Versjèllende plantverdeidegingstheorieje geve belangrieke theoretische riechlijne veur ‘t verklaore vaan de patroene vaan plant-gespecialiseerde stofwisseling, mer de belangriekste veurspellinge motte nog weure getes. Hei gebruukde veer onbeveuroordeilde tandemmassaspectrometrie (MS/MS) analyse um ‘t metaboloom vaan tabaksverzwakde stamme vaan individuele plante tot populaties en nauw verwante soorte systematisch te oonderzeuke, en verwèrkde veer ‘n groet aontal massaspectrometrische kenmerketheorieje gebaseerd op gecombineerde spectra in de informatie. Raamwerk um de belangriekste veurspellinge vaan optimale verdeideging (OD) en bewegende doelwit (MT) theorieje te teste. ‘t Informatiecomponent vaan plantmetabolomiek is consistent mit de OD-theorie, mer is in taegesjtelling tot de belangriekste veurspelling vaan de MT-theorie euver de metabolomische dynamiek veroerzaak door herbivore. Vaan de micro tot de macro evolutionaire sjaol woort ‘t jasmonaatsignaal geïdentificeerd es de belangriekste bepaolende factor vaan OD, onderwieles dat ‘t ethyleensignaal ‘n fine-tuning vaan de herbivore-specifieke reactie verzörgde, geannoteerd door ‘t MS/MS moleculair netwerk.
Speciale metaboliete mit diverse structure zien de belangriekste deilnummers in de aanpassing vaan plante aon de umgeving, veural in de verdeidiging vaan vijande (1). De verbazingwekkende diversificatie vaan de speciaole metabolisme dee in plante weurt aongetroffe heet tientalle jaore vaan deepgaond oonderzeuk gestimuleerd nao de väöle aspecte vaan ecologische functies, en heet ‘n lang lies gevörmp vaan plantverdeidegingstheorieje, die de evolutionaire en ecologische ontwikkeling vaan plant-insecte interacties zien. Empirisch oonderzeuk gief belangrieke leiding (2). Dees plantverdeidigingstheorieje volgde echter neet ‘t normatieve paad vaan hypothetische deductieve redenering, boe-in sleutelveurspellinge op ‘tzelfde niveau vaan analyse waore (3) en experiminteel woorte getes um de volgende cyclus vaan theoretische ontwikkeling veuroet te bringe (4). Technische beperkinge beperke de verzameling vaan data tot specifieke metabolische categorieje en slete ‘n oetgebreide analyse vaan gespecialiseerde metaboliete oet, boedoor vergeliekinge tösse categorieje weure veurkomme die essentieel zien veur de theoretische oontwikkeling (5). ‘t Gebrek aon oetgebreide metabolomische data en ‘n gemeinsjappeleke valuta um de verwèrkingswerkstroum vaan de metabolische ruimte tusse versjillende plantgróppe te vergelieke, belemmert de wetensjappeleke volwassenheid vaan ‘t veld.
De mies recente ontwikkelinge in ‘t veld vaan tandem massa spectrometrie (MS/MS) metabolomics kinne de metabolische veranderinge binne en tusse soorte vaan ‘n bepaolde systeem clade oetgebreid karakterisere, en kinne weure gecombineerd mit computasjonele methodes um de structurele euvereinkoms tusse dees complexe mingsels te beraekene. Veurkennis vaan sjeikunde (5). De combinatie vaan geavanceerde technologieje in analyse en rekenkunde lievert ‘n noedzakelek raamwerk veur lange termijn teste vaan väöl veurspellinge gemaak door de ecologische en evolutionaire theorieje vaan metabolische diversiteit. Shannon (6) introduceerde de informasietheorie veur 't iers in zien baonbrekende artikel in 1948, boebij heer de basis lag veur de wiskundige analyse vaan informasie, die in väöl andere gebeje is gebruuk es de oorspronkeleke touwpassing. In de genomica is informatietheorie mit succes toegepas um sequentieconservatieve informatie te kwantificere (7). In transcriptomisch oonderzeuk analyseert informatietheorie de algehele veranderinge in ‘t transcriptoom (8). In eerder oonderzeuk höbbe veer ‘t statistische raamwerk vaan informatietheorie toegepas op metabolomie um de metabolische expertise vaan ‘t weefselniveau in plante te besjrieve (9). Hei combinere veer de op MS/MS gebaseerde werkstroum mit ‘t statistische raamwerk vaan de informatietheorie, gekinmerk door de metabolische diversiteit in de gemeinsjappeleke valuta, um de sleutelveurspellinge vaan de plantverdeidegingstheorie vaan ‘t metaboloom geïnduceerd door herbivore te vergelieke.
De theoretische kaders vaan plantverdeidiging zien meistal wederzijds inclusief en kinne in twie categorieje weure verdeild: die die de verdeiling vaan plantspecifieke metaboliete perbere te verklaore op basis vaan verdeidegingsfuncties, zoe es optimale verdeidiging (OD) (10), bewegende doelwit (MT) (11) ) en uterlek (12) theorie, terwijl andere zeuke nao mechanische verklaoring vaan wie de besjikbaarheid vaan middele beïnvlood plantgreuj en de accumulatie vaan gespecialiseerde metaboliete, wie koolstof: voedingsbalanshypothese (13), greujsnelheidshypothese (14 ), en de greuj- en differentiatie-evewiechshypothese (15). De twie sets theorieje zien op versjèllende niveaus vaan analyse (4). Twee theorieje die defensieve functies op functioneel niveau betreffe, dominere echter de gesprekke euver constitutieve en induceerbare verdeideginge vaan plante: de OD-theorie, dee aonnump dat plante allein investere in hun dure chemische verdeideginge es ze nuudig zien, beveurbeeld es ze weure ingenomme. de MT-hypothese stelt veur dat d’r gein as is vaan directionele metabolietverandering, mer dat de metaboliet willekeurig verandert, wat de meugelekheid creëert um ‘t metabolische “bewegingsdoelwit” te belemmere um herbivore aon te valle. Mit anger wäörd, dees twie theorieje make taegegesjtèlde veurspellinge euver de metabolische hermodelling die plaotsvindt nao de aanval vaan herbivore: de relatie tusse de unidirectionele accumulatie vaan metaboliete mit defensieve functie (OD) en neet-geriechte metabolische veranderinge (MT) (11 ).
De OD- en MT-hypotheses umvatte neet allein de geïnduceerde veranderinge in ‘t metaboloom, mer ouch de ecologische en evolutionaire gevolge vaan de accumulatie vaan dees metaboliete, wie de aonpassende koste en veurdeile vaan dees metabolische veranderinge in ‘n specifieke ecologische umgeving (16). Alhoewel beide hypotheses de defensieve functie vaan gespecialiseerde metaboliete erkinne, die al of neet duur kinne zien, ligk de belangriekste veurspelling dee de OD- en MT-hypotheses oondersjeidt in de richting vaan de geïnduceerde metabolische veranderinge. De veurspelling vaan de OD-theorie heet tot noe touw de meiste experimentele aondach gekrege. Dees tests umvatte de studie vaan de directe of indirecte verdeidigingsfuncties vaan versjèllende weefsels vaan specifieke verbindinge in broeikas en natuurlike umstandeghede, zoewie veranderinge in ‘t stadium vaan plantontwikkeling (17-19). Echter, tot noe toe, door ‘t gebrek aon ‘n werkstroum en ‘n statistisch raamwerk veur ‘n globale oetgebreide analyse vaan de metabolische diversiteit vaan eeder organisme, de belangriekste versjil veurspelling tusse de twie theorieje (dat is, de riechting vaan de metabolische veranderinge) moot weure getes. Hei geve veer zoe’n analyse.
