zbadać przeukłod metaboliczny karmiynio ôwadōw na poziōmie gatōnku.
(A) Drzewo filogenetyczne bootstrap oparte na maksymalnym wiarogodności [dlo syntezy jōndrowyj glutaminy (38)] i geograficznym porozkłodaniu siedmiu blisko spokrewniōnych gatōnkōw Nicotiana (roztōmajte farby) (37). (B) Grafik rozproszynio wyspecjalizowanyj roztōmajtości do profilōw metabolicznych siedmiu gatōnkōw Nicotiana (939 MS/MS; plik danych S1). Na poziōmie gatōnku roztōmajtość metabolōmu je ujymnie skorelowano ze stopniym specjalizacyje. Analiza korelacyje na poziōmie gatōnku miyndzy roztōmajtościōm metabolicznōm a specjalizacyjōm jak tyż akumulacyjōm JA je pokozano na figurze 2. S9. Farba, roztōmajte zorty; trōjkōnt, W + OSS1; prostokōnt, W + OSM; (C) Dynamika Nicotiana JA i JA-Ile je rankingowano podle ampitudy pobudzynio OS (dwudrōgowo ANOVA i Tukey HSD po wielokrotnym porōwnaniu, * P <0,05, ** P <0,01 i * ** Dlo porōwnanio W + OS i W + W, P <0,001). Box plot (D) roztōmajtości i (E) specjalizacyje kożdego gatōnku po symulacyji roślinożerczych i metylowych JA (MeJA). Gwiozdka skazuje na znaczōnco rōżnica miyndzy W + OS i W + W abo lanolinōm plus W (Lan + W) abo Lan plus MeJA (Lan + MeJa) i kōntrolōm Lan (dwudyrekcyjno analiza wariancyje, po keryj nastympuje post hoc wielokrotne porōwnanie HSD Tukey'a , *P<0,05, **P<0,01 i).
Przi użyciu metody podwōjnych klastrōw zidyntyfikowali my 9 modułōw 939 MS/MS (plik danych S1). Skłod MS/MS przekōnfigurowanego bez roztōmajte ôbsugi je moc roztōmajty miyndzy roztōmajtymi modułami miyndzy gatōnkami (Figura S8). Wizualizacyjo Hj (ôkryślanyj tukej za roztōmajtość γ na poziōmie gatōnku) i δj pokozuje, iże roztōmajte gatōnki łōnczōm sie w barzo roztōmajte grupy w przestrzyństwie metabolicznym, kaj podział na poziōmie gatōnku je zwykle barzij widzialny aniżeli pobudzynie. Z wyjōntkym N. linear i N. obliquus, wykazujōm ône szyroki dynamiczny zakres efektōw indukcyje (Figura 5B). W przeciwiyństwie do tego, gatōnki take jak N. purpurea i N. obtusifolia majōm mynij ôczywisto ôdpowiydź metaboliczno na lyczynie, ale metabōlōm je barzij roztōmajty. Gatōnkowo rozkłod indukowanyj ôdpowiedzi metabolicznyj sprawiōł znaczōnco ujymno korelacyjo miyndzy specjalizacyjōm a roztōmajtościōm gamma (PCC = -0,46, P = 4,9×10-8). Zmiany w poziōmie JAs indukowane bez OS sōm pozytywnie skorelowane ze specjalizacyjōm metabolomu, a ujymnie skorelowane z metabolicznōm roztōmajtościōm gamma wykazowanōm bez kożdy gatōnek (Figura 5B i Figura S9). Warto zauważyć, iże gatōnki potocznie ôkryślane za gatōnki “ôdpowiedzi sygnałowyj” na figurze 5C, take jak niciynie Nepenthes, Nepenthes acute i Nepenthes ôsłabiōny, wywołały znaczōnce ôdznaki po 30 minutach. Ôstatnie ôgnisko JA i JA-Ile specyficzne do OS, w czasie kej inksze bakteryje zwane “niyreagowajōncymi na sygnał”, take jak młyny Nepenthes, proszkowe Nepenthes i N. obtusifolia wykazujōm ino indukcyjo JA-Ile Edge bez żodnyj specyficzności OS (Figura 5C). Na poziōmie metabolicznym, jak spōmniano powyżyj, w przipadku ôsłabiōnych Nepenthes substancyje ôdpowiadajōnce na sygnał wykozały specyficzność OS i znaczōnco zwiynkszały δj, przi redukcyji we tym samym czasie Hj. Tyn efekt zaczyńcio specyficzny do OS niy bōł wykryty u gatōnkōw sklasyfikowanych za gatōnki niyreaktywne sygnałowe (Figura 5, D i E). Metabolity specyficzne do OS sōm czyńścij dzielōne miyndzy gatōnkami ôdpowiadajōncymi na sygnał, a te skupiska sygnału skupiajōm sie z gatōnkami ô słabszych ryakcyjach sygnałowych, w czasie kej gatōnki ô słabszych ryakcyjach sygnałowych wykazujōm myńszo wzajymno znoleżność (Figura S8). Tyn wynik wskozuje, iże specyficzno do OS indukcyjo JA i specyficzno do OS rekōnfiguracyjo spodnigo metabolomu sōm sprzōntane na poziōmie gatōnku.
