Diversaj teorioj pri planta defendo provizas gravan teorian gvidon por klarigi la ŝablonojn de planta specialigita metabolo, sed iliaj ŝlosilaj prognozoj restas testeblaj. Ĉi tie, ni uzis senantaŭjuĝan tandeman mas-spektrometrian (MS/MS) analizon por sisteme esplori la metabolon de tabako-malfortigitaj trostreĉoj de individuaj plantoj ĝis populacioj kaj proksime rilataj specioj, kaj prilaboris grandan nombron da mas-spektrometriaj trajtoteorioj bazitaj sur kunmetitaj spektroj en la informa kadro por testi la ŝlosilajn prognozojn de optimuma defendo (OD) kaj moviĝanta celo (MT) teorioj. La informa komponento de planta metabolomiko kongruas kun la OD-teorio, sed kontraŭdiras la ĉefan prognozon de MT-teorio pri metabolomikaj dinamikoj kaŭzitaj de plantomanĝantoj. De la mikro ĝis la makro evolua skalo, la jasmonata signalo estis identigita kiel la ĉefa determinanto de OD, dum la etilena signalo provizis fajnagordon de la plantomanĝanto-specifa respondo prinotita de la MS/MS molekula reto.
Specialaj metabolitoj kun diversaj strukturoj estas la ĉefaj partoprenantoj en la adaptiĝo de plantoj al la medio, precipe en defendo kontraŭ malamikoj (1). La miriga diversiĝo de la speciala metabolo trovita en plantoj stimulis jardekojn da profunda esplorado pri ĝiaj multaj aspektoj de ekologiaj funkcioj, kaj formis longan liston de plantdefendaj teorioj, kiuj estas la evolua kaj ekologia disvolviĝo de interagoj inter planto kaj insekto. Empiria esplorado provizas gravajn gvidliniojn (2). Tamen, ĉi tiuj plantdefendaj teorioj ne sekvis la norman vojon de hipoteza dedukta rezonado, en kiu ŝlosilaj antaŭdiroj estis je la sama nivelo de analizo (3) kaj estis eksperimente testitaj por antaŭenigi la sekvan ciklon de teoria disvolviĝo (4). Teknikaj limigoj limigas datenkolektadon al specifaj metabolaj kategorioj kaj ekskludas ampleksan analizon de specialigitaj metabolitoj, tiel malhelpante interkategoriajn komparojn, kiuj estas esencaj por teoria disvolviĝo (5). La manko de ampleksaj metabolomikaj datumoj kaj komuna valuto por kompari la prilaboran laborfluon de la metabola spaco inter malsamaj plantgrupoj malhelpas la sciencan maturecon de la kampo.
La plej novaj evoluoj en la kampo de tandema masspektrometrio (MS/MS) metabolomiko povas amplekse karakterizi la metabolajn ŝanĝojn ene de kaj inter specioj de difinita sistema klado, kaj povas esti kombinitaj kun komputilaj metodoj por kalkuli la strukturan similecon inter ĉi tiuj kompleksaj miksaĵoj. Antaŭa scio pri kemio (5). La kombinaĵo de progresintaj teknologioj en analizo kaj komputado provizas necesan kadron por longdaŭra testado de multaj antaŭdiroj faritaj de la ekologiaj kaj evoluaj teorioj pri metabola diverseco. Shannon (6) enkondukis informan teorion por la unua fojo en sia pionira artikolo en 1948, metante la fundamenton por la matematika analizo de informo, kiu estis uzata en multaj kampoj krom sia originala apliko. En genomiko, informa teorio estis sukcese aplikita por kvantigi sekvencan konservativan informon (7). En transkriptomika esplorado, informa teorio analizas la ĝeneralajn ŝanĝojn en la transkriptomo (8). En antaŭa esplorado, ni aplikis la statistikan kadron de informa teorio al metabolomiko por priskribi la metabolan sperton de la hista nivelo en plantoj (9). Ĉi tie, ni kombinas la MS/MS-bazitan laborfluon kun la statistika kadro de informa teorio, karakterizita per la metabola diverseco en la komuna valuto, por kompari la ŝlosilajn prognozojn de la plantdefenda teorio de la metabolomo induktita de plantomanĝantoj.
La teoriaj kadroj de planta defendo kutime estas reciproke inkluzivaj kaj povas esti dividitaj en du kategoriojn: tiuj, kiuj provas klarigi la distribuon de plant-specifaj metabolitoj surbaze de defendfunkcioj, kiel ekzemple optimuma defendo (OD) (10), moviĝanta celo (MT) (11) kaj aperteorio (12), dum aliaj serĉas mekanikajn klarigojn pri kiel ŝanĝoj en rimeda havebleco influas plantkreskon kaj la amasiĝon de specialigitaj metabolitoj, kiel ekzemple karbono: hipotezo pri nutra ekvilibro (13), hipotezo pri kreskorapideco (14), kaj la hipotezo pri kresko kaj diferenciĝa ekvilibro (15). La du aroj de teorioj estas je malsamaj niveloj de analizo (4). Tamen, du teorioj implikantaj defensivajn funkciojn je la funkcia nivelo dominas la diskuton pri plantaj konstituaj kaj indukteblaj defendoj: OD-teorio, kiu supozas, ke plantoj investas en siajn multekostajn kemiajn defendojn nur kiam necese, ekzemple, kiam ili estas konsumitaj. Kiam herbbesto atakas, tial, laŭ la ebleco de estonta atako, la kombinaĵo kun defensiva funkcio estas asignita (10); La MT-hipotezo proponas, ke ne ekzistas akso de direktoŝanĝo de la metabolito, sed la metabolito ŝanĝiĝas hazarde, tiel kreante la eblecon malhelpi la metabolan "movan celon" de atakantaj plantomanĝantoj. Alivorte, ĉi tiuj du teorioj faras kontraŭajn prognozojn pri la metabola remodelado, kiu okazas post la atako de plantomanĝantoj: la rilato inter la unudirekta amasiĝo de metabolitoj kun defenda funkcio (OD) kaj nedirektitaj metabolaj ŝanĝoj (MT) (11).
La hipotezoj pri OD kaj MT implikas ne nur la induktitajn ŝanĝojn en la metabolo, sed ankaŭ la ekologiajn kaj evoluajn konsekvencojn de la akumuliĝo de ĉi tiuj metabolitoj, kiel ekzemple la adaptajn kostojn kaj avantaĝojn de ĉi tiuj metabolaj ŝanĝoj en specifa ekologia medio (16). Kvankam ambaŭ hipotezoj agnoskas la defendan funkcion de specialigitaj metabolitoj, kiuj povas esti multekostaj aŭ ne, la ŝlosila prognozo, kiu distingas la hipotezojn pri OD kaj MT, kuŝas en la direkteco de la induktitaj metabolaj ŝanĝoj. La prognozo de la OD-teorio ĝis nun ricevis la plej eksperimentan atenton. Ĉi tiuj testoj inkluzivas la studon de la rektaj aŭ nerektaj defendaj funkcioj de malsamaj histoj de specifaj kombinaĵoj en forcejoj kaj naturaj kondiĉoj, same kiel ŝanĝojn en la stadio de plantevoluo (17-19). Tamen, ĝis nun, pro la manko de laborfluo kaj statistika kadro por tutmonda ampleksa analizo de la metabola diverseco de iu ajn organismo, la ĉefa diferenco en prognozo inter la du teorioj (tio estas, la direkto de metabolaj ŝanĝoj) restas testota. Ĉi tie, ni provizas tian analizon.
Unu el la plej signifaj karakterizaĵoj de plant-specifaj metabolitoj estas ilia ekstrema struktura diverseco je ĉiuj niveloj, de unuopaj plantoj kaj populacioj ĝis similaj specioj (20). Multaj kvantaj ŝanĝoj en specialigitaj metabolitoj observeblas je la populacia skalo, dum fortaj kvalitaj diferencoj kutime konserviĝas je la specio-nivelo (20). Tial, planta metabola diverseco estas la ĉefa aspekto de funkcia diverseco, reflektante la adaptiĝemon al malsamaj niĉoj, precipe tiuj niĉoj kun malsamaj invadeblecoj fare de specialaj insektoj kaj komunaj plantomanĝantoj (21). Ekde la pionira artikolo de Fraenkel (22) pri la kialoj de la ekzisto de plant-specifaj metabolitoj, interagoj kun diversaj insektoj estas konsiderataj kiel gravaj selektaj premoj, kaj oni kredas, ke ĉi tiuj interagoj formis plantojn dum la evolucio. Metabola vojo (23). Interspeciaj diferencoj en la diverseco de specialigitaj metabolitoj povas ankaŭ reflekti la fiziologian ekvilibron asociitan kun konstitua kaj induktebla planta defendo kontraŭ herbovoraj strategioj, ĉar la du specioj ofte estas negative korelaciitaj unu kun la alia (24). Kvankam povas esti utile konservi bonan defendon ĉiam, ĝustatempaj metabolaj ŝanĝoj asociitaj kun defendo provizas klarajn avantaĝojn, permesante al plantoj asigni valorajn rimedojn al aliaj fiziologiaj investoj (19, 24), kaj evitante la bezonon de simbiozo. Kroma damaĝo (25). Krome, ĉi tiuj reorganizoj de specialigitaj metabolitoj kaŭzitaj de insektaj plantomanĝantoj povas konduki al detrua distribuo en la populacio (26), kaj povas reflekti rektajn legadojn de grandaj naturaj ŝanĝoj en la jasmona acido (JA) signalo, kiu povas esti konservita en la populacio. Altaj kaj malaltaj JA-signaloj estas kompromisoj inter defendo kontraŭ plantomanĝantoj kaj konkurenco kun specifaj specioj (27). Krome, specialigitaj metabolitaj biosintezaj vojoj spertos rapidan perdon kaj transformon dum evoluo, rezultante en neegalita metabolan distribuon inter proksime rilataj specioj (28). Ĉi tiuj polimorfismoj povas esti rapide establitaj en respondo al ŝanĝiĝantaj plantomanĝantaj padronoj (29), kio signifas, ke la fluktuo de plantomanĝantaj komunumoj estas ŝlosila faktoro, kiu pelas metabolan diversecon.
Ĉi tie, ni specife solvis la jenajn problemojn. (I) Kiel la herbovora insekto reagordas la plantan metabolomon? (Ii) Kiuj estas la ĉefaj informaj komponantoj de metabola plastikeco, kiujn oni povas kvantigi por testi la prognozojn de la longdaŭra defenda teorio? (Iii) Ĉu reprogrami la plantan metabolomon laŭ maniero unika por la atakanto, se jes, kian rolon ludas planta hormono en la adaptado de specifa metabola respondo, kaj kiuj metabolitoj kontribuas al la speciospecifeco de defendo? (Iv) Ĉar la prognozoj faritaj de multaj defendaj teorioj povas esti etenditaj trans ĉiujn nivelojn de biologiaj histoj, ni demandis kiom kohera estas la kaŭzita metabola respondo de interna komparo ĝis interspecia komparo? Por tiu celo, ni sisteme studis la folian metabolon de tabaknikotino, kiu estas ekologia modelplanto kun riĉa specialigita metabolo, kaj efikas kontraŭ la larvoj de du indiĝenaj plantomanĝantoj, Lepidoptera Datura (Ms) (tre agresema, ĉefe manĝata). Ĉe Solanacoj kaj Spodoptera littoralis (Sl), kotonaj folivermoj estas ia "genro", kun la gastigaj plantoj Solanacoj kaj aliaj gastigantoj de aliaj genroj kaj familioj Plantfood. Ni analizis la MS/MS-metabolomikan spektron kaj eltiris statistikajn priskribilojn de informa teorio por kompari OD kaj MT-teoriojn. Ni kreis specifecajn mapojn por riveli la identecon de ŝlosilaj metabolitoj. La analizo estis etendita al la indiĝena populacio de N. nasi kaj proksime rilataj tabakspecioj por plue analizi la kunvariancon inter planthormona signalado kaj OD-indukto.