Ein vaan de meis significante kenmerke vaan plantspecifieke metaboliete is hun extreme structurele diversiteit op alle niveaus, vaan inkele plante, populaties tot soortgelieke soorte (20). Väöl kwantitatieve veranderinge in gespecialiseerde metaboliete kinne weure woergenome op de populatiesjaol, terwijl sterke kwalitatieve versjille miestal weure gehandhaaf op ‘t soortniveau (20). Daorom is plantmetabolische diversiteit ‘t belangriekste aspèk vaan functionele diversiteit, wat de aonpasbaarheid aon versjillende nisse weerspiegelt, veural die nisse mit versjillende invasiemeugelikhede door speciale insekte en gewone herbivore (21). Sinds Fraenkel’s (22) revolutionaire artikel euver de reie veur ‘t bestoon vaan plantspecifieke metaboliete, zien interacties mit versjillende insekte besjouwd es belangrieke selèctie drök, en weurt gedach dat dees interacties plante höbbe gevörmp tijdens de evolutie. Metabolische weeg (23). Versjèlle tusse soorte in de diversiteit vaan gespecialiseerde metaboliete kinne ouch de fysiologische balans weerspiegele die geassocieerd weurt mèt constitutieve en induceerbare planteverdeidiging tege herbivore strategieje, aangezeen de twie soorte dèks negatief mèt mekaar gecorreleerd zien (24). Alhoewel ‘t gunstig kin zien um te alle tieden ‘n gooje verdeidiging te behawwe, tiedelijke metabolische veranderinge die geassocieerd zien mit defensie beeje duudelike veurdeile um plante in staot te stèlle um waardevolle middele touw te sjikke aon aander fysiologische investeringe (19, 24), en de behoefte aon symbiose te vermijde. Collaterale sjaoj (25). Daonaeve kinne dees reorganisaties vaan gespecialiseerde metaboliete veroorzaak door insekte herbivore leije tot destructieve verdeiling in de populatie (26), en kinne ze directe lezinge weerspiegele vaan substantiële natuurlike veranderinge in ‘t jasmonzuur (JA)-signaal, wat in de populatie kin weure gehandhaaf. Hoeg en lieg JA-signale zien kompromisse tusse verdeidiging tege herbivore en concurrentie mit specifieke soorte (27). Daoneve zalle gespecialiseerde biosynthetische paajer vaan metaboliet snel verlees en transformatie ondergoon tijdens de evolutie, wat resulteert in ‘n vlekkige metabolische verdeiling tusse nauw verwante soorte (28). Dees polymorfisme kinne snel weure vasgestèld es reactie op veranderende herbivore patroene (29), wat beteikent dat de schommelinge vaan herbivore gemeinsjappe ‘n sleutelfactor is die de metabolische heterogeiteit veroorzaak.
Hei höbbe veer specifiek de volgende probleme opgelos. (I) Wie herconfigureert ut herbivore insect ut metaboloom vaan de plant? (Ii) Wat zien de belangriekste informatiecomponente vaan metabolische plasticiteit die kinne weure gekwantificeerd um de veurspellinge vaan de langetermijnverdeidigingstheorie te teste? (Iii) Of ‘t plantmetaboloom op ‘n unieke meneer veur de aanvaller mot were geprogrammeerd, welke rol sjpeelt ‘t planthormoon in ‘t aonpasse vaan ‘n specifieke metabolische reactie, en welke metaboliete drage bij aon de soortspecificiteit vaan de verdeidiging? (Iv) Umtot de veurspellinge vaan väöl verdeidigingstheorieje kinne weure oetgebreid nao alle niveaus vaan biologisch weefsel, höbbe veer gevraog wie consistent de veroerzaakde metabolische reactie is vaan interne vergelieking tot vergelieking tösse soorte? Heiveur höbbe veer systematisch ‘t blaadmetaboloom vaan tabaksnicotine bestudeerd, wat ‘n ecologisch modelplant is mit ‘n riek gespecialiseerde metabolisme, en effectief is tege de larve vaan twie inheemse herbivore, Lepidoptera Datura (Ms) ( Hiel agressief, veural geëte) Op Solanaceae en Spodoptera (Spodoptera) letterlek zien ‘n soort blaadwörm. “genus”, mit de gashierplante vaan Solanaceae en aandere gashere vaan aandere genera en femilies Plantvoedsel. We höbbe ‘t MS/MS metabolomische spectrum geanalyseerd en statistische besjrievinge vaan informatietheorie geëxtraheerd um OD- en MT-theorieje te vergelieke. Maak specificiteitskaarte um de identiteit vaan belangrieke metaboliete te onthulle. De analyse woort oetgebreid nao de inheemse populatie vaan N. nasi en nauw verwante tabaksoorte um de covariantie tösse planthormoonsignalering en OD-inductie wijer te analysere.
Um ‘n algehele kaart te make euver de plasticiteit en structuur vaan ‘t blaadmetaboloom vaan herbivore tabaks, gebruukde veer ‘n ieder oontwikkelde analyse- en berekeningswerkstroum um hoeg-resolutiegegevens, onaafhankeleke MS/MS-spectra vaan plante-extracte, oetgebreid te verzamele en te deconvoluere ( 9). Deze ongedifferentieerde methode (MS/MS geneump) kin neet-redundante verbindingsspectra make, die vervolgens kinne weure gebruuk veur alle hei besjreve analyses op verbindingsniveau. Dees gedeconvolueerde plantmetaboliete zien vaan versjèllende soorte, bestaonde oet hónderde tot doezende metaboliete (ongeveer 500-1000-s/MS/MS hei). Hei besjouwe veer metabolische plasticiteit in ‘t kader vaan de informatietheorie, en kwantificere veer de diversiteit en professionalisme vaan ‘t metaboloom op basis vaan de Shannon-entropie vaan de metabolische frequentieverdeiling. Mit behulp vaan de eerder geïmplementeerde formule (8) höbbe veer ‘n reeks indicatore beraekend die kinne weure gebruuk um metabolomediversiteit (Hj-indicator), metabolische profielspecialisatie (δj-indicator) en metabolische specificiteit vaan ein metaboliet (Si-indicator) te kwantificere. Daoneve hebbe ver de Relative Distance Plasticity Index (RDPI) toegepas um de metabolome-inducibiliteit vaan herbivore te kwantificere (Figuur 1A) (30). Binne dit statistisch raamwerk behandele ver MS/MS-spectrum es de basisinformatie-eenheid, en verwèrke ver de relatieve euvervloed vaan MS/MS in un frequentieverdeilingskaart, en gebruke vervolgens Shannon-entropie um de metabolomdiversiteit dao-oet te sjatte. De metaboloomspecialisatie weurt gemete door de gemiddelde specificiteit vaan ‘n inkel MS/MS spectrum. Daorum weurt de touwnaome in de euvervloed vaan sommige MS/MS-klasse nao herbivore-inductie getransformeerd in spectrale inducierbaarheid, RDPI en specialisatie, dat wil zègke de touwnaome in de δj-index, umtot mie gespecialiseerde metaboliete weure geproduceerd en ‘n hoege Si-index weurt geproduceerd. De verlaging vaan de Hj-diversiteitsindex weerspiegelt dat ofwel ‘t aontal gegenereerde MS/MS is verminderd, ofwel de profielfrequentieverdeiling verandert in ‘n minder uniforme riechting, onderwieles dat de algehele onzekerheid weurt verminderd. Door de Si-indexberekening is ‘t meugelik um te benaodrökke welke MS/MS door bepaolde herbivore weure geïnduceerd, in tegestelling, welke MS/MS neet reageert op de inductie, wat ‘n belangrieke indicator is um MT- en OD-veurspelling te oondersjeie.