Dalij użyli my pasty lanolinowyj zawiyrajōncyj metyl JA (MeJA) do ôbsugi roślin, coby zbadać, eli te knify sprzōnganio sōm ôgraniczōne bez dostympność JA stosowanego bez egzogynny JA, kery bydzie w cytōmplazmie roślin. Gibko deestryfikacyjo je JA. Wykozali my tyn sōm trynd stopniowyj pōmiany ôd gatōnkōw ôdpowiadajōncych na sygnał do gatōnkōw niy ôdpowiadajōncych na sygnał sprawiōnyj ciōngłym lifraniym JA (Figura 5, D i E). Krōtko godajōnc, lyczynie MeJA mocno przeprogramowało metabōłōmy niciyniōw lynijowych, N. obliquus, N. aquaticus, N. pallens i N. mikimotoi, co skutkowało znaczōncym wzrōstym δj i spodkym Hj. N. purpurea wykozała ino wzrōst δj, ale niy Hj. N. obtusifolia, kero wczasnij wykozano, iże grōmadzi ekstremalnie niski poziōm JA, tyż słabo ryagowuje na lyczynie MeJA w kategoryji rekōnfiguracyje metabolomu. Te wyniki wskazujōm, iże produkcyjo JA abo transdukcyjo sygnału je fizjologicznie ôgraniczōno u gatōnkōw niy ôdpowiadajōncych na sygnał. Coby przebadać ta hipoteza, podszukowali my sztyry gatōnki (N. pallens, N. mills, N. pink i N. microphylla) indukowane bez W + W, W + OSM i transkryptōm W + OSS1 (39). Zgodnie z mustrzym remodelowanio metabolomu, gatōnki sōm dobrze rozdzielōne w przestrzyństwie transkryptōmu, postrzōd kerych N. attenuated wykozoł nojwyższy RDPI indukowany bez OS, w czasie kej N. gracilis mioł nojniższy (Figura 6A). Wykozało sie jednak, iże roztōmajtość transkryptōmu indukowano bez N. oblonga była nojniższo postrzōd sztyrech gatōnkōw, przeciwnie do nojwyższyj roztōmajtości metabonōmicznyj N. oblonga wykozanyj wczasnij u siedmiu gatōnkōw. Piyrwyjsze badania wykozały, iże zestow gynōw zwiōnzanych z wczasnymi sygnałami ôbrōnne, w tym sygnałami JA, klaruje specyficzność wczasnych ryakcyjōw ôbrōnne indukowanych bez elicitory zwiōnzane z roślinożercami u gatōnkōw Nicotiana (39). Porōwnanie sztrek sygnalizacyjnych JA miyndzy tymi sztyryma gatōnkami pokozało interesujōncy muster (Figura 6B). Wiynkszość gynōw na tyj sztrece, takich jak AOC, OPR3, ACX i COI1, wykozała stosōnkowo wysoki poziōm indukcyje u tych sztyrech gatōnkōw. Jednak kluczowy gyn JAR4 przekształco JA we jego biologicznie aktywno forma akumulowanych transkryptōw JA-Ile, a jego poziōm transkrypcyje je barzo niski, ôsobliwie u N. mills, Nepenthes pieris i N. microphylla. Ôkrōm tego ino transkrypt inkszego gynu AOS niy bōł wykryty u N. bifidum. Te zmiany w ekspresyji gynōw mogōm być ôdpowiedzialne za ekstrymalne fynotypy indukowane bez nisko produkcyjo JA u gatōnkōw anergicznych sygnałowych i indukcyjo N. gracilis.
(A) Analiza teoryje informacyje reprogramowanio wczasnych ryakcyjōw transkrypcyjnych sztyrech blisko spokrewniōnych gatōnkōw tabaku pobranych prōbek 30 minut po indukcyji roślinożerczych. RDPI je ôbliczany bez porōwnanie listkōw indukowanych bez roślinożerczy OS z kōntrolōm ran. Farby skazujōm na roztōmajte gatōnki, a symbole skazujōm na roztōmajte metody lyczynio. (B) Analiza ekspresyje gynōw we sztrekach sygnalizacyjnych JA postrzōd sztyrech gatōnkōw. Upraszczōno ściyżka JA je pokozano kole wykresu box. Roztōmajte farby skazujōm na roztōmajte metody przetworzanio. Gwiozdka wskozuje, iże je znaczōnco rōżnica miyndzy lyczyniym W + OS a kōntrolōm W ​​+ W (dlo testu t Studenta dlo rōżnic w parach, *P<0,05, **P<0,01 i ***P<0,001). OPDA, kwas 12-oksofitodienowy; OPC-8: kwas 0,3-okso-2(2′(Z)-pentynyl)-cyklopentan-1-oktanowy.
W ôstatnij czynści podszukowali my, w jaki spōsōb specyficzne do gatōnkōw ôwadōw remodelowanie metabolōmu roztōmajtych gatōnkōw roślin może być ôdporne na roślinożerce. Piyrwyjsze badania kładły nacisk na zorta Nicotiana. Jejich ôdporność na Ms i larwy rōżni sie moc (40). Tukej podszukowali my zwiōnzek miyndzy tym modelym a jejich plastycznościōm metabolicznōm. Przi użyciu powyższych sztyrech gatōnkōw tabaku i testowaniu korelacyje miyndzy roztōmajtościōm i specjalizacyjōm metabolomu sprawiōnōm bez roślinożercōw jak tyż ôdpornościōm roślin na Ms i Sl, stwiyrdziyliśmy, iże ôdporność, roztōmajtość i specjalizacyjo na ôgōlny Sl Wszyske sōm pozytywnie skorelowane, w czasie kej korelacyjo miyndzy roztōmajtościōm eksperckōm je niy, Fig. S10). Co sie tyczy ôdporności na S1, tak ôsłabiōny N. chinensis, jak i N. gracilis, kere wczasnij wykozano, iże wykazujōm tak poziōmy transdukcyje sygnału JA, jak i plastyczność metabolomu, miały moc roztōmajte ryakcyje na indukcyjo roślinożercōw, a tyż wykazowały podobno wysoko ôdporność. Seks.