Por kapti ĝeneralan mapon pri la plastikeco kaj strukturo de la folimetabolo de herbovora tabako, ni uzis antaŭe evoluigitan analizan kaj kalkulan laborfluon por amplekse kolekti kaj malkonvolui alt-rezoluciajn daten-sendependajn MS/MS-spektrojn el plantekstraktoj (9). Ĉi tiu nediferencigita metodo (nomata MS/MS) povas konstrui ne-redundajn komponaĵajn spektrojn, kiuj poste povas esti uzataj por ĉiuj analizoj je komponaĵa nivelo priskribitaj ĉi tie. Ĉi tiuj malkonvoluitaj plantmetabolitoj estas de diversaj tipoj, konsistantaj el centoj ĝis miloj da metabolitoj (ĉirkaŭ 500-1000-s/MS/MS ĉi tie). Ĉi tie, ni konsideras metabolan plastikecon en la kadro de informa teorio, kaj kvantigas la diversecon kaj profesiecon de la metabolo surbaze de la Shannon-entropio de la metabola frekvenca distribuo. Uzante la antaŭe efektivigitan formulon (8), ni kalkulis aron da indikiloj, kiuj povas esti uzataj por kvantigi metaboloman diversecon (Hj-indikilo), metabolan profilan specialiĝon (δj-indikilo) kaj metabolan specifecon de unuopa metabolito (Si-indikilo). Krome, ni aplikis la Relativan Distancan Plastikecan Indekson (RDPI) por kvantigi la metaboloman indukteblecon de plantomanĝantoj (Figuro 1A) (30). Ene de ĉi tiu statistika kadro, ni traktas MS/MS-spektron kiel la bazan informan unuon, kaj prilaboras la relativan abundon de MS/MS en frekvencan distribuan mapon, kaj poste uzas Shannon-entropion por taksi la metaboloman diversecon el ĝi. La metaboloman specialiĝon oni mezuras per la meza specifeco de unuopa MS/MS-spektro. Tial, la pliiĝo de la abundo de iuj MS/MS-klasoj post plantomanĝanta indukto transformiĝas en spektran indukteblecon, RDPI kaj specialiĝon, tio estas, la pliiĝon de la δj-indekso, ĉar pli specialigitaj metabolitoj produktiĝas kaj alta Si-indekso produktiĝas. La malaltiĝo de la Hj-diverseca indekso reflektas, ke aŭ la nombro de generitaj MS/MS reduktiĝas, aŭ la profila frekvenca distribuo ŝanĝiĝas en malpli unuforma direkto, samtempe reduktante ĝian ĝeneralan necertecon. Per la kalkulo de la Si-indekso, eblas elstarigi, kiuj MS/MS estas induktitaj de certaj plantomanĝantoj, male, kiuj MS/MS ne respondas al la indukto, kio estas ŝlosila indikilo por distingi MT kaj OD-prognozon.
(A) Statistikaj priskribiloj uzataj por herbovora (H1 ĝis Hx) MS/MS-datumo-induktebleco (RDPI), diverseco (Hj-indekso), specialiĝo (δj-indekso) kaj metabolita specifeco (Si-indekso). Pliiĝo en la grado de specialiĝo (δj) indikas, ke averaĝe pli da herbovoraj specifaj metabolitoj estos produktitaj, dum malpliiĝo en diverseco (Hj) indikas malpliiĝon en la produktado de metabolitoj aŭ malebenan distribuon de metabolitoj en la distribua mapo. La Si-valoro taksas ĉu la metabolito estas specifa por difinita kondiĉo (ĉi tie, herbovora) aŭ inverse konserviĝas je la sama nivelo. (B) Koncipa diagramo de antaŭdiro de defendteorio uzante informan teorion. La OD-teorio antaŭdiras, ke atako de herbovoruloj pliigos la nombron de defendmetabolitoj, tiel pliigante δj. Samtempe, Hj malpliiĝas ĉar la profilo estas reorganizita direkte al reduktita necerteco pri metabola informo. La MT-teorio antaŭdiras, ke la atako de herbovoruloj kaŭzos nedirektajn ŝanĝojn en la metabolomo, tiel pliigante Hj kiel indikilo de pliigita necerteco pri metabola informo kaj kaŭzante hazardan distribuon de Si. Ni ankaŭ proponis miksitan modelon, la plej bonan MT, en kiu iuj metabolitoj kun pli altaj defendaj valoroj estos aparte pliigitaj (alta Si-valoro), dum aliaj montras hazardajn respondojn (pli malalta Si-valoro).
Uzante priskribojn de informa teorio, ni interpretas la OD-teorion por antaŭdiri, ke ŝanĝoj en specialaj metabolitoj induktitaj de plantomanĝantoj en neinduktita konstitua stato kondukos al (i) pliiĝo de metabola specifeco (Si-indekso), kiu stiras metaboloman specifecon (δj-indekso). La pliiĝo de certaj specialaj metabolitgrupoj kun pli alta defendvaloro, kaj (ii) malpliiĝo de metaboloma diverseco (Hj-indekso) pro la ŝanĝo de metabola frekvenca distribuo al pli da leptina korpdistribuo. Ĉe la nivelo de unuopa metabolito, oni atendas ordigitan Si-distribuon, kie la metabolito pliigos la Si-valoron laŭ sia defendvaloro (Figuro 1B). Laŭ tiu ĉi linio, ni klarigas la MT-teorion por antaŭdiri, ke ekscito kondukos al (i) nedirektaj ŝanĝoj en metabolitoj, rezultante en malpliiĝo de la δj-indekso, kaj (ii) pliiĝo de la Hj-indekso pro pliiĝo de metabola necerteco. Aŭ hazardo, kiu povas esti kvantigita per Shannon-entropio en la formo de ĝeneraligita diverseco. Koncerne la metabolan konsiston, la MT-teorio antaŭdiros la hazardan distribuon de Si. Konsiderante, ke certaj metabolitoj estas sub specifaj kondiĉoj sub specifaj kondiĉoj, kaj aliaj kondiĉoj ne estas sub specifaj kondiĉoj, kaj ilia defendvaloro dependas de la ĉirkaŭaĵo, ni ankaŭ proponis miksitan defendmodelon, en kiu δj kaj Hj estas distribuitaj duope laŭlonge de Si. Pliiĝas en ĉiuj direktoj, nur certaj metabolitgrupoj, kiuj havas pli altajn defendvalorojn, aparte pliigos Si, dum aliaj havos hazardan distribuon (Figuro 1B).
Por testi la redifinitan prognozon de la defendteorio sur la akso de la priskribilo de la informa teorio, ni kreskigis larvojn de fakulo (Ms) aŭ ĝeneralisto (Sl) sur la folioj de Nepenthes pallens (Figuro 2A). Uzante MS/MS-analizon, ni akiris 599 ne-redundajn MS/MS-spektrojn (datumbazo S1) el metanolaj ekstraktoj de folihisto kolektita post raŭpa manĝado. Uzante RDPI, Hj, kaj δj-indeksojn por bildigi la rekonfiguron de informa enhavo en MS/MS-konfiguraj dosieroj, oni malkaŝas interesajn ŝablonojn (Figuro 2B). La ĝenerala tendenco estas, ke, kiel priskribite de la informa priskribilo, dum la raŭpoj daŭre manĝas foliojn, la grado de ĉia metabola reorganizado pliiĝas laŭlonge de la tempo: 72 horojn post kiam la plantomanĝanto manĝas, la RDPI signife pliiĝas. Kompare kun la nedifektita kontrolo, Hj estis signife reduktita, kio ŝuldiĝis al la pliigita grado de specialiĝo de la metabola profilo, kiu estis kvantigita per la δj-indekso. Ĉi tiu ŝajna tendenco kongruas kun la antaŭdiroj de la OD-teorio, sed malkongruas kun la ĉefaj antaŭdiroj de la MT-teorio, kiu kredas, ke hazardaj (ne-direktaj) ŝanĝoj en metabolitaj niveloj estas uzataj kiel defensiva kamuflaĵo (Figuro 1B). Kvankam la enhavo de elicitoroj en buŝa sekrecio (OS) kaj la manĝokonduto de ĉi tiuj du plantomanĝantoj estas malsamaj, ilia rekta manĝado rezultigis similajn ŝanĝojn en la direktoj de Hj kaj δj dum la 24-horaj kaj 72-horaj rikoltperiodoj. La sola diferenco okazis je 72 horoj de RDPI. Kompare kun tio kaŭzita de Ms-manĝado, la ĝenerala metabolo induktita de Sl-manĝado estis pli alta.
(A) Eksperimenta dezajno: ordinaraj porkaj (S1) aŭ spertaj (Ms) plantomanĝantoj estas nutrataj per sensaligitaj folioj de kruĉplantoj, dum por simulita plantomanĝado, la OS de Ms (W + OSMs) estas uzata por pritrakti la trapikadon de normigitaj foliaj pozicioj. S1 (W + OSSl) larvoj aŭ akvo (W + W). La kontrolo (C) estas nedifektita folio. (B) Indukebleco (RDPI kompare kun la kontroldiagramo), diverseco (Hj-indekso) kaj specialiĝindekso (δj-indekso) kalkulitaj por la speciala metabolita mapo (599 MS/MS; datumdosiero S1). Asteriskoj indikas signifajn diferencojn inter la rekta plantomanĝanta manĝado kaj la kontrolgrupo (t-testo de Student kun parigita t-testo, *P<0,05 kaj ***P<0,001). ns, ne gravas. (C) Tempa distinga indekso de ĉefa (blua skatolo, aminoacido, organika acido kaj sukero; datendosiero S2) kaj speciala metabolita spektro (ruĝa skatolo 443 MS/MS; datendosiero S1) post simulita herbovorada traktado. La kolora bendo rilatas al la 95%-konfidencintervalo. La asterisko indikas la signifan diferencon inter la traktado kaj la kontrolo [kvadrata variancanalizo (ANOVA), sekvata de la honeste signifa diferenco de Tukey (HSD) por post-hoc multkomparoj, *P<0.05, **P<0.01 Kaj *** P <0.001]. (D) Specialiĝo de dispersaj diagramoj kaj specialaj metabolitaj profiloj (ripetaj specimenoj kun malsamaj traktadoj).