(A) Statistische descriptore gebruuk veur herbivore (H1 tot Hx) MS/MS data-inducibiliteit (RDPI), diversiteit (Hj-index), specialisatie (δj-index) en metabolietspecificiteit (Si-index). ‘n Touwnaome in de maote vaan specialisatie (δj) gief aon dat, gemiddeld, mie herbivore specifieke metaboliete zulle weure geproduceerd, terwijl ‘n aofname in diversiteit (Hj) ‘n aofname in de productie vaan metaboliete of ‘n ongelieke verdeiling vaan metaboliete in de verdeilingskaart gief aon. De Si-waarde beoordeilt of de metaboliet specifiek is veur ‘n bepaolde conditie (hie, herbivoor) of umgedrejd op ‘tzelfde niveau weurt gehandhaaf. (B) Conceptueel diagram vaan de veurspelling vaan defensietheorie met behulp vaan de informatietheorie-as. De OD-theorie veurspelt dat herbivore-aanval de verdeidigingsmetaboliete zal vergroete, boedoor δj zal vergroete. Tegeliekertied nump Hj af umtot ‘t profiel is gereorganiseerd nao de verminderde onzekerheid vaan metabolische informatie. De MT-theorie veurspelt dat de aanval vaan herbivore neet-riechtingsveranderinge in ‘t metaboloom zal veroorzake, boedoor Hj es ‘n indicator vaan touwgenome metabolische informatie-oonzekerheid zal veroorzake en ‘n willekeurige verdeiling vaan Si zal veroerzake. Ver höbbe ouch un gecombineerd model veurgestèld, de beste MT, boe-in sommige metaboliete mit hoegere defensieve waarde in ‘t bezunder verhoeg zulle weure (hoeg Si-waarde), onderwieles dat andere willekeurige reacties vertoene (liegere Si-waarde).
Door informatietheorie-besjrievers te gebruke, interpretere veer de OD-theorie um te veurspelle dat door herbivore geïnduceerde speciale metabolietveranderinge in ‘n neet-geïnduceerde constitutieve touwstand zulle leije tot (i) ‘n touwnaome in metabolische specificiteit (Si-index) die metabolomische specificiteit (δj-index) veroorzaak. De touwnaome vaan) bepaolde speciale metabolietgróppe mèt ‘n hoegere verdeidigingswaarde, en (ii) de vermindering vaan de diversiteit (Hj) door de index vaan de diversiteit verandering vaan de metabolische frequentieverdeiling nao mie leptine liechaamsverdeiling. Op ‘t niveau vaan ‘n inkele metaboliet weurt ‘n geordende Si-verdeiling verwach, boebij ‘t metaboliet de Si-waarde zal verhoage volgens zien verdedigingswaarde (Figuur 1B). In dees lijn verklaore veer de MT-theorie um te veurspelle dat excitatie zal leie tot (i) neet-riechtingsveranderinge in metaboliete die resultere in ‘n aofname vaan de δj-index, en (ii) ‘n touwnaome vaan de Hj-index es gevolg vaan ‘n touwnaome vaan metabolische onzekerheid. Of wèllekäöregheid, dee kin weure gekwantificeerd door Shannon-entropie in de vörm vaan algemeine diversiteit. Wat de stofwisseling betröf, zal de MT-theorie de willekeurige verdeiling vaan Si veurspelle. Mit rekening gehawwe mit dat bepaolde metaboliete oonder specifieke umstandeghede zitte, en aandere umstandeghede neet oonder specifieke umstandeghede, en hun verdedigingswaarde is aafhankelik vaan de umgeving, höbbe veer ouch ‘n gecombineerd verdeidigingsmodel veurgestèld, boe-in δj en Hj in twie zien verdeild langs Si. 1B).
Um de hergedefinieerde verdeidigingstheorie-veurspelling op de as vaan de informatietheorie-besjriever te teste, höbbe veer expert (Ms) of generalistische (Sl) herbivorelarve op de blaajer vaan Nepenthes pallens gekweek (Figuur 2A). Mit behulp vaan MS/MS-analyse höbbe veer 599 neet-redundante MS/MS-spectra (databestand S1) opgehaold oet methanol-extracte vaan blaajerweefsel verzameld nao rupsevoeding. Door RDPI-, Hj- en δj-indexes te gebruke um de herconfiguratie vaan informatie-inhoud in MS/MS-configuratiebestande te visualisere, oontdèk interessante patroene (Figuur 2B). De algehele trend is dat, wie besjreve door de informatiebesjriever, naomaote de rupse blaajer blieve ete, de maote vaan alle metabolische reorganisatie euver de loup vaan de tied nump touw: 72 oor nao de herbivore heet geëte, nump de RDPI significant touw. In vergelieking mit de onbesjadigde controle waor Hj significant verminderd, wat te wiete waor aon de touwgenome maote vaan specialisatie vaan ‘t metabolisch profiel, wat woort gekwantificeerd door de δj-index. Dees sjienbaar trend is in euvereinstumming mit de veurspellinge vaan de OD-theorie, mer is neet euverein mit de belangriekste veurspellinge vaan de MT-theorie, die geluif dat willekeurige (neet-riechtingsgebonde) veranderinge in metabolietniveaus weure gebruuk es ‘n defensieve camouflage (Figuur 1B). Alhoewel de orale secretie (OS)-elicitorgehalte en ‘t voedingsgedrag vaan dees twie herbivore versjille, resulteerde hun directe voeding in soortgelieke veranderinge in de riechtinge vaan Hj en δj gedurende de 24-oor en 72-oer oogstperiodes. ‘t Insigste versjil waor op 72 oor vaan RDPI. In vergelieking mit dat veroorzaak door Ms-voeding, waor de totale metabolisme geïnduceerd door Sl-voeding hoeger.
(A) Experimenteel ontwerp: gewone verkes (S1) of expert (Ms) herbivore were gevoed mit ontzoutte blaajer vaan pitcherplante, terwijl veur gesimuleerde herbivore de OS vaan Ms (W + OSMs) weurt gebruuk um de punctie vaan gestandaardiseerde blaajerposities te verwèrke. S1 (W + OSSl) larve of water (W + W). De controle (C) is un onbesjadig blaajer. (B) Inducibiliteit (RDPI vergeleke mit de controlegrafiek), diversiteit (Hj-index) en specialisatie (δj-index) index berekend veur de speciale metabolietkaart (599 MS/MS; databestand S1). Sterretjes geve significante versjille aon tusse de directe herbivore en de controlegroep (Student’s t-test mit gepaarde t-test, *P<0,05 en ***P<0,001). ns, neet belangriek. (C) Tiedsresolutieindex vaan ‘t hoof (blauw doos, aminozoer, organisch zoer en sókker; databestand S2) en speciaal metabolietspectrum (roed doos 443 MS/MS; databestand S1) nao gesimuleerde herbivorebehandeling. De kleurband verwijs nao ‘t 95% vertrouwesinterval. De sterretje gief ‘t significante versjil tusse de behandeling en de controle aan [kwadratische variatieanalyse (ANOVA), gevolg door Tukey’s eerlijk significant versjil (HSD) veur post hoc multiple vergeliekinge, *P<0,05, **P<0,01 En *** P <0,001]. (D) Specialisatie vaan scatterplots en speciale metabolietprofiele (herhaolde monsters mit versjillende behandelinge).
Um te oonderzeuke of de door herbivore geïnduceerde hermodelling op ‘t metaboloomniveau weerspiegeld weurt in de veranderinge in ‘t niveau vaan individuele metaboliete, höbbe veer iers geriech op de metaboliete die eerder bestudeerd woorte in de blaajer vaan Nepenthes pallens mèt beweze herbivoreresistentie. Fenolische amide zien hydroxycinnamamide-polyamineconjugate die zich verzamele tijdens ‘t herbivoorproces vaan insekte en bekind staon um de prestaties vaan insekte te vermindere (32). Ver höbbe de veurloupers vaan de euvereinkomstig MS/MS gezoch en hun cumulatieve kinetische curves geplot (Figuur S1). ‘t Is neet verrassend dat fenoolderivate die neet direk betrokke zien in de verdeidiging tege herbivore, wie chlorogeenzuur (CGA) en routine, weure nao herbivore aafgereguleerd. In taegesjtelling, herbivore kinne fenol amide zier krachtig make. De doorlopende voeding vaan de twie herbivore resulteerde in bekans ‘tzelfde excitatiespectrum vaan fenolamide, en dit patroon waor veural dudelek veur de novo synthese vaan fenolamide. ‘t Zelfde versjijnsel zal weure gezeen bij ‘t oonderzeuke vaan de 17-hydroxygeranyl nonanediol diterpeen glycosides (17-HGL-DTGs) weeg, wat ‘n groet aontal acyclische diterpene produceert mit effectieve anti-herbivore functies (33), boevaan Ms Feeding mit Sl ‘n soortgelieke expressie veroorzaakde (Figuur S1).