W ôstatnich sześdziesiōnt latach teoryjo ôbrōny roślin stworziła rōmy teoretyczne, podle kerych badocze przewidowali srogo liczba ewolucyje i funkcyjōw wyspecjalizowanych w roślinach metabolitōw. Wiynkszość z tych teoryji niy podōnżo za normalnōm procedurōm mocnych wnioskōw (41). Propōnujōm kluczowe przewidowania (3) na tym samym poziōmie analizy. Kej testowanie kluczowych przewidowań przizwoli na analiza kōnkretnych teoryji, to sprawi, iże Pole idzie do przodka. Bōdź spiyrany, ale ôdciepuj inkszych (42). Zamiast tego, nowo teoryjo dokōnuje przewidowań na roztōmajtych poziōmach analizy i przidŏwo nowo warstwa ôpisowych zglyndōw (42). Jednak dwie teoryje propōnowane na poziōmie funkcjōnalnym, MT i OD, idzie łacno wyklarować jako wożne przewidowanio wyspecjalizowanych zmian metabolicznych sprawiōnych bez roślinożercōw: teoryjo OD uwożo, co zmiany we wyspecjalizowanym “przestrzyństwie” metabolicznym sōm barzo kerunkowe . Teoryjo MT uwożo, co te zmiany bydōm niykerōnkowe i losowo zlokalizowane w przestrzyństwie metabolicznym i majōm tyndyncyjo do posiadanio metabolitōw ô wysokij wartości ôbrōny. Piyrwyjsze badania przewidowań OD i MT były testowane ze użyciym ciasnego zestawu a priori zwiōnzkōw “ôbrōnnych”. Te metabolitocentryczne testy wykluczajōm możebność analizy zokresu i trajektoryje rekōnfiguracyje metabōlu w czasie roślinożerstwa i niy przizwlajōm na testy w spōjnych rōmach statystycznych, kere wymogajōm kluczowych przewidowań, kere idzie rozwożać jako cołkość Kwantyfikować zmiany w metabōlu roślin. Tukej użyliśmy innowacyjnyj technologije w metabōlimice ôpartyj na rachōnkowym MS i przekludziyliśmy dekōnwolucyjno analiza MS w ôgōlnyj walucie deskryptorōw teoryje informacyje, coby przebadać rōżnica miyndzy tymi dwōma propōnowanymi na poziōmie globalnyj metabōlōmiki. Kluczowe przewidowanie tyj teoryje. Teoryjo informacyje była stōsowano we mocy dōmyn, ôsobliwie w kōntekście podszukowań nad biorōżnorodnościōm i przepływym ôdżywczych skłodnikōw (43). Jednak, jak wiymy, je to piyrsze zastosowanie używane do ôpisu przestrzyństwa informacyjnego metabolicznego roślin i rozwiōnzowanio problymōw ekologicznych zwiōnzanych z tymczasowymi zmianami metabolicznymi w ôdpowiedzi na sygnały strzodowiskowe. Nojbarzij zdolność tyj metody polygo na jeji zdolności do porōwnowanio mustrōw we postrzodku i miyndzy gatōnkami roślin, coby zbadać, w jaki spōsōb roślinożerce wyewoluowały z roztōmajtych gatōnkōw do mustrōw makroewolucyjnych miyndzygatōnkowych na roztōmajtych poziōmach ewolucyje. Metabolizm.
Analiza głownych skłodnikōw (PCA) przekształco wielowertowy zbiōr danych we przestrzyństwo redukcyje wymiarowości, tak coby mōg być wyklarowany głowny trynd danych, tōż je ôna zwykle używano za technika eksploracyjno do analizy zbioru danych, takigo jak dekōnwolucyjny metabōlōm. Jednak redukcyjo wymiarowości straci tajla zawartości informacyje we zbiorze danych, a PCA niy może dostarczyć wielościowych informacyjōw ô cychach, kere sōm ôsobliwie istotne do teoryje ekologicznyj, takich jak: w jaki spōsōb roślinożerce przekōnfigurujōm roztōmajtość we wyspecjalizowanych dōmynach (bez przikłod bogactwo, dystrybucyjo) i ôbfitość) metabolitōw? Ktōre metabolity sōm predyktory indukowanego stanu danego roślinożercy? Z perspektywy specyficzności, roztōmajtości i indukowalności zawartość informacyjno profilu metabolitōw specyficznych do liści je rozkłodano i wykozuje sie, iże jedzynie roślinożercōw może aktywować specyficzny metabolizm. Niyôczekiwanie zaôbserwowali my, iże, jak ôpisano w zaimplymyntowanych wskoźnikach teoryje informacyje, wynikowo sytuacyjo metaboliczno mo sroge nakłodanie sie po atakach dwōch roślinożercōw (nocny generalisty Sl) i eksperta Solanaceae Ms. Chocioż jejich zachowanie karmiynio i kōncyntracyjo sōm znaczōnco rōżne. Inicjatōr kōniugatu kwasōw tłuszczowych-aminokwasōw (FAC) w OS (31). Bez użycie roślinożerczych OS do lyczynio standaryzowanych ran przekłuwowych, symulowane lyczynie roślinożerczych tyż wykozało podobny trynd. Ta standaryzowano procedura symulacyje ryakcyje roślin na ataky roślinożercōw eliminuje faktory mylōnce sprawiōne zmianami w zachowaniu jedzyniowym roślinożercōw, kere kludzōm do roztōmajtego stopnia szkōd w roztōmajtych czasach (34). FAC, kery je znany jako głōwno prziczyna OSM, zmyńszo JAS i inksze ryakcyje hormōnalne roślinne w OSS1, w czasie kej OSS1 zmyńszo setki razy (31). Jednak OSS1 sprawiōł podobny poziōm akumulacyje JA w porōwnaniu z OSM. Wczasnij wykozano, iże ôdpowiydź JA u ôsłabiōnych Nepenthes je barzo wrażliwo na OSM, kaj FAC może utrzimać swoja aktywność nawet jeźli je roztworzōny wodōm w proporcyji 1:1000 (44). Beztōż w porōwnaniu z OSM, chocioż FAC w OSS1 je barzo niski, styknie, coby wywołać stykajōncy ôgnisko JA. Piyrwyjsze badania wykozały, iże biōłtka poronopodobne (45) i ôligosacharydy (46) mogōm być używane za skazōwki molekularne do wyzwalanio ryakcyjōw ôbrōnne roślin w OSS1. Jednak durch niy ma jasne, eli te elicitory w OSS1 sōm ôdpowiedzialne za akumulacyjo JA zaôbserwowano w ôbecnym badaniu.