Por esplori ĉu la herbovorulo-induktita remodelado je la metaboloma nivelo estas reflektita en la ŝanĝoj en la nivelo de individuaj metabolitoj, ni unue fokusiĝis al la metabolitoj antaŭe studitaj en la folioj de *Nepenthes pallens* kun pruvita herbovorula rezisto. Fenolaj amidoj estas hidroksicinamamid-poliaminaj konjugaĵoj, kiuj akumuliĝas dum la herbovora procezo de insektoj kaj estas konataj pro reduktado de insekta agado (32). Ni serĉis la antaŭulojn de la koresponda MS/MS kaj desegnis iliajn akumulajn kinetikajn kurbojn (Figuro S1). Ne surprize, fenolaj derivaĵoj, kiuj ne estas rekte implikitaj en la defendo kontraŭ herbovoruloj, kiel klorogena acido (CGA) kaj rutino, estas malsuprenreguligitaj post herbovorado. Kontraste, herbovoruloj povas igi fenolamidojn tre potencaj. La kontinua nutrado de la du herbovoruloj rezultigis preskaŭ la saman ekscitan spektron de fenolamidoj, kaj ĉi tiu padrono estis aparte evidenta por *de novo* sintezo de fenolamidoj. La sama fenomeno estos observata dum esplorado de la vojo de 17-hidroksigeranil-nonanediolaj diterpeno-glikozidoj (17-HGL-DTG-oj), kiu produktas grandan nombron da aciklaj diterpenoj kun efikaj kontraŭplantovoraj funkcioj (33), el kiuj Ms Nutrado kun Sl ekigis similan espriman profilon (Figuro S1)).
La ebla malavantaĝo de eksperimentoj pri rekta nutrado de plantomanĝantoj estas la diferenco en la konsumofteco de folioj kaj la nutradotempo de plantomanĝantoj, kio malfaciligas la eliminon de la plantomanĝantoj-specifaj efikoj kaŭzitaj de vundoj kaj plantomanĝantoj. Por pli bone solvi la specifecon de la induktita metabola respondo de la folio por plantomanĝantoj, ni simulis la nutradon de Ms kaj Sl larvoj tuj aplikante la ĵus kolektitan OS (OSM kaj OSS1) al la norma trapiko W de koheraj folipozicioj. Ĉi tiu proceduro nomiĝas W + OS-traktado, kaj ĝi normigas la indukton per preciza tempigo de la komenco de la respondo elvokita de la plantomanĝanto sen kaŭzi konfuzajn efikojn de diferencoj en la rapideco aŭ kvanto de histoperdo (Figuro 2A) (34). Uzante la MS/MS-analizon kaj kalkulon, ni prenis 443 MS/MS-spektrojn (datumbazo S1), kiuj interkovris kun la spektroj antaŭe kunmetitaj de eksperimentoj pri rekta nutrado. La informteoria analizo de ĉi tiu MS/MS-datumbazo montris, ke la reprogramado de foli-specialigitaj metabolomoj per simulado de plantomanĝantoj montris OS-specifajn instigojn (Figuro 2C). Aparte, kompare kun OSS1-traktado, OSM kaŭzis plifortigon de la metaboloma specialiĝo post 4 horoj. Indas rimarki, ke kompare kun la eksperimenta datumbazo pri rekta herbovora manĝigo, la metabola kinetiko bildigita en dudimensia spaco uzante Hj kaj δj kiel koordinatojn, kaj la direkteco de la metaboloma specialiĝo rilate al simulita herbovora traktado laŭlonge de la tempo montras konsekvencan pliiĝon (Figuro 2D). Samtempe, ni kvantigis la enhavon de aminoacidoj, organikaj acidoj kaj sukeroj (datumbazo S2) por esplori ĉu ĉi tiu celita pliiĝo de metaboloma kompetenteco ŝuldiĝas al la rekonfigurado de centra karbona metabolo rilate al simulitaj herbovoroj (Figuro S2). Por pli bone klarigi ĉi tiun ŝablonon, ni plue monitoris la metabolan akumuliĝan kinetikon de la antaŭe diskutitaj fenolamidaj kaj 17-HGL-DTG-vojoj. La OS-specifa indukto de herbovoroj transformiĝas en diferencigan rearanĝan ŝablonon ene de fenolamida metabolo (Figuro S3). Fenolaj amidoj enhavantaj kumarinon kaj kafeoilajn partojn estas preferate induktitaj de OSS1, dum OSM-oj ekigas specifan indukton de ferulilaj konjugaĵoj. Por la 17-HGL-DTG-pado, diferenciga OS-indukto per postfluaj maloniligo- kaj dimaloniligo-produktoj estis detektita (Figuro S3).
Poste, ni studis la OS-induktitan transkriptoman plastikecon uzante la tempo-kursan mikroara datumaro, kiu simulas la uzon de OSM-oj por trakti la foliojn de la rozetaj plantfolioj en herbomanĝantoj. La specimeniga kinetiko baze interkovras kun la kinetiko uzita en ĉi tiu metabolomika studo (35). Kompare kun la metaboloma rekonfigurado en kiu metabola plastikeco estas aparte pliigita laŭlonge de la tempo, ni observas pasemajn transskribajn eksplodojn en folioj induktitaj de Ms, kie transkriptoma induktebleco (RDPI) kaj specialiĝo (δj) estas je 1. Estis signifa pliiĝo en horoj, kaj diverseco (Hj) je ĉi tiu tempopunkto, la esprimo de BMP1 estis signife reduktita, sekvita de la malstreĉiĝo de transkriptoma specialiĝo (Figuro S4). Metabolaj genfamilioj (kiel P450, glikoziltransferazo, kaj BAHD-aciltransferazo) partoprenas en la procezo de kunmetado de specialaj metabolitoj el strukturaj unuoj derivitaj de primara metabolo, sekvante la jam menciitan fruan alt-specialiĝan modelon. Kiel kazesploro, la fenilalanina vojo estis analizita. La analizo konfirmis, ke la kernaj genoj en fenolamida metabolo estas tre OS-induktitaj en plantomanĝantoj kompare kun neallogitaj plantoj, kaj estas proksime akordigitaj en siaj esprimaj padronoj. La transkripcifaktoro MYB8 kaj strukturaj genoj PAL1, PAL2, C4H kaj 4CL en la kontraŭflua parto de ĉi tiu vojo montris fruan komencon de transskribo. Aciltransferazoj, kiuj ludas rolon en la fina kunigo de fenolamido, kiel AT1, DH29 kaj CV86, montras longedaŭran suprenreguladan padronon (Figuro S4). La supraj observoj indikas, ke la frua komenco de transkriptoma specialiĝo kaj la pli posta plifortigo de metabolomika specialiĝo estas kunligita reĝimo, kiu povas ŝuldiĝi al la sinkrona reguliga sistemo, kiu iniciatas potencan defendrespondon.
La rekonfigurado en planthormona signalado agas kiel reguliga tavolo, kiu integras herbovorajn informojn por reprogrami la fiziologion de plantoj. Post la herbovora simulado, ni mezuris la akumulan dinamikon de ŝlosilaj planthormonaj kategorioj kaj bildigis la tempan kunesprimon inter ili [Pearson-korelacia koeficiento (PCC) > 0.4] (Figuro 3A). Kiel atendite, planthormonoj rilataj al biosintezo estas ligitaj ene de la planthormona kunesprimreto. Krome, metabola specifeco (Si-indekso) estas mapita al ĉi tiu reto por reliefigi la planthormonojn induktitajn de malsamaj traktadoj. Du ĉefaj areoj de herbovora specifa respondo estas desegnitaj: unu estas en la JA-areto, kie JA (ĝia biologie aktiva formo JA-Ile) kaj aliaj JA-derivaĵoj montras la plej altan Si-poentaron; la alia estas etileno (ET). Giberelino montris nur moderan pliiĝon en herbovora specifeco, dum aliaj planthormonoj, kiel citokinino, aŭksino kaj abscisa acido, havis malaltan indukspecifecon por herbovoruloj. Kompare kun la uzado de W + W sole, la plifortigo de la pinta valoro de JA-derivaĵoj per la OS-aplikaĵo (W + OS) povas esence esti transformita en fortan specifan indikilon de JA-oj. Neatendite, OSM kaj OSS1 kun malsama elicitor-enhavo estas konataj kaŭzi similan amasiĝon de JA kaj JA-Ile. Kontraste al OSS1, OSM estas specife kaj forte induktita de OSM-oj, dum OSS1 ne plifortigas la respondon de bazaj vundoj (Figuro 3B).
(A) Analizo de kunesprima reto bazita sur PCC-kalkulo de simulado de kinetiko de akumuliĝo de planthormonoj induktita de plantomanĝantoj. La nodo reprezentas unuopan planthormonon, kaj la grandeco de la nodo reprezentas la Si-indekson specifan por la planthormono inter traktadoj. (B) Amasiĝo de JA, JA-Ile kaj ET en folioj kaŭzita de malsamaj traktadoj indikitaj per malsamaj koloroj: abrikoto, W + OSM; blua, W + OSSl; nigra, W + W; griza, C (kontrolo). Asteriskoj indikas signifajn diferencojn inter traktado kaj kontrolo (dudirekta ANOVA sekvata de Tukey HSD post-hoc multobla komparo, *** P <0,001). Analizo de informa teorio de (C)697 MS/MS (datuma dosiero S1) en JA-biosintezo kaj difektita perceptospektro (irAOC kaj irCOI1) kaj (D)585 MS/MS (datuma dosiero S1) en ETR1 kun difektita ET-signalo. Du simulitaj plantomanĝantaj traktadoj ekigis plantliniojn kaj malplenajn veturilajn (EV) kontrolplantojn. Asteriskoj indikas signifajn diferencojn inter W+OS-traktado kaj nedifektita kontrolo (dudirekta ANOVA sekvata de Tukey HSD post-hoc multobla komparo, *P<0.05, **P<0.01 kaj ***P<0.001). (E) Disaj grafikaĵoj de disa opozicio al specialiĝo. La koloroj reprezentas malsamajn genetike modifitajn trostreĉojn; la simboloj reprezentas malsamajn traktadmetodojn: triangulo, W + OSS1; rektangulo, W + OSM; cirklo C
Poste, ni uzas genetike modifitan trostreĉon de malfortigita Nepenthes (irCOI1 kaj sETR1) en la ŝlosilaj paŝoj de JA kaj ET-biosintezo (irAOC kaj irACO) kaj percepto (irCOI1 kaj sETR1) por analizi la metabolon de ĉi tiuj du planthormonoj ĉe plantomanĝantoj. La relativa kontribuo de reprogramado. Konforme al antaŭaj eksperimentoj, ni konfirmis la indukton de plantomanĝanto-OS en malplenaj portantaj (EV) plantoj (Figuro 3, C ĝis D) kaj la ĝeneralan malpliiĝon de la Hj-indekso kaŭzita de OSM, dum la δj-indekso pliiĝis. La respondo estas pli okulfrapa ol la respondo ekigita de OSS1. Du-linia grafikaĵo uzanta Hj kaj δj kiel koordinatojn montras la specifan dereguligon (Figuro 3E). La plej evidenta tendenco estas, ke ĉe trostreĉoj malhavantaj JA-signalon, la metabolomaj diverseco- kaj specialiĝŝanĝoj kaŭzitaj de plantomanĝantoj estas preskaŭ tute eliminitaj (Figuro 3C). Kontraste, la silenta ET-percepto en sETR1-plantoj, kvankam la ĝenerala efiko sur ŝanĝoj en herbovora metabolo estas multe pli malalta ol tiu de JA-signalado, malpliigas la diferencon en Hj kaj δj indeksoj inter OSM- kaj OSS1-ekscitoj (Figuro 3D kaj Figuro S5). Ĉi tio indikas, ke krom la kerna funkcio de JA-signaltransdukado, ET-signaltransdukado ankaŭ servas kiel fajnagordo de la speciospecifa metabola respondo de herbovoruloj. Konforme al ĉi tiu fajnagorda funkcio, ne estis ŝanĝo en la ĝenerala metaboloma induktebleco en sETR1-plantoj. Aliflanke, kompare kun sETR1-plantoj, irACO-plantoj induktis similajn ĝeneralajn amplitudojn de metabolaj ŝanĝoj kaŭzitaj de herbovoruloj, sed montris signife malsamajn Hj kaj δj poentarojn inter OSM- kaj OSS1-defioj (Figuro S5).