‘t Meugelike naodeil vaan directe herbivore-voedingsexperiminte is ‘t versjil in blaajerconsumptie en voedingstied vaan herbivore, waat ‘t meujelik maak um de herbivore-specifieke effecte veroerzaak door wónje en herbivore te eliminere. Um de herbivore-soortespecificiteit vaan de geïnduceerde blaajermetabolische reactie beter op te losse, höbbe veer de voeding vaan Ms- en Sl-larve gesimuleerd door de pas verzamelde OS (OSM en OSS1) direk toe te passe op de standaardpunctie W vaan consistente blaajerposities. Dees proceduur weurt W + OS-behandeling geneump, en ‘t standaardiseert de inductie door ‘t begin vaan de door de herbivore veroorzaakde reactie perceis te timinge zoonder verwarrende effecte te veroorzake vaan versjille in de snelheid of hoeveelheid weefselverluus (Figuur 2A) (34). Mit behulp vaan de MS/MS-analyse- en berekeningspijplijn höbbe veer 443 MS/MS-spectra (databestand S1) opgehaold, die euverlappe mit de spectra die eerder samegesjtèld waore oet direct feed-experimente. De informatietheorieanalyse vaan deze MS/MS-gegevensset leet zien dat ‘t herprogrammere vaan op blaajer gespecialiseerde metabolome door ‘t simulere vaan herbivore OS-specifieke induceringe leet zien (Figuur 2C). In ‘t bezunder, in vergelieking mit de OSS1-behandeling, veroorzaakde OSM ‘n verbetering vaan de metaboloomspecialisatie nao 4 oor. ‘t Is de moeite weerd um op te merke dat in vergelieking mit de experimentele gegevensset vaan directe herbivore-voeding, de metabolische kinetica gevisualiseerd in twie-dimensionale ruimte mit gebruuk vaan Hj en δj es coördinate en de richting vaan de metabolom-specialisatie in reactie op gesimuleerde herbivore-behandeling in de loup vaan de tied consistent touwnump (Figuur 2D). Tegeliekertied kwantificeerde veer de inhoud vaan aminozure, organische zure en sókkers (databestand S2) um te oonderzeuke of deze doelgerichte touwnaome in metabolome-expertise te wiete is aon de herconfiguratie vaan centraal koolstofmetabolisme in reactie op gesimuleerde herbivore (Figuur S2). Um dit patroon baeter oet te lègke, hebbe ver de metabolische accumulatiekinetiek vaan de eerder besproke fenolamide- en 17-HGL-DTG-routes wijer gecontroleerd. De OS-specifieke inductie vaan herbivore weurt getransformeerd in ‘n differentieel herrangsjikkingspatroon binne ‘t fenolamide-metabolisme (Figuur S3). Fenolische amide die coumarine- en caffeoyldeile bevatte, were veurkeur door OSS1 geïnduceerd, onderwieles dat OSM’s ‘n specifieke inductie vaan ferulylconjugate veroorzake. Veur de 17-HGL-DTG-route woort ‘n differensjele OS-inductie door stroumaafwaartse malonylatie- en dimalonylatieprodukte gedetecteerd (Figuur S3).
Vervolgens bestudeerde we de door OS geïnduceerde transcriptoomplasticiteit mit behulp vaan de time-course microarray dataset, die ‘t gebruuk vaan OSM’s simuleert um de blaajer vaan de blaajer vaan de rozetteplant in herbivore te behandele. De kinetica vaan de bemonstering kump in principe euverein mit de kinetica die in dit metabolomische oonderzeuk woort gebruuk (35). In vergelieking mit de metaboloomherconfiguratie boebij de metabolische plasticiteit in de loup vaan de tied in de loup vaan de tied in ‘t biezoonder verhoeg weurt, observere veer veurbiegende transcriptie-uitbarstinge in blaajer geïnduceerd door Ms, boe transcriptoom-inducibiliteit (RDPI) en specialisatie (δj) op 1 ligke. transcriptoomspecialisatie (Figuur S4). Metabolische genfemilies (zoe wie P450, glycosyltransferase en BAHD acyltransferase) neume deil aon ‘t perces vaan ‘t samestèlle vaan speciale metaboliete vaan structurele einhede aafgeleid vaan primaire metabolisme, volgens ‘t eerder geneumde vreug high-specialisatie model. Es casusstudie woort de fenylalanineweeg geanalyseerd. De analyse bevestigde dat de kerngene in de fenolamide-metabolisme sterk OS-geïnduceerd zien in herbivore in vergelieking mit neet-aonttrokke plante, en nauw verboonde zien in hun expressiepatrone. De transcriptiefactor MYB8 en de structurele gene PAL1, PAL2, C4H en 4CL in de bovewaartse weeg toonde ‘n vreug initiatief vaan transcriptie. Acyltransferases die ‘n rol speule in de oeteindelike assemblage vaan fenolamide, wie AT1, DH29 en CV86, vertoene ‘n langdurig upreguleringspatroon (Figuur S4). De bovestaonde observaties wieze op dat de vreuge initiatie vaan de transcriptoomspecialisatie en de latere verbetering vaan de metabolomische specialisatie ‘n gekoppelde modus zien, wat kin te wiete zien aon ‘t synchrone regelgevende systeem dat ‘n krachtige verdeidegingsrespons initieert.
De herconfiguratie in planthormoonsignalering fungeert es ‘n regelgevende laog dee herbivore informatie integreert um de fysiologie vaan plante te herprogrammere. Nao de simulatie vaan herbivore, maete we de cumulatieve dynamiek vaan belangrieke planthormooncategorieje en visualiseerde we de tiedeleke co-expressie tusse ze [Pearson-correlatiecoëffisjent (PCC)> 0,4] (Figuur 3A). Zoals verwach, zien plantehormone die gerelateerd zien aon biosynthese verboonde binne ‘t planthormoonco-expressienetwerk. Daonaeve is de metabolische specificiteit (Si-index) in kaart gebrach op dit netwerk um de planthormone die door versjillende behandelinge weure geïnduceerd, te benaodrökke. Twee hoofgebede vaan herbivore specifieke reactie zien geteikend: ein is in de JA-cluster, boe JA (zien biologisch actieve vörm JA-Ile) en aandere JA-derivate de hoegste Si-score laote zien; de aandere is ethyleen (ET). Gibberelline leet mer ‘n maotig touwnaome in herbivorespecificiteit zien, onderwieles dat aandere planthormone, wie cytokinine, auxine en abscisisch zuur, ‘n liege inductiespecificiteit hadde veur herbivore. In vergelieking mit ‘t gebruuk vaan W + W allein, kin de versterking vaan de piekwaarde vaan JA-derivate via de OS-toepassing (W + OS) in feite weure getransformeerd in ‘n sterke specifieke indicator vaan JA’s. Onverwachs zien OSM en OSS1 mit versjillende elicitorgehalde bekind um soortgelieke accumulatie vaan JA en JA-Ile te veroorzake. In taegesjtelling tot OSS1, weurt OSM specifiek en sterk door OSM’s geïnduceerd, onderwieles dat OSS1 de reactie vaan basale wónje neet versterk (Figuur 3B).