Chocioż je niywielgo wielość badań, kere ôpisujōm rōżnicowe metaboliczne ôdciski palcōw sprawiōne bez zastosowanie roztōmajtych roślinożercōw abo egzogynicznych JA abo SA (kwas salicylowy) (47), żodyn niy zaburzōł perturbacyje specyficznyj do gatōnku roślinożercōw w necu trowy roślinnyj i jeji wpływu na specyficzny systym metabolizmu. informacyje ôsobiste. Ta analiza potwierdziyła dalij, iże połōnczynie wnyntrznego necu hormōnalnego z inkszymi hormōnami roślinnymi inkszymi aniżeli JA formuje specyficzność reôrganizacyje metabolicznyj sprawiōnyj bez roślinożercōw. Nojbarzij wykryli my, iże ET sprawiōny bez OSM bōł znacznie srogszy aniżeli sprawiōny bez OSS1. Tyn tryb je zgodliwy z wiynkszōm zawartościōm FAC w OSM, co je kōniecznym i stykajōncym warōnkym do wywoływanio wybuchu ET (48). W kōntekście interakcyje miyndzy roślinami a roślinożercami funkcyjo sygnalizacyjno ET na dynamika metabolitōw specyficznych do roślin je durch sporadyczno i ​​cyluje ino w jedna grupa zwiōnzkōw. Ôkrōm tego wiynkszość podszukowań używała egzogynicznego zastosowań ET abo jego prekursorōw abo roztōmajtych inhibitorōw do badanio regulacyje ET, postrzōd kerych te egzogyniczne zastosowania chymiczne wywołujōm mocka niyszpecyficznych efektōw ubocznych. Do naszōj wiedze to podszukowanie reprezyntuje piyrsze srogoskalowe systymatyczne podszukowanie roli ET we użyciu ET do produkcyje i percepcyje zaburzynio transgynicznych roślin do koordynowanio dynamiki metabōlu roślin. Indukcyjo ET specyficzno do roślinożercōw może antlich modulować ôdpowiydź metabolomu. Nojbarzij znaczōnco je transgyniczno manipulacyjo gynami biosyntezy ET (ACO) i percepcyje (ETR1), co pokozała specyficzno dlo roślinożercōw akumulacyjo fenolamidōw de novo. Wczasnij wykozano, iże ET może dostosować akumulacyjo nikotyny indukowano bez JA bez sztalowanie putrescyny N-metyltransferazy (49). Jednak z mechanicznego pōnktu widzynio niy ma jasne, w jaki spōsōb ET sztimuje indukcyjo fenamidu. Ôkrōm funkcyje transdukcyje sygnału ET, strumiyń metaboliczny może być tyż shuntowany do S-adenozyl-1-metioniny, coby sztalować inwestycyjo w amidy poliaminofenolu. S-adenozyl-1-metionina je ET i spōlnym postrzednim sztrekōm biosyntytycznym poliamin. Mechanizm, dziynki keremu sygnał ET sztaluje poziōm fenolamidu, wymogo dalszych podszukowań.
Ôd dugigo czasu, skuli srogij liczby ekstra metabolitōw ô niyznōmyj strukturze, intynsywno uwoga do ôkryślōnych kategoryjōw metabolicznych niy mogła ściśle ôcynić czasowych zmian roztōmajtości metabolicznyj po interakcyjach biologicznych. Teroźnie, na podstawie analizy teoryje informacyje, głōwnym wynikym pozyskowanio widma MS/MS na bazie niystrōnnych metabolitōw je to, iże roślinożerce, kere jedzōm abo symulujōm roślinożerce, durch zmyńszajōm ôgōlno roztōmajtość metaboliczno metabōlu liściowego, w tym samym czasie zwiynkszajōnc jego stopiyń specjalizacyje. Tyn tymczasowy wzrōst specyficzności metabolōmu sprawiōny bez roślinożercōw wiōnże sie ze synergicznym wzrōstym specyficzności transkryptōmu. Cychōm, kero nojbarzij prziczynio sie do tyj srogszyj specjalizacyje metabolomu (mo srogszo wartość Si) je ekstra metabolit ô wczasnij scharakteryzowanyj funkcyji roślinożerczyj. Tyn model je zgodliwy z przewidowaniym teoryje OD, ale przewidowanie MT zwiōnzane z przipodkowościōm reprogramowanio metabolomu niy ma spōjne. Jednak te dane sōm tyż zgodliwe z przewidowaniym modelu miyszanego (nojlepszy MT; figura 1B), pōniywoż inksze niyscharakteryzowane metabolity ô niyznōmych funkcyjach ôbrōnne mogōm durch podōnżać za losowym dystrybucyjōm Si.
Wert na uwoga muster uchwycōny bez te badania je to, iże ôd poziōmu mikroewolucyje (populacyjo pojedynczyj rośliny i tabaku) do srogszyj skale ewolucyjnyj (blisko spokrewniōne gatōnki tabaku), roztōmajte poziōmy ôrganizacyje ewolucyjnyj sōm w “nojlepszyj ôbrōnie”. Sōm znaczōnce rōżnice we zdolnościach roślinożercōw. Moore i inksi. (20) jak tyż Kessler i Kalske (1) niyzoleżnie zapropōnowali przekształcynie trzech funkcjōnalnych poziōmōw biorōżnorodności przōdzij wyrōżniōnych bez Whittakera (50) w kōnstytutywne i indukowane czasowe zmiany roztōmajtości chymicznyj; te autorzi ani niy podsumowali Procedury grōmadzynio danych ô metabolomie na srogo skala tyż niy zarysowujōm, jak ôbliczać roztōmajtość metaboliczno z tych danych. W tym badaniu myńsze zmiany klasyfikacyje funkcjōnalnyj Whittakera rozwożōm roztōmajtość α-metaboliczno jako roztōmajtość widmōw MS/MS w danyj roślinie, a roztōmajtość β-metaboliczno jako bazowy wewnōntrzgatōnkowy metabolizm grupy populacyjōw Przestrzyństwa, a roztōmajtość γ-metaboliczno bydzie przedugszyniym podobnyj analizy.
Sygnał JA je przidajny do szyrokigo zakresu ryakcyjōw metabolicznych roślinożercōw. Jednak brakuje rygorystycznych wielościowych testōw wkładu wewnōntrzgatōnkowyj regulacyje biosyntezy JA w roztōmajtość metabōlōmu, a to, eli sygnał JA je ôgōlnym placym dywersyfikacyje metabolicznyj indukowanyj bez stres na srogszyj skali makroewolucyjnyj, je durch niy do chycynio. Zaôbserwowali my, iże roślinożerczno natura roślinożerczy Nepenthes indukuje specjalizacyjo metabolomu, a zmiynność specjalizacyje metabolomu we populacyji gatōnkōw Nicotiana i postrzōd blisko spokrewniōnych gatōnkōw Nicotiana je systymatycznie pozytywnie skorelowano ze sygnalizacyjōm JA. Ôkrōm tego, kej sygnał JA je zaburzōny, specyficzność metaboliczno indukowano bez jednego gynotypu roślinożerca bydzie pociepniynto (Figura 3, C i E). Pōniywoż zmiany widma metabolicznego naturalnie ôsłabiōnych populacyjōw Nepenthes sōm z wiynksza wielościowe, zmiany w metabolicznyj roztōmajtości i specyficzności β w tyj analizie mogōm być w srogij miarze sprawiōne siylnym pobudzyniym kategoryji zwiōnzkōw bogatych w metabolity. Te klasy zwiōnzkōw dōminujōm w czynści profilu metabolomu i kludzōm do pozytywnyj korelacyje ze sygnałami JA.