Por identigi specialigitajn metabolitojn, kiuj havas gravajn kontribuojn al la specio-specifa respondo de plantomanĝantoj, kaj fajnagordi ilian produktadon per ET-signaloj, ni uzis la antaŭe evoluigitan strukturan MS/MS-metodon. Ĉi tiu metodo dependas de la du-grupiga metodo por re-dedukti la metabolan familion el MS/MS-fragmentoj [normigita skala produkto (NDP)] kaj similecpoentaro bazita sur neŭtrala perdo (NL). La MS/MS-datumbazo konstruita per la analizo de ET-transgenaj linioj produktis 585 MS/MS (datumbazo S1), kiu estis solvita per grupigo en sep ĉefajn MS/MS-modulojn (M) (Figuro 4A). Kelkaj el ĉi tiuj moduloj estas dense pakitaj kun antaŭe karakterizitaj specialaj metabolitoj: ekzemple, M1, M2, M3, M4 kaj M7 estas riĉaj je diversaj fenolaj derivaĵoj (M1), flavonoidaj glikozidoj (M2), acilsukeroj (M3 kaj M4), kaj 17-HGL-DTG (M7). Krome, la metabolaj specifaj informoj (Si-indekso) de unuopa metabolito en ĉiu modulo estas kalkulataj, kaj ĝia Si-distribuo povas esti intuicie vidata. Mallonge, MS/MS-spektroj montrantaj altan herbovoran kaj genotipan specifecon estas karakterizitaj per altaj Si-valoroj, kaj kurtozaj statistikoj indikas la distribuon de felo sur la dekstra vostangulo. Unu tia maldika koloida distribuo estis detektita en M1, en kiu fenola amido montris la plej altan Si-frakcion (Figuro 4B). La antaŭe menciita herbovora induktebla 17-HGL-DTG en M7 montris moderan Si-poentaron, indikante moderan gradon de diferenciga reguligo inter la du OS-tipoj. Kontraste, plej konstitue produktitaj specialigitaj metabolitoj, kiel rutino, CGA kaj acil-sukeroj, estas inter la plej malaltaj Si-poentaroj. Por pli bone esplori la strukturan kompleksecon kaj Si-distribuon inter specialaj metabolitoj, molekula reto estis konstruita por ĉiu modulo (Figuro 4B). Grava antaŭdiro de la OD-teorio (resumita en Figuro 1B) estas, ke la reorganizado de specialaj metabolitoj post herbovorado devus konduki al unudirektaj ŝanĝoj en metabolitoj kun alta defenda valoro, precipe per pliigo de ilia specifeco (kontraste al hazarda distribuo) (Modo) Defenda metabolito antaŭdirita de MT-teorio. La plej multaj el la fenolaj derivaĵoj akumulitaj en M1 estas funkcie rilataj al la malkresko de insekta agado (32). Komparante la Si-valorojn en la M1-metabolitoj inter la induktitaj folioj kaj la konsistigaj folioj de la EV-kontrolplantoj je 24 horoj, ni observis, ke la metabola specifeco de multaj metabolitoj post herbovoradaj insektoj havas signifan kreskantan tendencon (Figuro 4C). La specifa pliiĝo de Si-valoro estis detektita nur en defendaj fenolamidoj, sed neniu pliiĝo de Si-valoro estis detektita en aliaj fenoloj kaj nekonataj metabolitoj kunekzistantaj en ĉi tiu modulo. Ĉi tio estas specialigita modelo, kiu rilatas al la OD-teorio. La ĉefaj antaŭdiroj pri metabolaj ŝanĝoj kaŭzitaj de herbovoruloj estas koheraj. Por testi ĉu ĉi tiu specifeco de la fenolamida spektro estis induktita de OS-specifa ET, ni grafike desegnis la metabolitan Si-indekson kaj kaŭzis diferencigan esprimvaloron inter OSM kaj OSS1 en la genotipoj EV kaj sETR1 (Figuro 4D). En sETR1, la fenamido-induktita diferenco inter OSM kaj OSS1 estis multe reduktita. La du-grupiga metodo ankaŭ estis aplikita al MS/MS-datumoj kolektitaj en trostreĉoj kun nesufiĉa JA por dedukti la ĉefajn MS/MS-modulojn rilatajn al JA-reguligita metabola specialiĝo (Figuro S6).
(A) La rezultoj de agregaciado de 585 MS/MS bazitaj sur komuna fragmento (NDP-simileco) kaj komuna neŭtrala perdo (NL-simileco) rezultigas, ke la modulo (M) kongruas kun la konata komponaĵfamilio, aŭ pro nekonata aŭ malbone metaboligita metabolita konsisto. Apud ĉiu modulo, la metabolito (MS/MS) specifa (Si) distribuo estas montrita. (B) Modula molekula reto: Nodoj reprezentas MS/MS kaj randojn, NDP (ruĝa) kaj NL (blua) MS/MS-poentaroj (limigo, > 0.6). La gradigita metabolita specifeca indekso (Si) kolorigita laŭ la modulo (maldekstre) kaj mapita al la molekula reto (dekstre). (C) Modulo M1 de EV-planto en konstitua (kontrola) kaj induktita stato (simulita plantomanĝanto) je 24 horoj: molekula reta diagramo (Si-valoro estas la nodgrandeco, defensiva fenolamido estas elstarigita blue). (D) La M1-molekula reto-diagramo de la spektra linio sETR1 kun difektita EV kaj ET-percepto: la fenola kombinaĵo reprezentita de la verda cirkla nodo, kaj la signifa diferenco (P-valoro) inter la traktadoj W + OSM kaj W + OSS1 laŭ la grandeco de la nodo. CP, N-kafeoil-tirozino; CS, N-kafeoil-spermidino; FP, N-ferula acido-estero-urata acido; FS, N-ferulil-spermidino; CoP, N', N"-kumarolil-tirozino; DCS, N', N"-dikafeoil-spermidino; CFS, N', N"-kafeoil, feruloil-spermidino; Lycium barbarum en lupbero Filo; Nick. O-AS, O-acil-sukero.
Ni plue etendis la analizon de ununura malfortigita Nepenthes-genotipo al naturaj populacioj, kie fortaj intraspecifaj ŝanĝoj en herbovoraj JA-niveloj kaj specifaj metabolit-niveloj estis antaŭe priskribitaj en naturaj populacioj (26). Uzu ĉi tiun datumaron por kovri 43 ĝermo-plasmojn. Ĉi tiuj ĝermo-plasmoj konsistas el 123 specioj de plantoj de N. pallens. Ĉi tiuj plantoj estis prenitaj el semoj kolektitaj en malsamaj indiĝenaj vivejoj en Utaho, Nevado, Arizono kaj Kalifornio (Figuro S7), ni kalkulis la metaboloman diversecon (ĉi tie nomata populacia nivelo) β-diverseco) kaj la specialiĝon kaŭzitan de OSM. Konforme al antaŭaj studoj, ni observis larĝan gamon da metabolaj ŝanĝoj laŭ la Hj kaj δj aksoj, indikante ke ĝermo-plasmoj havas signifajn diferencojn en la plastikeco de siaj metabolaj respondoj al herbovoruloj (Figuro S7). Ĉi tiu organizado memorigas pri antaŭaj observoj pri la dinamika gamo de JA-ŝanĝoj kaŭzitaj de herbovoruloj, kaj konservis tre altan valoron en ununura populacio (26, 36). Uzante JA kaj JA-Ile por testi la ĝeneralan nivelan korelacion inter Hj kaj δj, ni trovis, ke ekzistas signifa pozitiva korelacio inter JA kaj la metaboloma β diverseco kaj specialiĝindekso (Figuro S7). Ĉi tio sugestas, ke la plantomanĝanto-induktita diverseco en JA-indukto detektita je la populacia nivelo povus esti pro ŝlosilaj metabolaj polimorfismoj kaŭzitaj de selektado el insektaj plantomanĝantoj.
Antaŭaj studoj montris, ke tabakspecoj multe malsamas laŭ tipo kaj relativa dependeco de induktitaj kaj konstituaj metabolaj defendoj. Oni kredas, ke ĉi tiuj ŝanĝoj en kontraŭplantovoraj signaltransduktoj kaj defendaj kapabloj estas reguligitaj de insekta populacia premo, plantvivciklo kaj defendaj produktokostoj en la niĉo, kie difinita specio kreskas. Ni studis la konsistencon de folimetaboloma remodelado induktita de plantovoruloj de ses Nicotiana specioj indiĝenaj al Nordameriko kaj Sudameriko. Ĉi tiuj specioj estas proksime parencaj al Nepenthes Nordameriko, nome Nicolas Bociflo. La, N. nicotinis, Nicotiana n. attenuated grass, Nicotiana tabacum, linia tabako, tabako (Nicotiana spegazzinii) kaj tabakfolia tabako (Nicotiana obtusifolia) (Figuro 5A) (37). Ses el ĉi tiuj specioj, inkluzive de la bone karakterizita specio N. please, estas unujaraj plantoj de la petunia klado, kaj N. obtusifolia estas plurjaruloj de la fratina klado Trigonophyllae (38). Poste, indukto de W + W, W + OSM kaj W + OSS1 estis farita sur ĉi tiuj sep specioj por studi la specio-nivelan metabolan rearanĝon de insekta manĝado.
(A) Filogenetika arbo per metodo "bootstrap" bazita sur maksimuma verŝajneco [por nuklea glutamina sintezo (38)] kaj la geografia distribuo de sep proksime rilataj Nicotiana specioj (malsamaj koloroj) (37). (B) Disĵeta diagramo de specialigita diverseco por la metabolaj profiloj de sep Nicotiana specioj (939 MS/MS; datumdosiero S1). Je la specionivelo, la metaboloma diverseco estas negative korelaciita kun la grado de specialiĝo. La analizo de la specionivela korelacio inter metabola diverseco kaj specialiĝo kaj JA-amasiĝo estas montrita en Figuro 2. S9. Koloro, malsamaj tipoj; triangulo, W + OSS1; rektangulo, W + OSM; (C) La dinamiko de Nicotiana JA kaj JA-Ile estas rangigitaj laŭ OS-ekscitiga amplitudo (dudirekta ANOVA kaj Tukey HSD post-multobla komparo, * P <0,05, ** P <0,01 kaj * ** Por komparo de W + OS kaj W + W, P <0,001). Skatola diagramo de (D) diverseco kaj (E) specialiĝo de ĉiu specio post simulado de herbovora kaj metil-JA (MeJA). La asterisko indikas la signifan diferencon inter W + OS kaj W + W aŭ lanolino plus W (Lan + W) aŭ Lan plus MeJA (Lan + MeJa) kaj Lan-kontrolo (dudirekta variancoanalizo, sekvata de Tukey's HSD post-hoc multobla komparo, *P<0.05, **P<0.01 kaj ***P<0.001).
