Ученые из Института химической экологии им. Макса Планка в Йене и Гейдельбергского университета в Германии выявили разнообразие и различное накопление химических веществ в тканях экологического модельного растения Nicotiana attenuat a. Для своих результатов они использовали вычислительную метаболомику и теорию информации. Этот подход был специально разработан для данного исследования и позволил исследователям изучить метаболизм растений на уровне отдельных органов. Этот новый метод обеспечивает более эффективный доступ к разнообразию метаболитов растений и более быструю идентификацию генов, регулирующих их биосинтез.
Растения - главные химики-органики. Они способны производить очень сложные смеси различных химических веществ. Биосинтез и накопление вторичных метаболитов растений физиологически адаптированы к индивидуальным потребностям в соответствующих тканях растений. Группа ученых во главе с Эммануэлем Гакерелем из Гейдельбергского университета и Яном Болдуином из Института химической экологии им. Макса Планка проанализировала метаболом, весь набор химических веществ в тканях экологического модельного растения Nicotiana attenuata.
Основной интерес представляли следующие вопросы: какие растительные ткани демонстрируют различные метаболические профили, какие растительные вторичные метаболиты в основном накапливаются локально в тканях определенных органов и, наконец, как эта информация может способствовать идентификации генов? которые регулируют выработку метаболитов?
Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи использовали развивающуюся область исследований метаболомики и разработали новые вычислительные методы для оценки аналитических данных, полученных в результате масс-спектрометрического анализа веществ. Целью исследования метаболома является идентификация и количественная оценка всех метаболитов организма и их взаимодействий. «Мы внедрили рабочий процесс, который позволяет быстро выравнивать спектры метаболитов, чтобы делать прогнозы относительно идентичности метаболитов», - объясняет Эммануэль Гакерель. «Вычислительная метаболомика охватывает все подходы к биоинформатике, которые облегчают компьютерные выводы об аннотации неизвестных метаболитов из крупномасштабных сложных данных метаболомики».
В ходе своего исследования ученые проанализировали метаболические профили 14 различных рассеченных тканей растений табака, таких как цветочные органы, стебель, листья, семена и корни. «Мы ожидали, что метаболические профили цветочных органов будут значительно отличаться от других частей растения. Однако между отдельными цветочными органами также были значительные различия. Очень высокая степень метаболической специализации, которую мы обнаружили в пыльниках цветков табака, как особый сюрприз», - сообщает Дапэн Ли, первый автор исследования и аспирант Института Макса Планка. Пыльники принадлежат тычинкам, которые считаются мужскими частями цветка. Они содержат пыльцевые мешочки, в которых образуется пыльца. Пыльники содержат специфические фенольные производные, которые также были обнаружены в пыльцевом слое в предыдущих исследованиях. Биосинтез этих фенольных производных и их накопление в пыльниках в значительной степени способствуют уникальному метаболическому профилю мужских репродуктивных органов.
Применение инструментов и концепций, основанных на подходах теории информации, для оценки метаболического разнообразия способствовало новому пониманию функции отдельных веществ в этом исследовании. Ключевая идея состоит в том, чтобы рассматривать метаболическое разнообразие тканей как вид информации, как и любую другую, поддающуюся статистическому анализу. Чтобы связать метаболическую функцию с отдельными генами, ученые разработали атлас генов и вторичных метаболитов, которые имеют сходные модели активации в различных тканях растений табака. Основываясь на этих паттернах, они смогли идентифицировать гены-кандидаты, которые могут отвечать за регуляцию биосинтеза экологически важного вторичного метаболита. В частности, в отношении метаболитов, биосинтез которых еще не выяснен, этот новый подход имеет перспективный потенциал и внесет значительный вклад в дальнейшие исследования метаболизма растений.
Иэн Болдуин, директор отдела молекулярной экологии Йенского института им. Макса Планка, внес огромный вклад в то, что Nicotiana attenuata стала важным модельным организмом для изучения взаимодействия между растениями и окружающей их средой. «Растения очень сложным образом модулируют свои накопления метаболитов на уровне тканей/органов. Выяснение того, как это достигается, имеет центральное значение, если мы хотим понять, как растения выживают в природе», - резюмирует Болдуин результаты нового исследования.