Pōniywoż mechanizmy biochymiczne gatunku tabaku blisko z niōm spokrewniōnego sōm barzo rōżne, metabolity sōm ekstra idyntyfikowane w aspektie jakościowym, bezto je to barzij analityczne. Przetworzanie uchwycōnego profilu metabolicznego bez teoryjo informacyje pokozuje, co indukcyjo roślinożercōw zaostrzo kōmprōmis miyndzy metabolicznōm roztōmajtościōm gamma a specjalizacyjōm. Sygnał JA ôdegrowa głōwno rola w tym kōmprōmisie. Wzrōst specjalizacyje metabolomu je zgodliwy z głōwnym przewidowaniym OD i je pozytywnie skorelowany z sygnałym JA, w czasie kej sygnał JA je ujymnie skorelowany z metabolicznōm roztōmajtościōm gamma. Te modele wskazujōm, co zdolność OD roślin je głōwnie zdeterminowano bez plastyczność JA, eli to we skali mikroewolucyjnyj, eli to we srogszyj skali ewolucyjnyj. Eksperymynta ze zastosowaniym egzogynicznych JA, kere ôbychodzajōm felery biosyntezy JA, pokozujōm dalij, iże blisko spokrewniōne gatōnki tabaki idzie rozrōżnić na gatōnki rzeagowajōnce na sygnał i gatōnki niyreagowajōnce na sygnał, podanie jak jejich knif JA i plastyczność metabolomu indukowano bez roślinożercōw. Gatōnki niyreagowajōnce na sygnał niy mogōm ryagować skuli braku zdolności do produkcyje yndogynnego JA i bezto podlygajōm ôgraniczyniōm fizjologicznym. Może to być sprawiōne mutacyjami w niykerych kluczowych gynach na sztrece sygnalizacyjnyj JA (AOS i JAR4 w N. crescens) ôd. Tyn wynik podkryślo, iże te mustry makroewolucyjne miyndzygatōnkowe mogōm być głōwnie napyndzane zmianami we wnyntrznyj percepcyji i ryaktywności hormōnōw.
Ôkrōm interakcyje miyndzy roślinami a roślinożercami, eksploracyjo roztōmajtości metabolicznyj wiōnże sie ze wszyskimi wożnymi postympami teoretycznymi w badaniach biologicznyj adaptacyje do strzodowiska i ewolucyjōm słożōnych cych fynotypowych. Społym ze wzrōstym wielości danych pozyskanych bez teroźne insztrumynta MS, testowanie hipotez na tymat roztōmajtości metabolicznyj może teroz przekroczyć rōżnice metabolitōw indywidualnych/kategorycznych i przekludzić globalno analiza, coby ujawnić niyôczekowane mustry. W procesie srogoskalowyj analizy wożnōm metaforōm je idyjo ôbrobiynio znaczōncych kartōw, co mogōm być użyte do podszukowanio danych. Bezto wożnym wynikym teroźnyj kōmbinacyje bezstrōnnyj metabolōmiki MS/MS i teoryje informacyje je to, iże ôna zapewnio prosto metryka, kero może być użyto do kōnstruowanio kartōw do przeglōndanio roztōmajtości metabolicznyj w roztōmajtych skalach taksōnōmicznych. Je to bazowy wymōg tyj metody. Podszukowanie ewolucyje mikro/makro i ekologije społeczności.
Na poziōmie makroewolucyjnym podstawōm teoryje koewolucyje roślinno-ôwadōw Ehrlicha i Ravena (51) je przewidowanie, iże zmiynność miyndzygatōnkowyj roztōmajtości metabolicznyj je prziczynōm rōżnicowanio linijōw roślin. Jednak w czasie piyńćdziesiōnt lot ôd publikacyje tyj przełożōnyj roboty ta hipoteza była rzodko testowano (52). Je to w srogij miarze zwiōnzane z cychami filogenetycznymi porōwnowalnych cych metabolicznych w linijach roślin ôdległościowych. Rzodkość może być użyto do zakotwiczynio metod analizy cylu. Teroźny przepływ roboty MS/MS przetworzōny bez teoryjo informacyje kwantyfikuje podobiyństwo strukturalne niyznōmych metabolitōw MS/MS (bez wczasniyjszyj selekcyje metabolitōw) i przekształco te MS/MS we zbiōr MS/MS, tōż w profesjōnalnym metabolizmie Te modele makroewolucyjne sōm porōwnowane we skali klasyfikacyje. Proste wskoźniki statystyczne. Proces tyn je podobny do analizy filogenetycznyj, kero może użyć wyrōwnanio sekwyncyje do ôkreślynio tympa rōżnicowanio abo ewolucyje cych bez wczasniejszego przewidowanio.
Na poziōmie biochymicznym hipoteza przesiewowo Firna i Jonesa (53) pokozuje, co roztōmajtość metaboliczno je utrzimowano na roztōmajtych poziōmach, coby zapewnić surowice do sprawowanio aktywności biologicznyj wczasnij niypowiōnzanych abo podstawiōnych metabolitōw. Metody teoryje informacyje stanowiōm rōmy, w kerych te przechody ewolucyjne specyficzne do metabolitōw, kere zachodzōm w czasie specjalizacyje metabolitōw, idzie ôkryślić za tajla propōnowanego procesu przesiewowego ewolucyjnego: biologicznie aktywno adaptacyjo z niskij specyficzności do wysokij specyficzności Hamowane metabolity danego strzodowiska.
Co wszysko, we wczasnych dniach biologije molekularnyj ôbrobiōno wożne teoryje ôbrōny roślin, a metody dedukcyjne napyndzane hipotezami sōm powszechnie uwożane za jedyny postrzodek postympu naukowego. Je to w srogij miarze sprawiōne technicznymi ôgraniczyniami mierziynio cołkigo metabolōmu. Chocioż metody napyndzane hipotezami sōm ekstra przidajne w ôbiyraniu inkszych mechanizmōw prziczynowych, jejich zdolność do rozwoju naszego zrozumiynio necōw biochymicznych je barzij ôgraniczōno aniżeli metody rachōnkowe teroźnie dostympne we spōłczesnyj intynsywnyj na danych nauce. Bez to teoryje, co ich niy mogōm być przewidowane, sōm daleko poza zakresym dostympnych danych, tōż hipotytycznego wzoru/cyklu testowego postympu we dōmynie podszukowań niy może być sniesiōny (4). Przewidujymy, iże wkludzōny tukej rachōnkowy przepływ roboty metabolomiki może ôdnowić zainteresowanie ôstatnimi (jak) i ôstatecznymi (czymu) kwestyjami roztōmajtości metabolicznyj i prziczynić sie do nowyj ery teoretycznie skerowanyj nauki ô danych. Ta epoka zaś podszukowała ważne teoryje, co zainspirujōm piyrwyjsze gyneracyje.