Uzante la metodon de duobla areto, ni identigis 9 modulojn de 939 MS/MS (datumbazo S1). La konsisto de MS/MS rekonfigurita per malsamaj traktadoj varias multe inter malsamaj moduloj inter specioj (Figuro S8). Bildigo de Hj (nomata ĉi tie specionivela γ-diverseco) kaj δj rivelas, ke malsamaj specioj agregas en tre malsamajn grupojn en la metabola spaco, kie specionivela divido kutime estas pli elstara ol ekscito. Kun la escepto de N. linear kaj N. obliquus, ili montras larĝan dinamikan gamon de induktaj efikoj (Figuro 5B). Kontraste, specioj kiel N. purpurea kaj N. obtusifolia havas malpli evidentan metabolan respondon al traktado, sed la metabolomo estas pli diversa. La speciospecifa distribuo de la induktita metabola respondo rezultigis signifan negativan korelacion inter specialiĝo kaj gama-diverseco (PCC = -0.46, P = 4.9×10-8). OS-induktitaj ŝanĝoj en JA-niveloj estas pozitive korelaciitaj kun metaboloma specialiĝo, kaj negative korelaciitaj kun la metabola gama-diverseco montrita de ĉiu specio (Figuro 5B kaj Figuro S9). Indas rimarki, ke la specioj familiare nomataj "signalrespondaj" specioj en Figuro 5C, kiel ekzemple Nepenthes nematodes, Nepenthes nepenthes, Nepenthes akuta, kaj Nepenthes attenuata, kaŭzis signifajn signojn post 30 minutoj. La lastatempaj OS-specifaj JA kaj JA-Ile-ekaperoj, dum aliaj bakterioj nomataj "signalnerespondaj", kiel ekzemple Nepenthes mills, Nepenthes pulvora kaj N. obtusifolia, montras nur JA-Ile-randindukton sen ia OS-specifeco (Figuro 5C). Je la metabola nivelo, kiel menciite supre, por attenuita Nepenthes, la signalrespondaj substancoj montris OS-specifecon kaj signife pliigis δj, dum reduktante Hj. Ĉi tiu OS-specifa praviga efiko ne estis detektita en specioj klasifikitaj kiel signalnereaktivaj specioj (Figuro 5, D kaj E). OS-specifaj metabolitoj estas kundividataj pli ofte inter signal-respondemaj specioj, kaj ĉi tiuj signalaretoj grupiĝas kun specioj kun pli malfortaj signalrespondoj, dum specioj kun pli malfortaj signalrespondoj montras malpli da interdependo (Figuro S8). Ĉi tiu rezulto indikas, ke la OS-specifa indukto de JA-oj kaj la OS-specifa rekonfigurado de la laŭflua metabolomo estas kunligitaj je la specionivelo.
Poste, ni uzis lanolinan paston enhavantan metil-JA (MeJA) por trakti plantojn por esplori ĉu ĉi tiuj kunigaj modoj estas limigitaj per la havebleco de JA aplikita per eksogena JA, kiu estos en la citoplasmo de plantoj. Rapida deesterigo estas JA. Ni trovis la saman tendencon de la laŭgrada ŝanĝo de signal-respondemaj specioj al signal-nerespondemaj specioj kaŭzita de la kontinua provizo de JA (Figuro 5, D kaj E). Mallonge, MeJA-traktado forte reprogramis la metabolomojn de liniaj nematodoj, N. obliquus, N. aquaticus, N. pallens, kaj N. mikimotoi, rezultante en signifa pliiĝo en δj kaj malpliiĝo en Hj. N. purpurea nur montris pliiĝon en δj, sed ne Hj. N. obtusifolia, kiu antaŭe montriĝis akumuli ekstreme malaltajn nivelojn de JA-oj, ankaŭ respondas malbone al MeJA-traktado rilate al metaboloma rekonfigurado. Ĉi tiuj rezultoj indikas, ke JA-produktado aŭ signal-transdukto estas fiziologie limigita en signal-nerespondemaj specioj. Por testi ĉi tiun hipotezon, ni studis la kvar speciojn (N. pallens, N. mills, N. pink kaj N. microphylla) induktitajn de W + W, W + OSM-oj kaj W + OSS1-Transkriptomo (39). Konforme al la ŝablono de metaboloma remodelado, la specioj estas bone apartigitaj en la transkriptoma spaco, inter kiuj N. attenuated montris la plej altan OS-induktitan RDPI, dum N. gracilis havis la plej malaltan (Figuro 6A). Tamen, oni trovis, ke la transkriptoma diverseco induktita de N. oblonga estis la plej malalta inter la kvar specioj, kontraŭe al la plej alta metaboloma diverseco de N. oblonga antaŭe montrita en sep specioj. Antaŭaj studoj montris, ke aro da genoj rilataj al fruaj defendsignaloj, inkluzive de JA-signaloj, klarigas la specifecon de fruaj defendrespondoj induktitaj de plantomanĝ-rilataj elicitoroj en Nicotiana specioj (39). Komparo de la JA-signalaj vojoj inter ĉi tiuj kvar specioj rivelis interesan ŝablonon (Figuro 6B). Plej multaj genoj en ĉi tiu vojo, kiel ekzemple AOC, OPR3, ACX kaj COI1, montris relative altajn nivelojn de indukto en ĉi tiuj kvar specioj. Tamen, ŝlosila geno, JAR4, konvertas JA en ĝian biologie aktivan formon de JA-Ile akumulitaj transskribaĵoj, kaj ĝia transskriba nivelo estas tre malalta, precipe en N. mills, Nepenthes pieris kaj N. microphylla. Krome, nur la transskribaĵo de alia geno AOS ne estis detektita en N. bifidum. Ĉi tiuj ŝanĝoj en genekspresio povas esti respondecaj pri la ekstremaj fenotipoj induktitaj de la malalta JA-produktado en signal-anergiaj specioj kaj la indukto de N. gracilis.
(A) Analizo per informa teorio pri la reprogramado de fruaj transskribaj respondoj de kvar proksime rilataj tabakspecioj, specimenigitaj 30 minutojn post plantomanĝada indukto. RDPI estas kalkulita komparante la foliojn induktitajn de la plantomanĝanta OS kun la vundita kontrolo. La koloroj indikas malsamajn speciojn, kaj la simboloj indikas malsamajn traktadmetodojn. (B) Analizo de genekspresio en JA-signalaj vojoj inter kvar specioj. La simpligita JA-vojo estas montrita apud la kesta diagramo. Malsamaj koloroj indikas malsamajn traktadmetodojn. La asterisko indikas, ke ekzistas signifa diferenco inter la W + OS-traktado kaj la W + W-kontrolo (por la t-testo de Student por paraj diferencoj, *P<0,05, **P<0,01 kaj ***P<0,001). OPDA, 12-oksofitodienoata acido; OPC-8: 0,3-okso-2(2′(Z)-pentenil)-ciklopentan-1-oktanoata acido.
En la lasta parto, ni studis kiel insektspecifa remodelado de la metabolomo de malsamaj plantspecioj povas esti rezistema al plantomanĝantoj. Antaŭaj esploroj emfazis la genron Nicotiana. Ilia rezisto al Ms kaj larvoj multe diferencas (40). Ĉi tie, ni studis la ligon inter ĉi tiu modelo kaj ilia metabola plastikeco. Uzante la supre menciitajn kvar tabakspeciojn, kaj testante la korelacion inter la diverseco kaj specialiĝo de la metabolomo kaŭzita de plantomanĝantoj kaj la rezisto de plantoj al Ms kaj Sl, ni trovis, ke la rezisto, diverseco kaj specialiĝo al la ĝeneralisto Sl estas pozitive korelaciitaj, dum la korelacio inter rezisto al spertaj sinjorinoj kaj specialiĝo estas malforta, kaj la korelacio kun diverseco ne estas signifa (Figuro S10). Rilate al S1-rezisto, kaj la malfortigita N. chinensis kaj N. gracilis, kiuj antaŭe montris kaj JA-signaltransduktajn nivelojn kaj metaboloman plastikecon, havis tre malsamajn respondojn al plantomanĝanta indukto, kaj ili ankaŭ montris similan altan reziston. Sekso.
En la pasintaj sesdek jaroj, la teorio pri planta defendo provizis teorian kadron, surbaze de kiu esploristoj antaŭdiris konsiderindan nombron da evoluo kaj funkcioj de plant-specialigitaj metabolitoj. La plej multaj el ĉi tiuj teorioj ne sekvas la normalan proceduron de fortaj inferencoj (41). Ili proponas ŝlosilajn antaŭdirojn (3) je la sama nivelo de analizo. Kiam la testado de ŝlosilaj antaŭdiroj permesas analizi specifajn teoriojn, tio faros, ke la kampo antaŭeniras. Estos subtenata, sed malakceptos aliajn (42). Anstataŭe, la nova teorio faras antaŭdirojn je malsamaj niveloj de analizo kaj aldonas novan tavolon de priskribaj konsideroj (42). Tamen, la du teorioj proponitaj je la funkcia nivelo, MT kaj OD, povas esti facile klarigitaj kiel gravaj antaŭdiroj de specialigitaj metabolaj ŝanĝoj kaŭzitaj de plantomanĝantoj: OD-teorio kredas, ke ŝanĝoj en specialigita metabola "spaco" estas tre direktaj. La MT-teorio kredas, ke ĉi tiuj ŝanĝoj estos nedirektaj kaj hazarde lokitaj en la metabola spaco, kaj emas havi alt-defendajn valorajn metabolitojn. Antaŭaj ekzamenoj de OD kaj MT antaŭdiroj estis testitaj uzante mallarĝan aron de aprioriaj "defendaj" kombinaĵoj. Ĉi tiuj metabolit-centraj testoj malhelpas la kapablon analizi la amplekson kaj trajektorion de metaboloma rekonfigurado dum plantomanĝado, kaj ne permesas, ke testado ene de kohera statistika kadro postulu ŝlosilajn prognozojn, kiuj povas esti konsiderataj kiel tuto. Kvantigi ŝanĝojn en planta metabolomo. Ĉi tie, ni uzis la novigan teknologion en metabolomiko bazitan sur komputila MS kaj plenumis malkonvolucian MS-analizon en la ĝenerala aktualeco de informaj teorio-priskribiloj por testi la distingon inter la du proponitaj je la tutmonda metabolomika nivelo. La ŝlosila prognozo de ĉi tiu teorio. Informa teorio estis aplikita en multaj kampoj, precipe en la kunteksto de biodiverseco kaj nutraĵa fluo-esplorado (43). Tamen, laŭ nia scio, ĉi tiu estas la unua apliko uzata por priskribi la metabolan informan spacon de plantoj kaj solvi ekologiajn problemojn rilatajn al provizoraj metabolaj ŝanĝoj en respondo al mediaj signaloj. Aparte, la kapablo de ĉi tiu metodo kuŝas en ĝia kapablo kompari ŝablonojn ene de kaj inter plantspecioj por ekzameni kiel plantomanĝantoj evoluis de malsamaj specioj al interspeciaj makroevoluciaj ŝablonoj je malsamaj evoluaj niveloj. Metabolo.