(A) Co-expressienetwerkanalyse gebaseerd op PCC-berekening vaan herbivore-geïnduceerde planthormoonaccumulatiekineticasimulatie. De knoop steit veur ein planthormoon, en de gruutde vaan de knoop steit veur de Si-index specifiek veur ‘t planthormoon tusse behandelinge. (B) Accumulatie vaan JA, JA-Ile en ET in blaajer veroorzaak door versjèllende behandelinge aongegeve door versjèllende kleure: abrikoos, W + OSM; blauw, W + OSSl; zwart, W + W; grijs, C (controle) . Sterretjes geve significante versjille tusse behandeling en controle aan (two-way ANOVA gevolg door Tukey HSD post hoc meervoudige vergelieking, *** P <0,001). Informatietheorieanalyse vaan (C)697 MS/MS (datafile S1) in JA-biosynthese en verslechterd perceptiespectrum (irAOC en irCOI1) en (D)585 MS/MS (data-bestand S1) in ETR1 mit verslechterd ET-signaal Twee gesimuleerde herbivorebehandelinge veroorzaakde plantelijne en voertuigcontrole (EV) plante. Sterretjes geve significante versjille aon tusse W+OS-behandeling en onbesjadigde controle (twieweg ANOVA gevolg door Tukey HSD post hoc meervoudige vergelieking, *P<0,05, **P<0,01 en ***P<0,001). (E) Verspreide grafieke vaan verspreide tegestelling tot specialisatie. De kleure representere versjillende genetisch gemodificeerde stamme; de symbole vertegenwoordige versjillende behandelingsmethodes: dreihook, W + OSS1; rechthook, W + OSM; cirkel C
Daonao gebruuke we ‘n genetisch gemodificeerde stam vaan verzwakde Nepenthes (irCOI1 en sETR1) in de sleutelstappe vaan JA- en ET-biosynthese (irAOC en irACO) en perceptie (irCOI1 en sETR1) um de metabolisme vaan dees twie planthormone op herbivore te analysere. In euvereinstumming mit veurege experimente bevestegde we de inductie vaan herbivore-OS in lege drager (EV) plante (Figuur 3, C tot D) en de algehele afname vaan de Hj-index veroorzaak door OSM, terwijl de δj-index touwnaom. De reactie is oetgesprokener es de reactie veroorzaak door OSS1. ‘n Twielijne grafiek mit Hj en δj es coördinate toent de specifieke deregulering (Figuur 3E). De meis opvallende trend is dat in stamme die gein JA-signaal höbbe, de metabolomdiversiteit en specialisatieveranderinge veroerzaak door herbivore bekans volledeg weure geëlimineerd (Figuur 3C). Daoretege verzwak de stomme ET-perceptie in sETR1-plante, hoewel ‘t algehele effek op veranderinge in herbivore metabolisme väöl lieger is es dat vaan JA-signalering, ‘t versjil in Hj- en δj-indices tusse OSM- en OSS1-excitaties (Figuur 3D en Figuur S5). . Dit gief aon dat neve de kernfunctie vaan JA-signaaltransductie, ET-signaaltransductie ouch deent es ‘n fine-tuning vaan de soortspecifieke metabolische reactie vaan herbivore. In euvereinstumming mit dees fine-tuning-functie waor d’r gein verandering in de algehele metaboloom-inducibiliteit in sETR1-plante. Aan de andere kant, in vergelieking mit sETR1-plante, induceerde irACO-plante soortgelieke algehele amplitudes vaan metabolische veranderinge veroorzaak door herbivore, mer leete significant versjillende Hj- en δj-scores tusse OSM- en OSS1-oetdaginge zien (Figuur S5).
Um gespecialiseerde metaboliete te identificere die belangrieke bijdrage höbbe aon de soortspecifieke reactie vaan herbivore en hun productie door middel vaan ET-signale te fine-tune, gebruukde veer de eerder oontwikkelde structurele MS/MS-methode. Dees methode is gebaseerd op de bi-clustering-methode um de metabolische femilie te herafleie vaan MS/MS-fragminte [genormaliseerd puntproduk (NDP)] en euvereinkomsscore gebaseerd op neutraal verlees (NL). De MS/MS-dataset, geconstrueerd door de analyse vaan ET-transgene lijne, produceerde 585 MS/MS (databestand S1), wat woort opgelos door ze in zeve hoof MS/MS-module (M) te clustere (Figuur 4A). Sommige vaan dees modules zien dich verpakt mit eerder gekarakteriseerde speciale metaboliete: beveurbeeld M1, M2, M3, M4 en M7 zien riek aan versjillende fenoolderivate (M1), flavonoïde glycoside (M2), acylsókkers (M3 en M4) en 17-HGL-DTG (M7). Daoneve weurt de metabolische specifieke informatie (Si-index) vaan ‘n inkele metaboliet in eder module berekend, en de Si-verdeiling kin intuïtief weure gezeen. Kort samegevat, MS/MS-spectra die ‘n hoege herbivore en genotypespecificiteit vertoene, weure gekinmerk door hoege Si-waardes, en kurtose-statistieke geve de verdeiling vaan pels in de rechter staarthook aon. Ein vaan dees magere colloïdeverdeiling woort gedetecteerd in M1, boebij fenolamide de hoegste Si-fractie leet zien (Figuur 4B). De eerder vermelde herbivore induceerbare 17-HGL-DTG in M7 leet ‘n maotig Si-score zien, wat ‘n maotig maote vaan differensjele regulering tusse de twie OS-types aonguuf. In taegesjtelling, de mieste constitutief geproduceerde gespecialiseerde metaboliete, wie routine, CGA, en acylsókkers, behure tösse de liegste Si-scores. Um de structurele complexiteit en de Si-verdeiling tösse speciale metaboliete beter te kinne oonderzeuke, woort veur eder module ‘n moleculair netwerk gebouwd (Figuur 4B). ‘n Belangrieke veurspelling vaan de OD-theorie (samegevat in Figuur 1B) is dat de reorganisatie vaan speciale metaboliete nao herbivore zouw motte leie tot eenweg veranderinge in metaboliete mit ‘n hoege verdeidegingsweerd, veural door hun specificiteit (in taegesjtelling tot willekeurige verdeiling) te vergroete. De mieste vaan de fenoolderivate die in M1 zien opgebouwd, zien functioneel gerelateerd aon de aafname vaan de prestaties vaan insecte (32). Bij ‘t vergelieke vaan de Si-waardes in de M1-metaboliete tusse de geïnduceerde blaajer en de bestanddele blaajer vaan de EV-controleplante nao 24 oor, observeerde veer dat de metabolische specificiteit vaan väöl metaboliete nao herbivore insekte ‘n significante touwnummende trend heet (Figuur 4C). De specifieke touwnaome in Si-waarde woort allein gedetecteerd in defensieve fenolamide, mer d’r woort gein touwnaome in Si-waarde gedetecteerd in aandere fenole en oonbekinde metaboliete die in deze module same bestoonte. Dit is un gespecialiseerd model, dat gerelateerd is aon de OD-theorie. De belangriekste veurspellinge vaan stofwisseling veranderinge veroerzaak door herbivore zien consistent. Um te teste of dees bezunderheid vaan ‘t fenolamidespectrum door OS-specifieke ET woort geïnduceerd, höbbe veer de metaboliet Si-index geplot en ‘n differensjele expressiewaarde tusse OSM en OSS1 in de EV- en sETR1-genotypes veroorzaak (Figuur 4D). In sETR1 waor ‘t door fenamide geïnduceerde versjil tusse OSM en OSS1 sterk verminderd. De bi-clustering-methode woort ouch toegepas op MS/MS-gegevens verzameld in stamme mit neet voldoende JA um de belangriekste MS/MS-module te concludere die gerelateerd waore aon JA-gereguleerde metabolische specialisatie (Figuur S6).
(A) De clusteringsresultate vaan 585 MS/MS gebaseerd op gedeeld fragmint (NDP-geliekenheid) en gedeild neutraal verluus (NL-geliekenheid) resultere in ‘t feit dat de module (M) consistent is mit de bekinde verbindingsfemilie, of door ‘n oonbekinde of slech gemetaboliseerde Metabolietsamestèlling. Naeve eder module weurt de metaboliet (MS/MS) specifieke (Si) verdeiling getoend. (B) Modulair moleculair netwerk: Nodes vertegenwoordige MS/MS en kante, NDP (roed) en NL (blauw) MS/MS-scores (cut-off,> 0,6). De gegradeerde metabolietspecificiteitsindex (Si) is gekleurd op basis vaan de module (links) en gekoppeld aon ‘t moleculair netwerk (rechts). (C) Module M1 vaan EV-plant in constitutieve (controle) en geïnduceerde staot (gesimuleerde herbivoor) op 24 oor: moleculair netwerkdiagram (Si-waarde is de nodegrootte, defensief fenolamide is in blauw gemarkeerd). (D) ‘t M1-moleculair netwerkdiagram vaan de spectrumlijn sETR1 mit verslechterde EV- en ET-perceptie: de fenolische samesjtèlling vertegenwoordigd door de greune cirkelknoop, en ‘t significante versjil (P-waarde) tösse W + OSM en W + OSS1-behandelinge es knoopgrootte. CP, N-caffeoyl-tyrosine; CS, N-caffeoyl-spermidine; FP, N-ferulzuur ester-urienzuur; FS, N-ferulyl-spermidine; CoP, N’, N “-Coumarolyl-tyrosine; DCS, N’, N”-dicaffeoyl-spermidine; CFS, N’, N”-caffeoyl, feruloyl-spermidine; Lycium barbarum in wolfberry Son; Nick. O-AS, O-acyl sugar.