Bezpostrzednie karmiynie roślinożercōw je przekludzane bez chowanie larwy drugij instar abo larwy Sl na jednym bladkofarbistym liściu rośliny dzbanu pojedynczyj rośliny kwitnōncyj rōzy, z 10 replikami rośliny na roślina. Larwy ôwadōw były zaciśniynte zaciśniyńciami, a pozostało tkanka liściowo zebrano 24 i 72 godziny po infekcyji i wartko zamrożōno, a metabolity były ekstrahowane.
Symuluj lyczynie roślinożerczych we barzo zsynchronizowany spōsōb. Metoda polygo na użyciu tkaninowych koł mustrōw do przekłucio trzech raji cierni po kożdyj zajcie żebra postrzodkowego trzech połni rozwiniyntych listkōw rośliny w czasie etapu wzrōstu tkaninowyj girlandy i zaroz nałożynie 1:5 Diluted Ms. Abo użycie palcōw w rękawicach do przekłucio S1 wound OS do wkludzynio S1 wound OS. Zbiyraj i przetworz liść, jak ôpisano powyżyj. Użyj wczasnij ôpisanyj metody do wydobycio piyrwotnych metabolitōw i hormōnōw roślinnych (54).
W przipadku egzogynicznych zastosowań JA trzi listki płatkowe kożdyj z sześciu roślin kwitnōncych rōżōm kożdego gatōnku sōm ôbsudzane 20 μl lanolinowyj pasty zawiyrajōncyj 150 μg MeJA (Lan + MeJA) i 20 μl lanoliny plus kōntrolnego ôbsudzynio rany (Lan + la20), abo używane pur. Liście były zebrane 72 godziny po ôbrōbiyniu, zamrożōne w ciekłym azocie i przechowowane w tymperaturze -80°C do użycio.
W naszyj grupie badawczyj były zidyntyfikowane sztyry transgyniczne linije JA i ET, mianowicie irAOC (36), irCOI1 (55), irACO i sETR1 (48). irAOC mocno wykozoł spadek poziōmu JA i JA-Ile, w czasie kej irCOI1 niy bōł wrażliwy na JA. W porōwnaniu z EV akumulacyjo JA-Ile wzrosła. Podanie, irACO zmyńszy produkcyjo ET, a w porōwnaniu z EV, sETR1, kery je nieczuły na ET, zwiynkszy produkcyjo ET.
Fotoakustyczny spektrōmetr laserowy (Sensor Sense ETD-300 czujnik ET w czasie rzeczywistym) je używany do niyinwazyjnego przekludzanio pōmior ET. Zaroz po ôbsudzeniu pōłowa listkōw była utniynto i przeniesiōno do 4-ml zawartyj szklanyj fiolki, a przestrzyń na gowie pozwolōno grōmadzić sie w czasie 5 godzin. W czasie miary kożdo fiolka była spłukano strumiyniym 2 litrōw/godzina czystego luftu bez 8 minut, co wczasnij przeszło bez katalizatōr dostarczōny ôd Sensor Sense do usuniyńcio CO2 i wody.
Dane z mikrotablicy były nojprzōd ôpublikowane w (35) i zachowane we Wszechstrōnnyj Bazie Danych Ekspresyje Gynōw Norodnego Cyntrum Informacyje Biotechnologicznyj (NCBI) (numer przistōnku GSE30287). Do tego podszukowanio pobrano dane ôdpowiadajōnce listkōm sprawiōnym bez ôbsuga W + OSMs i niyposzkodzōno kōntrola. Surowo intynsywność wynosi log2. Przed statystycznōm analizōm bazowo linijo była przekształcōno i znormalizowano do jeji 75. procyntu ze użyciym pakietu ôprogramowanio R.
Ôryginalne dane sekwyncjōnowanio RNA (RNA-seq) gatōnku Nicotiana były pozyskane z Archiwum Krōtkich Ôdczytōw NCBI (SRA), numerym projektu je PRJNA301787, kery bōł zgłoszōny bez Zhou et al. (39) i postympuj jak ôpisano w (56). Surowe dane przetworzōne bez W + W, W + OSM i W + OSS1 ôdpednie gatōnkōm Nicotiana były ôbrane do analizy w tym badaniu i przetworzōne w nastympujōncy spōsōb: Po piyrsze, surowe ôdczyty RNA-seq były przekształcōne we format FASTQ. HISAT2 kōnwertuje FASTQ na SAM, a SAMtools kōnwertuje pliki SAM we zortowane pliki BAM. StringTie je używany do ôbliczanio ekspresyje gynōw, a jego metoda ekspresyje polygo na tym, iże sōm fragmynta na tysiōnc fragmyntōw bazowych na milijōn sekwyncjōnowanych fragmyntōw transkrypcyje.