Analizo de ĉefaj komponantoj (AĈP) konvertas multvariablan datumaron en spacon por redukti dimensiecon, tiel ke la ĉefa tendenco de la datumoj povas esti klarigita. Ĝi kutime estas uzata kiel esplora tekniko por analizi la datumaron, ekzemple per malkonvolucia metabolomo. Tamen, redukto de dimensieco perdos parton de la informa enhavo en la datumaro, kaj AĈP ne povas provizi kvantajn informojn pri karakterizaĵoj aparte gravaj por ekologia teorio, kiel ekzemple: kiel plantomanĝantoj rekonfiguras diversecon en specialigitaj kampoj (ekzemple, riĉeco, distribuo kaj abundo) metabolitoj? Kiuj metabolitoj estas prognoziloj de la induktita stato de difinita plantomanĝanto? El la perspektivo de specifeco, diverseco kaj induktebleco, la informa enhavo de la foli-specifa metabolita profilo estas malkomponita, kaj oni trovas, ke la manĝado de plantomanĝantoj povas aktivigi specifan metabolon. Neatendite, ni observis, ke, kiel priskribite en la indikiloj efektivigitaj en la informa teorio, la rezultanta metabola situacio havas grandan interkovron post la atakoj de la du plantomanĝantoj (la nokte manĝita ĝeneralisto Sl) kaj la Solanacoj-spertulo Ms. Kvankam ilia manĝokonduto kaj koncentriĝo estas signife malsamaj. Grasacido-aminoacida konjugaĵo (FAC) iniciatinto en OS (31). Uzante herbivoran OS por trakti normigitajn pikvundojn, simulita herbivora traktado ankaŭ montris similan tendencon. Ĉi tiu normigita proceduro por simuli la respondon de plantoj al herbivoraj atakoj forigas la konfuzajn faktorojn kaŭzitajn de ŝanĝoj en la manĝkonduto de herbivoroj, kiuj kondukas al diversaj gradoj de damaĝo en malsamaj tempoj (34). FAC, kiu estas konata kiel la ĉefa kaŭzo de OSM, reduktas JAS kaj aliajn planthormonajn respondojn en OSS1, dum OSS1 reduktas centojn da fojoj (31). Tamen, OSS1 kaŭzis similajn nivelojn de JA-amasiĝo kompare kun OSM. Antaŭe estis pruvite, ke la JA-respondo en malfortigita Nepenthes estas tre sentema al OSM, kie FAC povas konservi sian aktivecon eĉ se diluita 1:1000 kun akvo (44). Tial, kompare kun OSM, kvankam la FAC en OSS1 estas tre malalta, ĝi sufiĉas por indukti sufiĉan JA-ekaperon. Antaŭaj studoj montris, ke porin-similaj proteinoj (45) kaj oligosakaridoj (46) povas esti uzataj kiel molekulaj indicoj por ekigi plantajn defendrespondojn en OSS1. Tamen, ankoraŭ ne estas klare, ĉu ĉi tiuj elicitoroj en OSS1 respondecas pri la amasiĝo de JA observita en la nuna studo.
Kvankam ekzistas malmultaj studoj priskribantaj la diferencajn metabolajn fingrospurojn kaŭzitajn de la apliko de malsamaj plantomanĝantoj aŭ eksogenaj JA aŭ SA (salicila acido) (47), neniu perturbis la herbovoran speciospecifan perturbon en la plantherba reto kaj ĝiajn efikojn sur la specifajn personajn informojn. La ĝenerala efiko de la metabolo estas sisteme studata. Ĉi tiu analizo plue konfirmis, ke la interna hormona retkonekto kun aliaj planthormonoj krom JA-oj formas la specifecon de la metabola reorganizado kaŭzita de plantomanĝantoj. Aparte, ni detektis, ke ET kaŭzita de OSM estis signife pli granda ol tiu kaŭzita de OSS1. Ĉi tiu reĝimo kongruas kun pli da FAC-enhavo en OSM, kio estas necesa kaj sufiĉa kondiĉo por ekigi ET-eksplodon (48). En la kunteksto de la interagado inter plantoj kaj plantomanĝantoj, la signala funkcio de ET sur plantspecifaj metabolitaj dinamikoj estas ankoraŭ sporada kaj celas nur unuopan komponaĵgrupon. Krome, plej multaj studoj uzis eksogenan aplikon de ET aŭ ĝiaj antaŭuloj aŭ diversaj inhibiciiloj por studi la reguligon de ET, inter kiuj ĉi tiuj eksogenaj kemiaj aplikoj produktos multajn nespecifajn kromefikojn. Laŭ nia scio, ĉi tiu studo reprezentas la unuan grandskalan sisteman ekzamenon de la rolo de ET en la uzo de ET por produkti kaj percepti difektitajn transgenajn plantojn por kunordigi la dinamikon de la planta metabolomo. Herbivor-specifa ET-indukto povas finfine moduli la metaboloman respondon. La plej signifa estas la transgena manipulado de ET-biosintezaj (ACO) kaj perceptaj (ETR1) genoj, kiu rivelis la herbivor-specifan de novo amasiĝon de fenolamidoj. Antaŭe estis montrite, ke ET povas fajne agordi JA-induktitan nikotinan amasiĝon per reguligo de putrescina N-metiltransferazo (49). Tamen, el mekanika vidpunkto, ne estas klare kiel ET fajne agordas la indukton de fenamido. Aldone al la signal-transdukta funkcio de ET, la metabola fluo ankaŭ povas esti ŝuntita al S-adenozil-1-metionino por reguligi la investon en poliaminofenolaj amidoj. S-adenozil-1-metionino estas ET kaj komuna intermediato de la poliamina biosinteza vojo. La mekanismo per kiu ET-signalo reguligas la nivelon de fenolamido bezonas plian studon.
Dum longa tempo, pro la granda nombro da specialaj metabolitoj de nekonata strukturo, la intensa atento al specifaj metabolaj kategorioj ne kapablis strikte taksi la tempajn ŝanĝojn de metabola diverseco post biologiaj interagoj. Nuntempe, surbaze de analizo de informa teorio, la ĉefa rezulto de MS/MS-spektra akiro bazita sur senantaŭjuĝaj metabolitoj estas, ke plantomanĝantoj manĝantaj aŭ simulantaj plantomanĝantojn daŭre reduktas la ĝeneralan metabolan diversecon de la folimetabolo, samtempe pliigante ĝian gradon de specialiĝo. Ĉi tiu provizora pliiĝo de metaboloma specifeco kaŭzita de plantomanĝantoj estas asociita kun sinergia pliiĝo de transskribaĵa specifeco. La trajto, kiu plej kontribuas al ĉi tiu pli granda metaboloma specialiĝo (havanta pli altan Si-valoron), estas la speciala metabolito kun la antaŭe karakterizita herbovora funkcio. Ĉi tiu modelo kongruas kun la antaŭdiro de OD-teorio, sed la antaŭdiro de MT rilata al la hazardo de metaboloma reprogramado ne estas kongrua. Tamen, ĉi tiuj datumoj ankaŭ kongruas kun la antaŭdiro de la miksita modelo (plej bona MT; Figuro 1B), ĉar aliaj nekarakterizitaj metabolitoj kun nekonataj defendfunkcioj povas ankoraŭ sekvi hazardan Si-distribuon.
Rimarkinda ŝablono plue kaptita de ĉi tiu esplorado estas, ke de la mikro-evolua nivelo (unuopa planto kaj tabaka populacio) ĝis pli granda evolua skalo (proksime rilataj tabakaj specioj), malsamaj niveloj de evolua organizado estas en la "plej bona defendo". Ekzistas signifaj diferencoj en la kapabloj de plantomanĝantoj. Moore et al. (20) kaj Kessler kaj Kalske (1) sendepende proponis konverti la tri funkciajn nivelojn de biodiverseco origine distingitajn de Whittaker (50) en la konstituajn kaj induktitajn tempajn ŝanĝojn de kemia diverseco; ĉi tiuj aŭtoroj nek resumis. La proceduroj por grandskala metaboloma datenkolektado ankaŭ ne skizas kiel kalkuli metabolan diversecon el ĉi tiuj datumoj. En ĉi tiu studo, malgrandaj alĝustigoj al la funkcia klasifiko de Whittaker konsideros α-metabolan diversecon kiel la diversecon de MS/MS-spektroj en difinita planto, kaj β-metabolan diversecon kiel la bazan intraspecifan metabolon de grupo de populacioj, kaj γ-metabola diverseco estos etendaĵo de la analizo de similaj specioj.
La JA-signalo estas esenca por vasta gamo de metabolaj respondoj de plantomanĝantoj. Tamen, mankas rigora kvanta testado pri la kontribuo de intraspecifa reguligo de JA-biosintezo al metaboloma diverseco, kaj ĉu la JA-signalo estas ĝenerala loko por stres-induktita metabola diversigo je pli alta makroevolucia skalo ankoraŭ estas malfacile komprenebla. Ni observis, ke la herbovora naturo de *Nepenthes herbivorous* induktas metaboloman specialiĝon, kaj la vario de metaboloman specialiĝo ene de la populacio de Nicotiana specioj kaj inter proksime rilataj Nicotiana specioj estas sisteme pozitive korelaciita kun JA-signalado. Krome, kiam la JA-signalo estas difektita, la metabola specifeco induktita de ununura genotipo de plantomanĝanto estos nuligita (Figuro 3, C kaj E). Ĉar la ŝanĝoj en la metabolaj spektroj de la nature malfortigitaj Nepenthes-populacioj estas plejparte kvantaj, la ŝanĝoj en la metabola β-diverseco kaj specifeco en ĉi tiu analizo povas esti plejparte kaŭzitaj de la forta ekscito de metabolito-riĉaj komponaĵkategorioj. Ĉi tiuj komponaĵklasoj dominas parton de la metaboloma profilo kaj kondukas al pozitiva korelacio kun JA-signaloj.
Ĉar la biokemiaj mekanismoj de la tabakspecioj proksime rilataj al ĝi estas tre malsamaj, la metabolitoj estas specife identigitaj en la kvalita aspekto, do ĝi estas pli analiza. La prilaborado de la kaptita metabola profilo fare de informa teorio rivelas, ke herbovora indukto pliseverigas la kompromison inter metabola gama-diverseco kaj specialiĝo. La JA-signalo ludas centran rolon en ĉi tiu kompromiso. La pliiĝo de metaboloma specialiĝo kongruas kun la ĉefa OD-prognozo kaj estas pozitive korelaciita kun JA-signalo, dum JA-signalo estas negative korelaciita kun metabola gama-diverseco. Ĉi tiuj modeloj indikas, ke la OD-kapacito de plantoj estas ĉefe determinita de la plastikeco de JA, ĉu je mikroevolucia skalo aŭ je pli granda evolucia skalo. Eksperimentoj pri ekzogenaj JA-aplikado, kiuj evitas JA-biosintezajn difektojn, plue rivelas, ke proksime rilataj tabakspecioj povas esti distingitaj en signal-respondemajn kaj signal-ne-respondemajn speciojn, same kiel ilia reĝimo de JA kaj metaboloma plastikeco induktita de herbovoruloj. Signalo-ne-respondemaj specioj ne povas respondi pro sia nekapablo produkti endogenan JA kaj tial estas submetitaj al fiziologiaj limigoj. Ĉi tion povas kaŭzi mutacioj en kelkaj ŝlosilaj genoj en la JA-signalvojo (AOS kaj JAR4 en N. crescens). Ĉi tiu rezulto emfazas, ke ĉi tiuj interspeciaj makroevoluciaj ŝablonoj povas esti ĉefe pelataj de ŝanĝoj en interna hormona percepto kaj respondemo.