We höbbe de analyse wijer oetgebreid vaan ‘n inkele verzwakde Nepenthes-genotype nao natuurleke populaties, boe sterke intraspecifieke veranderinge in herbivore JA-niveaus en specifieke metabolietniveaus eerder in natuurleke populaties zien besjreve (26). Gebruik deze gegevensset um 43 kiemplasma’s te bedekke. Dees kiemplasma’s zien besjtaon oet 123 plantesoorte vaan N. pallens. Dees plante woorte genomme oet zaode die woorte verzameld in versjèllende inheemse habitats in Utah, Nevada, Arizona en Californië (Figuur S7), veer berekende de metabolomediversiteit (hie bevolkingsniveau geneump) β-diversiteit) en de specialisatie veroorzaak door OSM. In euvereinsjtuming mit veurege studies, hebbe ver un breid scala aon metabolische veranderinge langs de Hj- en δj-asse woergenome, wat aonguuf dat kiemplasma’s significante versjille höbbe in de plasticiteit vaan hun metabolische reacties op herbivore (Figuur S7). Dees organisatie doet denke aan eerdere observaties euver ‘t dynamische bereik vaan JA-veranderinge veroerzaak door herbivore, en heet ‘n zeer hoege waerde in ein populatie behawwe (26, 36). Door JA en JA-Ile te gebruke um de algehele niveaucorrelatie tösse Hj en δj te teste, voonte veer dat d’r ‘n significante positieve correlatie is tösse JA en de metaboloom β diversiteit en specialisatieindex (Figuur S7). Dit suggereert dat de door herbivore geïnduceerde heterogeniteit in JAs-inductie die is gedetecteerd op populatieniveau, te wiete kin zien aon belangrieke metabolische polymorfisme veroorzaak door selèctie vaan herbivore insekte.
Iedere studies höbbe aongetoend dat tabaksoorte sterk versjille in soorte en relatieve aafhankelikheid vaan geïnduceerde en constitutieve metabolische verdediging. ‘t Weurt aongenome tot dees veranderinge in anti-herbivore signaaltransductie en verdeidegingscapaciteite were gereguleerd door insecte populatie drök, plant levenscyclus, en verdeidegingsproductiekoste in de niche boe ‘n bepaolde soort greujt. Ver höbbe de consistentie vaan de remodeling vaan blaajermetabolome bestudeerd, geïnduceerd door herbivore vaan zes Nicotiana-soorte die inheems zien in Noord- en Zuid-Amerika. Dees soorte zien nauw verwant aon Nepenthes Noord Amerika, naomelek Nicolas Bociflo. La, N. nicotinis, Nicotiana n. aafgezwak graas, Nicotiana tabacum, lineaire tabak, tabak (Nicotiana spegazzinii) en tabaksblaadtabak (Nicotiana obtusifolia) (Figuur 5A) (37). Zès vaan dees soorte, boe-oonder de good gekarakteriseerde soort N. please, zien jaorlikse plante vaan de petunia-clade, en obtusifolia N. zien vaste plante vaan de zösterclade Trigonophyllae (38). Daonao woort W + W, W + OSM en W + OSS1-inductie oetgeveurd op dees zeve soorte um de metabolische herrangsjikking vaan insektevoeding op soortniveau te bestudere.
(A) ‘n Bootstrap fylogenetische boum gebaseerd op de maximale kans [veur nucleaire glutaminesynthese (38)] en de geografische verdeiling vaan zeve nauw verwante Nicotiana-soorte (versjèllende kleure) (37). (B) ‘n Scatterplot vaan gespecialiseerde diversiteit veur de metabolische profiele vaan zeve Nicotiana-soorte (939 MS/MS; databestand S1). Op soorte niveau, metabolome diversiteit is negatief gecorreleerd mit de maote vaan specialisatie. De analyse vaan de correlatie op soortniveau tusse metabolische diversiteit en specialisatie en JA-accumulatie is te zien in Figuur 2. S9. Kleur, versjillende types; dreihook, W + OSS1; rechthook, W + OSM; (C) Nicotiana JA en JA-Ile dynamieke zien gerangsjik volgens de OS-excitatie-amplitude (two-way ANOVA en Tukey HSD nao meerdere vergelieking, * P <0,05, ** P <0,01 en * ** Veur de vergelieking vaan W + OS en W + W, P <0,001). Boxplot vaan (D) diversiteit en (E) specialisatie vaan eder soort nao ‘t simulere vaan herbivore en methyl JA (MeJA). De sterretje gief ‘t significante versjil aon tusse W + OS en W + W of lanoline plus W (Lan + W) of Lan plus MeJA (Lan + MeJa) en Lan-controle (twie-weeganalyse vaan variantie, gevolg door Tukey’s HSD post hoc meervoudige vergelieking, *P<0,05, **P<0,01 en ***P<0,001).
Mit behulp vaan de dual cluster methode höbbe we 9 modules vaan 939 MS/MS geïdentificeerd (datafile S1). De samesjtèlling vaan MS/MS, herconfigureerd door versjillende behandelinge, versjilt sterk tusse versjillende modules tusse soorte (Figuur S8). ‘t Visualisere vaan Hj (hie γ-diversiteit op soorte niveau) en δj onthult dat versjillende soorte ziech samevoge in hiel versjillende gróppe in de stofwisseling, boe de verdeiling op soorte niveau miestal prominenter is es opwinding. Mèt oetzundering vaan N. linear en N. obliquus, vertoene ze ‘n breid dynamisch scala aon inductie-effecte (Figuur 5B). In taegesjtelling, soorte wie N. purpurea en N. obtusifolia höbbe ‘n minder duudelike metabolische reactie op behandeling, mer ‘t metaboloom is diverser. De soortspecifieke verdeiling vaan de geïnduceerde metabolische reactie resulteerde in ‘n significante negatieve correlatie tösse specialisatie en gammadiversiteit (PCC = -0,46, P = 4,9×10-8). OS-geïnduceerde veranderinge in JAs-niveaus zien positief gecorreleerd mit de metabolomspecialisatie en negatief gecorreleerd mit de metabolische gammadiversiteit die door eder soort weurt vertoend (Figuur 5B en Figuur S9). ‘t Is de moeite weerd um op te merke dat de soorte die in Figuur 5C alledaags “signalrespons” soorte weure geneump, wie Nepenthes nematodes, Nepenthes nepenthes, Nepenthes acute en Nepenthes attenuated, op 30 minute significante teikes veroorzaakde. De recente OS-specifieke JA- en JA-Ile-uitbrake, onderwieles dat aandere bacterieje die “signaal neet reagere” weure geneump, wie Nepenthes-molens, Nepenthes powdery en N. obtusifolia allein JA-Ile Edge-inductie toene zonder enige OS-specificiteit (Figuur 5C). Op ‘t metabolisch niveau, wie heibove vermeld, veur verzwakte Nepenthes, leete de signaal-responsieve substanties OS-specificiteit zien en verhoogde δj significant, onderwieles dat Hj verminderde. Dit OS-specifieke priming-effek woort neet gedetecteerd in soorte die woorte geclassificeerd es signaal-neet-reactieve soorte (Figuur 5, D en E). OS-specifieke metaboliete weure dèkser gedeild tusse signaal-responsieve soorte, en dees signaalclusters clustere mit soorte mit zwaakere signaalreacties, onderwieles dat soorte mit zwaakere signaalreacties minder wederzijdse aafhankelikheid toene (Figuur S8). Dit resultaat gief aon dat de OS-specifieke inductie vaan JA’s en de OS-specifieke herconfiguratie vaan ‘t stroumaafwaartse metaboloom op soortniveau gekoppeld zien.