Kolōmna chrōmatograficzno Acclaim (150 mm x 2,1 mm; miara tajleczek 2,2 μm) użyto w analizie i kolōmna ôchrōnno 4 mm x 4 mm skłodajōm sie z tyj samyj materyje. Nastympujōncy binarny gradiynt je używany w systymie ultrawysokowydajnyj chrōmatografije ciekłych (UHPLC) Dionex UltiMate 3000: ôd 0 do 0,5 minut, izokratyczny 90% A [woda dejōnizowano, 0,1% (v/v) acetōnitril i 0,05% kwasu B,05% do 0,05% kwasu mrzōnkowego); ôd 0,5 do 23,5 minut, faza gradientu wynosi ôdpednio 10% A i 90% B; 23,5 do 25 minut, izokratyczne 10% A i 90% B. Przepływ wynosi 400μl/min. Do wszyskich analizōw MS wstrziknij eluynt kolōny do analizatora kwadrupolowego i czasu lotu (qTOF) wyposażōnego we zdrzōdło elektrospray, co funguje w trybie dodatnij jōnizacyje (napiyńcie kapilarne, 4500 V; wylot kapilarny 130 V ; Tymperatura suszynio przepływu air/10°C;
Przekludzić analiza fragmyntōw MS / MS (dalij ôkryślano za MS / MS), kero je niyistotno abo niy ôdrōżnialno ôd danych, coby uzyskać informacyje strukturalne ô ôgōlnym wykrywalnym profilu metabolicznym. Kōncepcyjo niydyskryminowanyj metody MS/MS ôpiyro sie na tym, iże kwadrupol mo barzo sroge ôkno izolacyje masy [bez to traktujmy wszyske sygnały stosunku masy do ładunku (m/z) za fragmynta]. Skirz tego, pōniywoż insztrumynt Impact II niy mōg stworzić nachylynio CE, przekludzōno pora niyznoleżnych analizōw ze użyciym zwiynkszōnych wartości ynergije zderzyniowyj dysocjacyje (CE) wywołanyj bez zderzynie. Krōtko godajōnc, nojprzōd analizuj prōbka ze pōmocōm jōnizacyje UHPLC-elektrospray/qTOF-MS ze użyciym trybu pojedynczyj spektrōmetryje masowyj (warōnki niskij fragmyntacyje gynerowane bez fragmyntacyjo we zdrzōdle), skanujōnc ôd m/z 50 do 1500 przi frekwyncyji powtorzanio 5 Hz. Użyj azotu za gaz zderzyniowy do analizy MS/MS i przekludzaj niyznoleżne pōmiary przi nastympujōncych sztyrech roztōmajtych napiyńciach dysocjacyjnych indukowanych bez zderzynie: 20, 30, 40 i 50 eV. Bez cołki proces pōmior kwadrupol mo nojsrogsze ôkno izolacyje masy, ôd m/z 50 do 1500. Kej eksperymynt m/z przednigo ciała i szyrokości izolacyje je ustawiōny na 200, zasiyng masy je autōmatycznie aktywowany bez ôperacyjne ôprogramowanie insztrumyntu i 0 Da. Skanuj fragmynta masy jak w trybie pojedynczyj masy. Do kalibracyje masowyj użycie mryśnianu sodu (50 ml izopropanolu, 200 μl kwasu mrzōnkowego i 1 ml 1M wodnego roztworu NaOH). Przi użyciu wysokoprecyzyjnyj algorytmu kalibracyje Brukera, plik danych je kalibrowany po przekludzyniu strzednigo widma w danym ôkresie czasowym. Użyj funkcyje eksportu ôprogramowanio Data Analysis v4.0 (Brook Dalton, Bremena, Niymce) do kōnwertowanio surowych plikōw danych we format NetCDF. Zbiōr danych MS/MS bōł zapisany w ôtwartnyj bazie danych metabolōmiki MetaboLights (www.ebi.ac.uk) z numerym przistōnku. MTBLS1471.
Montaż MS/MS może być zrealizowany bez analiza korelacyje miyndzy sygnałami jakościowymi MS1 i MS/MS dlo niskij i wysokij ynergije zderzyniowyj jak tyż nowo zaimplymyntowane prawidła. Skrypt R je używany do ryalizacyje korelacyjnyj analizy dystrybucyje prekursora do produktu, a skrypt C# (https://github.com/MPI-DL/indiskryminant-MS-MS-assembly-pipeline) je używany do ryalizacyje prawideł.
Coby zmyńszyć fałszywie pozytywne błyndy sprawiōne bez szumu zadku i fałszywo korelacyjo sprawiōno bez wykrycie pewnych cych m/z ino w poru prōbkach, używōmy funkcyje “filled peak” pakietu R XCMS (do korekcyje intynsywności szumu zadku) Powinno być użyte do zastōmpiynio “NAnde peak” (peak”). Kej funkcyjo fill peak je używano, je durch moc wertōw intynsywności “0′′ we zbiorze danych, co bydōm wpłynōńć na ôbliczanie korelacyje. Potym porōwnujymy wyniki przetworzanio danych uzyskane, kej funkcyjo fill peak je używano, a kej funkcyjo fill peak niy ma używano, i ôbliczamy wert szumu zadku skorygowany podle tych wertōw szumu. werty intynsywności z ôbliczōnym wertym zadku rozwożali my tyż ino cychy, kerych intynsywność przekroczała trzi razy wert zadku i uwożali je za “prawdziwe szpice.” Do rachōnkōw PCC rozwożo sie ino sygnały m/z prekursora prōbkowego (MS1) i zbiorōw danych fragmyntōw z aby ôzmiōma prawdziwymi szpicami.
Jeźli intynsywność cychy jakościowyj prekursora we cołkij prōbce je znaczōnco skorelowano ze zmyńszōnōm intynsywnościōm tyj samyj cychy jakościowyj, co je poddano niskij abo wysokij ynergiji zderzyniowyj, a cycha niy ma ôznakowano za szpic izotopu ôd CAMERA, to może być dalij zdefiniowano. Potym, bez ôbliczanie wszyskich możliwych por prekursor-produkt w czasie 3 s (szacowane ôkno czasu retyncyje dlo retyncyje szpice), przekludzo sie analiza korelacyje. Ino kej wert m/z je niższy ôd wertu prekursora i fragmyntacyjo MS/MS wystympuje w tym samym miyjscu prōbki we zbiorze danych co prekursor, z kerego je wywodzōncy, je ôn uwożany za fragmynt.
Na bazie tych dwōch prostych prawideł wykluczōmy ôkryślōne fragmynta ô wartościach m/z srogszych aniżeli m/z zidyntyfikowanego prekursora, jak tyż na bazie pozycyje prōbki, kaj ukazuje sie prekursor, i ôkryślōnego fragmyntu. Możliwe je tyż ôbranie cych jakościowych gynerowanych ôd mocy fragmyntōw we zdrzōdle gynerowanych w trybie MS1 za kandydaty prekursory, gynerujōnc w tyn spōsōb redundantne zwiōnzki MS/MS. Coby zmyńszyć ta redundancyjo danych, jeźli podobiyństwo NDP widmōw przekroczy 0,6, a ône noleżōm do “grupy pc” chrōmatogramu adnotowanyj bez CAMERA, łōnczymy je. Yntlich łōnczymy wszyske sztyry wyniki CE zwiōnzane z prekursorym i fragmyntami w ôstateczne rozkōnwoluowane widmo kōmpozytowe bez ôbranie nojwyższyj szpic intynsywności postrzōd wszyskich kandydatōw szpic ô tym samym wercie m/z przi roztōmajtych ynergijach zderzynio. Dalszyj etapy przetworzanio ôpiyrajōm sie na kōncepcyji widma słożōnego i zarachowujōm roztōmajte warōnki CE wymogane do maksymalizacyje prowdopodobności fragmyntacyje, pōniywoż niykere fragmynta mogōm być wykryte ino pod ôkryślōnōm ynergijōm zderzynio.