Aldone al la interagado inter plantoj kaj plantomanĝantoj, la esplorado de metabola diverseco rilatas al ĉiuj gravaj teoriaj progresoj en la esplorado de biologia adaptiĝo al la medio kaj la evoluo de kompleksaj fenotipaj trajtoj. Kun la kresko de la kvanto de datumoj akiritaj per modernaj MS-instrumentoj, hipoteztestado pri metabola diverseco nun povas transcendi individuajn/kategoriajn metabolitajn diferencojn kaj fari tutmondan analizon por riveli neatenditajn ŝablonojn. En la procezo de grandskala analizo, grava metaforo estas la ideo elpensi signifoplenajn mapojn, kiuj povas esti uzataj por esplori datumojn. Tial, grava rezulto de la nuna kombinaĵo de senantaŭjuĝa MS/MS-metabolomiko kaj informa teorio estas, ke ĝi provizas simplan metrikon, kiu povas esti uzata por konstrui mapojn por foliumi la metabolan diversecon sur malsamaj taksonomiaj skaloj. Ĝi estas la baza postulo de ĉi tiu metodo. La studo de mikro/makroevoluo kaj komunuma ekologio.
Je la makro-evolucia nivelo, la kerno de la planto-insekta kun-evolucia teorio de Ehrlich kaj Raven (51) estas antaŭdiri, ke la vario de interspecia metabola diverseco estas la kaŭzo de la diversiĝo de plantgenlinioj. Tamen, en la kvindek jaroj ekde la publikigo de ĉi tiu pionira verko, ĉi tiu hipotezo malofte estis testita (52). Ĉi tio estas plejparte pro la filogenetikaj karakterizaĵoj de kompareblaj metabolaj karakterizaĵoj trans longdistancaj plantgenlinioj. La maloftaĵo povas esti uzata por ankri celajn analizajn metodojn. La nuna MS/MS-laborfluo prilaborita per informa teorio kvantigas la MS/MS-strukturan similecon de nekonataj metabolitoj (sen antaŭa metabolita selektado) kaj konvertas ĉi tiujn MS/MS-ojn en aron de MS/MS, tiel en profesia metabolo ĉi tiuj makro-evoluciaj modeloj estas komparitaj laŭ klasifika skalo. Simplaj statistikaj indikiloj. La procezo similas al filogenetika analizo, kiu povas uzi sekvencan vicigon por kvantigi la indicon de diversiĝo aŭ karakterizan evoluon sen antaŭa antaŭdiro.
Je la biokemia nivelo, la kribra hipotezo de Firn kaj Jones (53) montras, ke la metabola diverseco estas konservata je malsamaj niveloj por provizi krudmaterialojn por plenumi la biologiajn aktivecojn de antaŭe senrilataj aŭ anstataŭigitaj metabolitoj. Metodoj de informa teorio provizas kadron, en kiu ĉi tiuj metabolit-specifaj evoluaj transiroj, kiuj okazas dum metabolita specialiĝo, povas esti kvantigitaj kiel parto de la proponita evolua kribra procezo: biologie aktiva adaptiĝo de malalta specifeco al alta specifeco. Inhibitaj metabolitoj de difinita medio.
Entute, en la fruaj tagoj de molekula biologio, gravaj teorioj pri planta defendo estis evoluigitaj, kaj deduktaj hipotez-movitaj metodoj estas vaste konsiderataj kiel la solaj rimedoj por scienca progreso. Ĉi tio estas plejparte pro la teknikaj limigoj de mezurado de la tuta metabolomo. Kvankam hipotez-movitaj metodoj estas precipe utilaj por elekti aliajn kaŭzajn mekanismojn, ilia kapablo antaŭenigi nian komprenon pri biokemiaj retoj estas pli limigita ol la komputilaj metodoj nuntempe haveblaj en nuntempa daten-intensa scienco. Tial, teorioj, kiujn oni ne povas antaŭdiri, estas multe preter la amplekso de haveblaj datumoj, do la hipoteza formulo/testciklo de progreso en la esplora kampo ne povas esti forigita (4). Ni antaŭvidas, ke la komputila laborfluo de metabolomiko prezentita ĉi tie povas revivigi intereson pri la lastatempaj (kiel) kaj finaj (kial) problemoj de metabola diverseco, kaj kontribui al nova epoko de teorie gvidita datenscienco. La epoko reekzamenis la gravajn teoriojn, kiuj inspiris antaŭajn generaciojn.
Rekta herbovora manĝigo estas farata per bredado de dua-instata larvo aŭ Sl-larvo sur unuopa palkolora kruĉplanta folio de unuopa rozfloranta planto, kun 10 plantoreplikoj por planto. La insektaj larvoj estis fiksitaj per krampoj, kaj la restanta folia histo estis kolektita 24 kaj 72 horojn post infekto kaj rapide frostigita, kaj la metabolitoj estis ekstraktitaj.
Simulu herbovoran traktadon laŭ tre sinkronigita maniero. La metodo estas uzi ŝtofajn ŝablonradojn por trapiki tri vicojn da dornoj ĉe ĉiu flanko de la meza ripo de la tri plene vastigitaj folioj de la planto dum la kreskofazo de la ŝtofa girlando, kaj tuj apliki 1:5 Diluitan Ms. Aŭ uzu gantitajn fingrojn por enmeti S1 OS en la trapikvundon. Rikoltu kaj prilaboru folion kiel priskribite supre. Uzu la antaŭe priskribitan metodon por ekstrakti primarajn metabolitojn kaj planthormonojn (54).
Por aplikoj de eksogenaj JA, la tri petiolaj folioj de ĉiu el la ses rozflorantaj plantoj de ĉiu specio estas traktataj per 20 μl da lanolina pasto enhavanta 150 μg da MeJA (Lan + MeJA), kaj 20 μl da lanolino plus vundtraktado (Lan + W), aŭ uzas 20 μl da pura lanolino kiel kontrolon. La folioj estis rikoltitaj 72 horojn post la traktado, rapide frostigitaj en likva nitrogeno, kaj konservitaj je -80 °C ĝis uzo.
Kvar transgenaj linioj de JA kaj ET, nome irAOC (36), irCOI1 (55), irACO kaj sETR1 (48), estis identigitaj en nia esplorgrupo. irAOC forte montris malpliiĝon de JA kaj JA-Ile-niveloj, dum irCOI1 ne estis sentema al JA-oj. Kompare kun EV, la amasiĝo de JA-Ile pliiĝis. Simile, irACO reduktos la produktadon de ET, kaj kompare kun EV, sETR1, kiu estas imuna al ET, pliigos la produktadon de ET.
Fotoakustika lasera spektrometro (Sensor Sense ETD-300 realtempa ET-sensilo) estas uzata por plenumi ET-mezuradon neinvazie. Tuj post la traktado, duono de la folioj estis tranĉitaj kaj translokigitaj al 4-ml sigelita vitra fiolo, kaj la kapspaco estis permesita akumuliĝi ene de 5 horoj. Dum la mezurado, ĉiu fiolo estis lavita per fluo de 2 litroj/horo da pura aero dum 8 minutoj, kiu antaŭe trapasis katalizilon provizitan de Sensor Sense por forigi CO2 kaj akvon.
La mikroara datumo estis origine publikigita en (35) kaj konservita en la Nacia Centro por Bioteknologia Informo (NCBI) Gene Expression Ampleksa Datumbazo (surskriba numero GSE30287). La datumoj respondantaj al la folioj kaŭzitaj de la traktado per W + OSM-oj kaj la nedifektita kontrolo estis eltiritaj por ĉi tiu studo. La kruda intenseco estas log2. Antaŭ statistika analizo, la bazlinio estis konvertita kaj normigita al sia 75-a percentilo uzante la programaron R.
La originalaj datumoj pri RNA-sekvencado (RNA-sekvencado) de la specioj de Nicotiana estis prenitaj el la NCBI Short Reading Archives (SRA), projekta numero estas PRJNA301787, kiu estis raportita de Zhou et al. (39) kaj procedis kiel priskribite en (56). La krudaj datumoj prilaboritaj de W + W, W + OSM kaj W + OSS1 respondantaj al la specioj de Nicotiana estis elektitaj por analizo en ĉi tiu studo, kaj prilaboritaj jene: Unue, la krudaj RNA-sekvencaj legaĵoj estis konvertitaj en la formaton FASTQ. HISAT2 konvertas FASTQ al SAM, kaj SAMtools konvertas SAM-dosierojn en ordigitajn BAM-dosierojn. StringTie estas uzata por kalkuli genan esprimon, kaj ĝia esprimmetodo estas, ke ekzistas fragmentoj po mil bazaj fragmentoj po miliono da sekvencitaj transskribaj fragmentoj.
La Acclaim-kromatografia kolono (150 mm x 2,1 mm; partikla grandeco 2,2 μm) uzita en la analizo kaj la 4 mm x 4 mm gardkolono konsistas el la sama materialo. La jena duuma gradiento estas uzata en la Dionex UltiMate 3000 Ultra High Performance Liquid Chromatography (UHPLC) sistemo: 0 ĝis 0,5 minutoj, izokrata 90% A [dejonigita akvo, 0,1% (v/v) acetonitrilo kaj 0,05% formika acido], 10% B (Acetonitrilo kaj 0,05% formika acido); 0,5 ĝis 23,5 minutoj, la gradienta fazo estas 10% A kaj 90% B, respektive; 23,5 ĝis 25 minutoj, izokrata 10% A kaj 90% B. La flukvanto estas 400 μl/min. Por ĉiuj MS-analizoj, injektu la kolonan eluanton en kvadrupolan kaj tempo-de-flugo (qTOF) analizilon ekipitan per elektroŝpruca fonto funkcianta en pozitiva joniga reĝimo (kapilara tensio, 4500 V; kapilara elirejo 130 V; Sekigtemperaturo 200 °C; sekiga aerfluo 10 litroj/min).