Vervolgens gebruukde veer ‘n lanolinepasta mèt methyl JA (MeJA) um plante te behandele um te oonderzeuke of dees koppelingsmodi beperk zien door de besjikbaarheid vaan JA toegepas door exogene JA, dee in ‘t cytoplasma vaan plante zal zitte. Sjnelle ontsterming is JA. We höbbe dezelfde trend gevoonde vaan de geleideleke verandering vaan signaal-responsieve soorte nao signaal-neet-responsieve soorte veroorzaak door de continue levering vaan JA (Figuur 5, D en E). Kort samegevat, MeJA-behandeling herprogrammeerde de metabolome vaan lineaire nematode, N. obliquus, N. aquaticus, N. pallens en N. mikimotoi, wat resulteerde in ‘n significante touwnaome in δj en ‘n aofnaome in Hj. N. purpurea leet allein ‘n touwnaome in δj zien, mer neet in Hj. N. obtusifolia, wat eerder is aongetoond um extreem liege niveaus vaan JA’s te verzamele, reageert ouch slech op MeJA-behandeling wat betröf metabolome-herconfiguratie. Dees resultate wieze op dat JA-productie of signaaltransductie fysiologisch beperk is in signaal-neet-reagerende soorte. Um dees hypothese te teste, bestudeerde we de veer soorte (N. pallens, N. mills, N. pink en N. microphylla) geïnduceerd door W + W, W + OSMs en W + OSS1 Transcriptome (39). In euvereinstumming mit ‘t patroon vaan metaboloomhermodelling, zien de soorte good gesjeie in de transcriptoomruimte, boe-oonder N. verzwak de hoegste OS-geïnduceerde RDPI toonde, terwijl N. gracilis de liegste had (Figuur 6A). D’r woort echter gebleke dat de transcriptoomdiversiteit geïnduceerd door N. oblonga ‘t liegste waor oonder de veer soorte, in taegesjtelling tot de hoegste metabolomische diversiteit vaan N. oblonga dee eerder in zeve soorte woort getoent. Veurege studies höbbe aongetoend dat ‘n reeks gene die gerelateerd zien aon vreuge verdeidigingssignale, boe-oonder JA-signale, de specificiteit vaan vreuge verdeidegingsreacties verklaort die door herbivore gerelateerde elicitors in Nicotiana-soorte weure geïnduceerd (39). ‘t Vergelieke vaan de JA-signaleringsweeg tusse dees veer soorte oontdèkde ‘n interessant patroon (Figuur 6B). De mieste gene in dees weeg, zoe es AOC, OPR3, ACX en COI1, toonde relatief hoege niveaus vaan inductie in dees veer soorte. Echter, un sleutelgen, JAR4, zet JA um in zien biologisch actieve vörm vaan JA-Ile opgebouwde transcripte, en zien transcriptieniveau is erg lieg, veural in N. mills, Nepenthes pieris en N. microphylla. Daoneve woort allein ‘t transcript vaan ‘n aander gen AOS neet in N. bifidum gedetecteerd. Dees veranderinge in genexpressie kinne verantweurdelek zien veur de extreme fenotypes die weure geïnduceerd door de liege JA-productie in signaal-anergische soorte en de inductie vaan N. gracilis.
(A) Informatietheorieanalyse vaan ‘t herprogrammere vaan vreuge transcriptionele reacties vaan veer nauw verwante tabaksoorte die 30 minute nao herbivore-inductie woorte bemonsterd. RDPI weurt berekend door de blaajer die door de herbivore OS zien geïnduceerd te vergelieke mèt de wondcontrole. De kleure geve versjillende soorte aan, en de symbole geve versjillende behandelingsmethodes aan. (B) Analyse vaan genexpressie in JA-signaleringsweeg oonder veer soorte. ‘t Vereenvoudigde JA-paad weurt naeve de boxplot getoend. Versjillende kleure geve versjillende verwerkingsmethodes aan. De sterretje gief aon dat d’r ‘n significant versjil is tösse de W + OS-behandeling en de W + W-controle (veur de Student’s t-test veur paarwieze versjille, *P<0,05, **P<0,01 en ***P<0,001). OPDA, 12-oxofytodienoïenzuur; OPC-8: 0,3-oxo-2(2′(Z)-pentenyl)-cyclopentaan-1-octanoïnezuur.
In ‘t lètste deil höbbe veer bestudeerd wie insekte-specifieke hermodellering vaan ‘t metaboloom vaan versjèllende plantsoorte resistent kin zien tege herbivore. Veurgaond oonderzeuk lag de naodrök op ‘t Nicotiana-geslach. Hun resistentie tege Ms en larve versjille sterk (40). Hei höbbe veer ‘t verband tösse dit model en hun metabolische plasticiteit bestudeerd. Door de bovestaonde veer tabaksoorte te gebruke en de correlatie tösse de diversiteit en specialisatie vaan ‘t metaboloom veroorzaak door herbivore en de weerstand vaan plante tege Ms en Sl te teste, voonte veer dat de weerstand, diversiteit en specialisatie tege de generalistische Sl All positief gecorreleerd zien, terwijl de correlatie tösse weerstand tege expertdames en specialisatie zwak is, en de correlatie mèt diversiteit neet significant is (Figuur 10). Wat betröf S1-resistentie, hadde zoewel de verzwakte N. chinensis es N. gracilis, die eerder beweze tot ze zoewel JA-signaaltransductieniveaus es metabolomplasticiteit vertoende, hiel versjillende reacties op herbivore-inductie, en ze leete ouch ‘n soortgelieke hoege weerstand zien. Seks.
In de aafgeloupe zesteg jaor heet de theorie vaan plantverdeideging ‘n theoreties raamwerk geboje, gebaseerd op welke oonderzeukers ‘n aonzeenlek aontal evolutie en functies vaan plantgespecialiseerde metaboliete höbbe veurspeld. De mieste vaan dees theorieje volge neet de normale proceduur vaan sterke gevolgtrèkkinge (41). Ze stèlle belangrieke veurspellinge veur (3) op ‘tzelfde niveau vaan analyse. Es ‘t teste vaan belangrieke veurspellinge ‘t meugelek maak um specifieke theorieje te analysere, zal dit ‘t vakgebeed veuroet bewege. Weur ondersteund, mer verwerp aandere (42). In plaots daovaan deit de nui theorie veurspellinge op versjèllende niveaus vaan analyse en voogt ‘n nui laog besjrievende euverweginge touw (42). De twie theorieje die op ‘t functioneel niveau veurgestèld weure, MT en OD, kinne echter gemekkelik weure verklaord es belangrieke veurspellinge vaan gespecialiseerde metabolische veranderinge veroerzaak door herbivore: de OD theorie is vaan meining dat veranderinge in gespecialiseerde metabolische “ruimte” zier directioneel zien. De MT theorie is vaan meining dat dees veranderinge neet-directioneel zien en willekeurig in de metabolische ruimte zien, en de neiging höbbe metaboliete vaan ‘n hoege verdeidegingsweerd te höbbe. Iedere oonderzeuke vaan OD- en MT-veurspellinge zien getes mèt behulp vaan ‘n smalle set vaan a priori “verdeidigings”-verbindinge. Dees metaboliet-gecentreerde tests verhindere de meugelikheid um de umvang en traject vaan metabolome herconfiguratie tijdens herbivore te analysere, en stèlle neet toe um teste binne un consistent statistisch raamwerk te vereise um sleutelveurspellinge te vereise die es un gehiel kinne weure besjouwd. Hei gebruukde veer de innovatieve technologie in de metabolomie gebaseerd op computasjonele MS en höbbe veer deconvolutie MS-analyse oetgeveurd in de algemeine munt vaan informatietheorie-besjrievers um ‘t oondersjeid tösse de twie te teste die veurgestèld zien op globale metabolomiese niveau. De belangriekste veurspelling vaan deze theorie. Informatietheorie is op väöl gebeje touwgepas, veural in de cónteks vaan biodiversiteit en voedingsstroumoonderzeuk (43). Veur zoewiet veer wete, is dit echter de ierste touwpassing dee weurt gebruuk um de metabolische informatieruimte vaan plante te besjrieve en ecologische probleme op te losse die gerelateerd zien aon tijdeleke metabolische veranderinge es reactie op umgevingssignale. In ‘t biezoonder, ‘t vermoge vaan dees methode ligk in ‘t vermoge um patroene binne en tusse plantsoorte te vergelieke um te oonderzeuke wie herbivore zien geëvolueerd vaan versjillende soorte tot inter-soorte macro-evolutionaire patroene op versjillende niveaus vaan evolutie. Metabolisme.