RDPI (30) bōł użyty do ôbliczanio indukowalności profilu metabolicznego. Roztōmajtość widma metabolicznego (indeks Hj) wywodzi sie z hojności prekursorōw MS/MS przi użyciu yntropije Shannona dystrybucyje frekwyncyje MS/MS przi użyciu nastympujōncego rōwnanio ôpisanego bez Martíneza i inkszych. (8). Hj = -∑i = 1mPijlog2(Pij), kaj Pij ôdpado zglyndnyj czynstości i-tyj MS/MS w j-tyj prōbce (j = 1, 2,..., m) (i = 1, 2, ..., m) t).
Specyficzność metaboliczno (indeks Si) je definiowano jako tożsamość ekspresyje danego MS/MS w ôdniesiyniu do czynstości miyndzy rozwożanymi prōbkami. Specyficzność MS/MS je ôbliczano za Si = 1t (∑j = 1tPijPij2PijPi)
Użyj nastympujōncego wzoru do pōmiary indeksu δj specyficznego dlo metabōlu kożdyj prōbki j jak tyż strzednij specyficzności MS/MS δj = ∑i = 1mPijSi
Widma MS/MS sōm wyrōwnane w porach, a podobiyństwo je ôbliczane podle dwōch wynikōw. Po piyrsze, ze użyciym sztandardowego NDP (znōmego tyż za metoda korelacyje kosynusu), użyj nastympujōncego rōwnanio do ôcyniynio podobiyństwa segmyntu miyndzy widmami NDP = (∑iS1 & S2WS1, iWS2, i) 2∑iWS1, i2∑iWS2, i2 kaj S1 i S2 jako widmo Ôdpednio i WS2, i WS2, i reprezyntuje woga ôparto na intynsywności szpic, iże rōżnica i-tego spōlnego szpic miyndzy tymi dwōma spektrami je myńszo ôd 0,01 Da. Woga je ôbliczano w nastympujōncy spōsōb: W = [intynsywność szpic] m [jakość] n, m = 0,5, n = 2, jak sugeruje MassBank.
Zaimplymyntowano drugo metoda ôcynianio, kero ôbyjmowała analiza spōlnego NL miyndzy MS/MS. W tym cylu użyliśmy 52 wykŏzōw NL, kere czynsto trefiały sie w czasie procesu fragmyntacyje MS w tandymie, jak tyż barzij specyficznego NL (plik danych S1), kere były wczasnij adnotowane do widma MS/MS wtōrnych metabolitōw ôsłabiōnego gatōnku Nepenthes ( 9, 26). Utworz binarny wektōr 1 i 0 dlo kożdego MS/MS, ôdpowiadajōncy ôdpednio teroźnymu i niyistniejōncemu niykerych NL. Na bazie euklidesowego podobiyństwa ôdległości, wynik podobiyństwa NL je ôbliczany dlo kożdyj pory binarnych wektōrōw NL.
Do przekludzynio podwōjnego klastrowanio użyli my pakietu R DiffCoEx, co ôpiyro sie na rozszyrzyniu Wożōnyj Analizy Koekspresyje Gynōw (WGCNA). Przi użyciu macierzi ôcyny NDP i NL widmōw MS/MS, użyliśmy DiffCoEx do ôbliczanio porōwnawczyj macierzi korelacyje. Klastrowanie binarne je wykōnowane bez ustawiynie parametra “cutreeDynamic” na metoda = “hybrydowo”, cutHeight = 0,9999, deepSplit = T i minClusterSize = 10. Kod zdrzōdłowy R DiffCoEx bōł pobrany z ekstra pliku 1 bez Tessona i inkszych. (57); Wymogany pakiet ôprogramowanio R WGCNA może być znojdziōny na https://horvath.genetics.ucla.edu/html/Nec Koekspressyje/Pakiety R/WGCNA.
Coby przekludzić analiza molekularnego necu MS/MS, porachowali my sparowane połōnczynia spektralne podle zortōw podobiyństwa NDP i NL i użyli my ôprogramowanio Cytoscape do wizualizacyje topologije necu ze użyciym ôrganicznego układu w aplikacyji rozszyrzynio algorytmu układu CyFilescape yFiles.
Użyj R wersyje 3.0.1 do przekludzynio statystycznyj analizy danych. Znaczynie statystyczne było ôcyniane ze użyciym dwudyrekcyjnyj analizy wariancyje (ANOVA), po keryj prziszoł post-hoc test szczyro znaczōncyj rōżnice (HSD) ôd Tukey'a. Coby przeanalizować rōżnica miyndzy lyczyniym roślinożerczym a kōntrolōm, dwustronny rozkłod dwōch grup prōbek ô tyj samyj wariancyji bōł przeanalizowany ze użyciym testu t ôd Studenta.
Coby zapoznać sie z ekstra materyjami do tego artykułu, patrz http://advances.sciencemag.org/cgi/content.
Je to artykuł z ôtwartym dostympym dystrybuowany na warōnkach Licyncyje Creative Commons Attribution-Non-Commercial, co przizwolo na użycie, dystrybucyjo i reprodukcyjo w leda jakim medium, podwiela ôstateczne użycie niy ma dlo kōmercyjnego zysku, a założyniym je to, iże ôryginalno robota je noleżno. Ôdniesiynie.
Napomniynie: Prosimy ino ô podanie twojigo adresu e-mail, coby ôsoba, kerõ rekōmyndujesz na strōna, wiedziała, iże chcesz, coby zoboczyła e-mail i że to niyma spam. Niy chwytamy żodnych adresōw e-mail.
To pytanie je używane do przetestowanio, eli jesteś gościym i do zapobiyganio autōmatycznymu przesyłaniu spamu.
Teoryjo informacyje stanowi uniwerzalno waluta do porōwnowanio ekstra metabolōmōw i przewidowanio teoryji ôbrōny testōw.
Teoryjo informacyje stanowi uniwerzalno waluta do porōwnowanio ekstra metabolōmōw i przewidowanio teoryji ôbrōny testōw.
©2021 Amerykański Stowarziszynie dlo Postympu Nauki. wszyske prawa zastrzeżōne. AAAS je partnyrym ôd HINARI, AGORI, OARE, CHORU, CLOCKSS, CrossRef i COUNTER. Postympy Nauki ISSN 2375-2548.