Faru MS/MS-fragmentanalizon (ĉi-poste nomata MS/MS) kiu estas senrilata aŭ nedistingebla de la datumoj por akiri strukturajn informojn pri la ĝenerala detektebla metabola profilo. La koncepto de la arbitra MS/MS-metodo dependas de la fakto, ke la kvadrupolo havas tre grandan fenestron de masa izolado [tial, konsideru ĉiujn signalojn de maso-ŝarga proporcio (m/z) kiel fragmentojn]. Pro ĉi tiu kialo, ĉar la instrumento Impact II ne povis krei CE-kliniĝon, pluraj sendependaj analizoj estis faritaj uzante pliigitajn kolizi-induktitajn disociiĝajn kolizienergiajn (CE) valorojn. Mallonge, unue analizu la specimenon per UHPLC-elektroŝpruca jonigo/qTOF-MS uzante ununuran masspektrometrian reĝimon (malaltaj fragmentiĝaj kondiĉoj generitaj per en-fonta fragmentiĝo), skanante de m/z 50 ĝis 1500 je ripetfrekvenco de 5 Hz. Uzu nitrogenon kiel la kolizian gason por MS/MS-analizo, kaj faru sendependajn mezuradojn ĉe la jenaj kvar malsamaj kolizi-induktitaj disociiĝaj tensioj: 20, 30, 40 kaj 50 eV. Dum la tuta mezurprocezo, la kvadrupolo havas la plej grandan fenestron por mas-izolado, de m/z 50 ĝis 1500. Kiam la eksperimento pri m/z kaj izoliga larĝo de la antaŭa korpo estas agorditaj al 200, la mas-intervalo estas aŭtomate aktivigita per la funkciiga programaro de la instrumento kaj 0 Da. Skanu por mas-fragmentoj kiel en unuopa mas-reĝimo. Uzu natrian formiaton (50 ml da izopropanolo, 200 μl da formika acido kaj 1 ml da 1M NaOH akva solvaĵo) por mas-alĝustigo. Uzante la alt-precizan alĝustigan algoritmon de Bruker, la datumdosiero estas alĝustigita post kuri la averaĝan spektron en difinita tempoperiodo. Uzu la eksportan funkcion de la programaro Data Analysis v4.0 (Brook Dalton, Bremeno, Germanio) por konverti la krudajn datumdosierojn en NetCDF-formaton. La MS/MS-datumbazo estis konservita en la malferma metabolomika datumbazo MetaboLights (www.ebi.ac.uk) kun la alirnumero MTBLS1471.
MS/MS-asembleo povas esti realigita per korelacia analizo inter MS1 kaj MS/MS-kvalitaj signaloj por malalta kaj alta kolizia energio kaj nove efektivigitaj reguloj. La R-skripto estas uzata por realigi la korelacian analizon de la distribuo de la antaŭulo al la produkto, kaj la C#-skripto (https://github.com/MPI-DL/indiscriminant-MS-MS-assembly-pipeline) estas uzata por efektivigi la regulojn.
Por redukti falspozitivajn erarojn kaŭzitajn de fona bruo kaj falsan korelacion kaŭzitan de detektado de certaj m/z trajtoj en nur kelkaj specimenoj, ni uzas la funkcion "plenigita pinto" de la R-pakaĵo XCMS (por korektado de fona bruo). Ĝi devus esti uzata por anstataŭigi la intensecon "NA" (nerekognita pinto). Kiam la funkcio "plenigita pinto" estas uzata, ankoraŭ estas multaj intensecaj valoroj "0" en la datumbazo, kiuj influos la korelacian kalkulon. Poste, ni komparas la datumprilaborajn rezultojn akiritajn kiam la funkcio "plenigita pinto" estas uzata kaj kiam la funkcio "plenigita pinto" ne estas uzata, kaj kalkulas la fonan bruon surbaze de la meza korektita taksita valoro, kaj poste anstataŭigas ĉi tiujn intensecajn valorojn 0 per la kalkulita fona valoro. Ni ankaŭ konsideris nur trajtojn, kies intenseco superis trioblan fonan valoron, kaj rigardis ilin kiel "verajn pintojn". Por PCC-kalkuloj, nur la m/z signaloj de la specimenaj antaŭuloj (MS1) kaj fragmentaj datumbazoj kun almenaŭ ok veraj pintoj estas konsiderataj.
Se la intenseco de la antaŭula kvalita trajto en la tuta specimeno estas signife korelaciita kun la reduktita intenseco de la sama kvalita trajto, kiu estas submetita al malalta aŭ alta kolizia energio, kaj la trajto ne estas etikedita kiel izotopa pinto fare de CAMERA, ĝi povas esti plue difinita. Poste, kalkulante ĉiujn eblajn antaŭul-produktajn parojn ene de 3 sekundoj (la taksita retentempo por pinta reteno), la korelacia analizo estas farita. Nur kiam la m/z-valoro estas pli malalta ol la antaŭula valoro kaj MS/MS-fragmentiĝo okazas en la sama specimena loko en la datumbazo kiel la antaŭulo, de kiu ĝi estas derivita, ĝi estas konsiderata fragmento.
Surbaze de ĉi tiuj du simplaj reguloj, ni ekskludas la specifitajn fragmentojn kun m/z-valoroj pli grandaj ol la m/z de la identigita antaŭulo, kaj surbaze de la specimena pozicio kie la antaŭulo aperas kaj la specifita fragmento. Eblas ankaŭ elekti la kvalitajn trajtojn generitajn de multaj en-fontaj fragmentoj generitaj en MS1-reĝimo kiel kandidatajn antaŭulojn, tiel generante redundajn MS/MS-komponaĵojn. Por redukti ĉi tiun datumredundon, se la NDP-simileco de la spektroj superas 0.6, kaj ili apartenas al la kromatogramo "pcgroup" prinotita de CAMERA, ni kunigos ilin. Fine, ni kunigas ĉiujn kvar CE-rezultojn asociitajn kun la antaŭulo kaj fragmentoj en la finan malkonvolutan kompozitan spektron elektante la plej altan intensecan pinton inter ĉiuj kandidataj pintoj kun la sama m/z-valoro ĉe malsamaj koliziaj energioj. La postaj prilaboraj paŝoj baziĝas sur la koncepto de kompozita spektro kaj konsideras la malsamajn CE-kondiĉojn necesajn por maksimumigi la probablecon de fragmentiĝo, ĉar iuj fragmentoj povas esti detektitaj nur sub specifa kolizia energio.
RDPI (30) estis uzata por kalkuli la indukteblecon de la metabola profilo. La metabola spektra diverseco (Hj-indekso) estas derivita de la abundeco de MS/MS-antaŭuloj uzante la Shannon-entropion de la MS/MS-frekvenca distribuo uzante la jenan ekvacion priskribitan de Martínez et al. (8). Hj = −∑i = 1mPijlog2(Pij) kie Pij respondas al la relativa frekvenco de la i-a MS/MS en la j-a specimeno (j = 1, 2,…, m) (i = 1, 2,…, m) t).
Metabola specifeco (Si-indekso) estas difinita kiel la esprima identeco de donita MS/MS rilate al la frekvenco inter la konsiderataj specimenoj. MS/MS-specifeco estas kalkulata kiel Si = 1t (∑j = 1tPijPilog2PijPi)
Uzu la jenan formulon por mezuri la metabolomo-specifan δj indekson de ĉiu j specimeno, kaj la averaĝon de MS/MS-specifeco δj = ∑i = 1mPijSi
MS/MS-spektroj estas vicigitaj en paroj, kaj la simileco estas kalkulata surbaze de la du poentaroj. Unue, uzante norman NDP (ankaŭ konatan kiel kosinusa korelacia metodo), uzu la jenan ekvacion por taksi la segmentan similecon inter la spektroj: NDP = (∑iS1 & S2, WS1, iWS2, i) 2∑iWS1, i2∑iWS2, i2 kie S1 kaj S2. Sekve, por spektro 1 kaj spektro 2, same kiel WS1, i kaj WS2, i reprezentas la pezon bazitan sur la pinta intenseco, tiel ke la diferenco de la i-a komuna pinto inter la du spektroj estas malpli ol 0.01 Da. La pezo estas kalkulata jene: W = [pinta intenseco] m [kvalito] n, m = 0.5, n = 2, kiel sugestite de MassBank.
Dua poentmetodo estis efektivigita, kiu implikis analizon de la komuna NL inter MS/MS. Por ĉi tiu celo, ni uzis la 52 NL-listojn ofte renkontitajn dum la MS-fragmentiĝa procezo kune, kaj la pli specifan NL (datumbazo S1), kiu estis antaŭe prinotita por la MS/MS-spektro de la sekundaraj metabolitoj de la malfortigitaj Nepenthes-specioj (9, 26). Kreu binaran vektoron de 1 kaj 0 por ĉiu MS/MS, korespondante al la nuna kaj neekzistanta de iu NL respektive. Surbaze de la eŭklida distanca simileco, la NL-simileca poentaro estas kalkulita por ĉiu paro de binaraj NL-vektoroj.
Por plenumi duoblan agregaciadon, ni uzis la R-pakaĵon DiffCoEx, kiu baziĝas sur etendaĵo de Weighted Gene Co-expression Analysis (WGCNA). Uzante la NDP kaj NL-poentadmatricojn de MS/MS-spektroj, ni uzis DiffCoEx por kalkuli la komparan korelacian matricon. Duuma agregaciado estas plenumata per agordo de la parametro "cutreeDynamic" al method = "hybrid", cutHeight = 0.9999, deepSplit = T, kaj minClusterSize = 10. La R-fontkodo de DiffCoEx estis elŝutita el aldona dosiero 1 fare de Tesson et al. (57); La bezonata R WGCNA-programarpakaĵo troveblas en https://horvath.genetics.ucla.edu/html/CoexpressionNetwork/Rpackages/WGCNA.
Por plenumi MS/MS-analizon de molekula reto, ni kalkulis parigitan spektran konekteblecon bazitan sur NDP kaj NL-similecaj tipoj, kaj uzis la programaron Cytoscape por bildigi retan topologion uzante organikan aranĝon en la etenda aplikaĵo CyFilescape yFiles-aranĝa algoritmo.
Uzu R-version 3.0.1 por fari statistikan analizon de la datumoj. Statistika signifeco estis taksita per dudirekta variancanalizo (ANOVA), sekvata de la post-hoc testo de Tukey pri honeste signifa diferenco (HSD). Por analizi la diferencon inter la herbovora traktado kaj la kontrolo, la duflanka distribuo de la du grupoj de specimenoj kun la sama varianceco estis analizita per la t-testo de Student.
Por suplementaj materialoj por ĉi tiu artikolo, bonvolu vidi http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/24/eaaz0381/DC1
Ĉi tiu estas artikolo kun libera aliro, distribuita laŭ la kondiĉoj de la permesilo Krea Komunaĵo Atribuite-Nekomerce, kiu permesas la uzon, distribuon kaj reproduktadon en iu ajn medio, kondiĉe ke la fina uzo ne estas por komerca profito kaj la premiso estas, ke la originala verko estas ĝusta. Referenco.
Noto: Ni nur petas vin provizi vian retpoŝtadreson por ke la persono, kiun vi rekomendas al la paĝo, sciu, ke vi volas, ke ili vidu la retpoŝton kaj ke ĝi ne estas spamo. Ni ne kaptos iujn ajn retpoŝtadresojn.
Ĉi tiu demando estas uzata por testi ĉu vi estas vizitanto kaj malhelpi aŭtomatan spam-sendon.
Informa teorio provizas universalan valuton por la komparo de specialaj metabolomoj kaj la antaŭdiro de testaj defendteorioj.
Informa teorio provizas universalan valuton por la komparo de specialaj metabolomoj kaj la antaŭdiro de testaj defendteorioj.
©2021 Amerika Asocio por la Akcelo de Scienco. ĉiuj rajtoj rezervitaj. AAAS estas partnero de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef kaj COUNTER. ScienceAdvances ISSN 2375-2548.