Principal component analysis (PCA) zet ‘n multivariate gegevensset um in ‘n dimensionaliteitsreductieruimte zoetot de hooftrend vaan de gegevens kin weure oetgelag, dus ‘t weurt meistal gebruuk es ‘n verkinnende techniek um de gegevensset te parsere, zoewie deconvolutiemetaboloom. Dimensionaliteitsreduktie zal echter ‘n deil vaan de informatieinhoud in de gegevensset verlere, en PCA kin gein kwantitatieve informatie versjaffe euver kinmerke die bezunder relevant zien veur de ecologische theorie, wie: wie herbivore diversiteit in gespecialiseerde velde (beveurbeeld riekdom, verdeiling) en euvervloed) metaboliete herconfigurere? Welke metaboliete zien veurspellers vaan de geïnduceerde staot vaan ‘n bepaolde herbivore? Vanoet ‘t perspectief vaan specificiteit, diversiteit en inducibiliteit, is de informatie-inhoud vaan ‘t blaadspecifieke metabolietprofiel oetein, en ‘t weurt gevoonde dat ‘t ete vaan herbivore ‘n specifieke metabolisme kin activere. Onverwachs observeerde we dat, wie besjreve in de geïmplementeerde informatietheorie-indicatore, de resulterende metabolische situatie ‘n groete euverlapping heet nao de aanvalle vaan de twie herbivore (de nachgevoede generalis Sl) en de Solanaceae-expert Ms. Al zien hun voedingsgedrag en concentratie significant versjillend. Vètzuur-aminozuurconjugaat (FAC) initiator in OS (31). Door ‘t gebruuk vaan herbivore OS um gestandaardiseerde punctiewonde te behandele, leet gesimuleerde herbivore behandeling ouch ‘n soortgelieke trend zien. Deze gestandaardiseerde proceduur veur ‘t simulere vaan de reactie vaan plante op herbivore-aanvalle elimineert de versturende factore veroorzaak door veranderinge in ‘t eetgedrag vaan herbivore, die op versjèllende mominte leije tot versjèllende maote vaan sjaoj (34). FAC, wat bekind steit es de hoofoerzaak vaan OSM, vermindert JAS en aandere planthormoonreacties in OSS1, terwijl OSS1 hónderde kiere vermindert (31). OSS1 veroorzaakde echter vergeliekbaar niveaus vaan JA-accumulatie in vergelieking mit OSM. Ieder is aongetoond dat de JA-respons in verzwakde Nepenthes erg geveulege is veur OSM, boebij FAC zien activiteit kin behawwe, zelfs es ‘t 1:1000 mèt water verdunt weurt (44). Daorum, in vergelieking mit OSM, is ‘t, hoewel de FAC in OSS1 hieël lieg is, voldoende um voldoende JA-uitbraok te veroorzake. Veurege studies höbbe aongetoend dat porine-echtege eiwitte (45) en oligosaccharide (46) kinne weure gebruuk es moleculaire aonwiezinge um plantverdeidigingsreacties in OSS1 te veroorzake. ‘t Is echter nog ondudelik of dees elicitors in OSS1 verantweurdelek zien veur de accumulatie vaan JA die in de huidige studie woort gezeen.
Alhoewel d’r wieneg studies zien die de versjillende metabolische vingeraafdrukke besjrieve die veroerzaak weure door de toepassing vaan versjillende herbivore of exogene JA of SA (salicylies zuur) (47), heet niemes de herbivore soort-specifieke perturbatie in ‘t plantgraasnetwerk en de effecte devaan op de specifieke. persoenlike informatie. Dees analyse bevestigde weijer dat de interne hormoonnetwerkverbinding mit aander planthormone behalve JA’s de specificiteit vaan de stofwisseling reorganisatie die door herbivore weurt veroerzaak, vörmp. In ‘t biezoonder höbbe we detecteerd dat ET veroorzaak door OSM significant groeter waor es dat veroerzaak door OSS1. Dees modus is consistent mit mie FAC-inhoud in OSM, wat ‘n nuudige en voldoende veurwaarde is veur ‘t activere vaan ‘n ET-burst (48). In de cónteks vaan de interactie tusse plante en herbivore, is de signaalfunctie vaan ET op plantspecifieke metabolietdynamiek nog steeds sporadisch en is ‘t allein geriech op ‘n inkele verbindingsgróp. Daoneve höbbe de mieste studies exogene toepassing vaan ET of zien veurloupers of versjèllende remmers gebruuk um de regulering vaan ET te oonderzeuke, boe-oonder dees exogene chemische toepassinge väöl neet-specifieke neve-effecte zulle oplevere. Volgens ós kinnes is dit oonderzeuk de ierste groetsjalige systematische oonderzeuk vaan de rol vaan ET in ‘t gebruuk vaan ET um beïnvlood transgene plante te producere en te zien um de dynamiek vaan plantmetaboloom te coördinere. Herbivore-specifieke ET-inductie kin oeteindelik de metabolome-respons modulere. De meis significante is de transgene manipulatie vaan ET-biosynthese (ACO) en perceptie (ETR1) gene die de herbivore-specifieke de novo accumulatie vaan fenolamide onthulde. Ieder is aongetoend dat ET de door JA geïnduceerde nicotine-accumulatie kin fine-tune door putrescine N-methyltransferase te regulere (49). Vanoet ‘n mechanisch punt vaan oog is ‘t echter neet duudelik wie ET de inductie vaan fenamide aafsteunt. Naeve de signaaltransductiefunctie vaan ET, kin de metabolische flux ouch nao S-adenosyl-1-methionine were gestuurd um de investering in polyaminofenol amide te regulere. S-adenosyl-1-methionine is ET en ‘n algemein tussemiddel vaan de polyamine biosynthetische weeg. ‘t Mechanisme boemèt ‘t ET-signaal ‘t niveau vaan fenolamide reguleert, is weijer oonderzeuk nuudig.
Al lang, vanwege ‘t groet aontal speciale metaboliete vaan oonbekinde structuur, is de intense aondach veur specifieke metabolische categorieje neet in staot gewees um de tijdeleke veranderinge vaan de metabolische diversiteit nao biologische interacties strik te beoordeile. Op ‘t momint, gebaseerd op informatietheorie-analyse, is ‘t hoofresultaat vaan MS/MS-spectrumverwerving gebaseerd op onbeveuroordeilde metaboliete dat herbivore die herbivore ete of simulere de algehele metabolische diversiteit vaan ‘t blaadmetaboloom blieve vermindere onderwieles de maote vaan specialisatie weurt verhoeg. Dees tijdeleke touwnaome in metabolom specificiteit veroerzaak door herbivore is geassocieerd mit un synergische touwnaome in transcriptome specificiteit. ‘t Kenmerk wat ‘t meiste bijdraog aon dees groetere metaboloomspecialisatie (mèt ‘n hoegere Si-waarde) is ‘t speciale metaboliet mit de eerder gekarakteriseerde herbivore functie. Dit model is consistent mit de veurspelling vaan de OD-theorie, mer de veurspelling vaan MT in verband mit de wèllekäöregheid vaan metaboloomherprogrammering is neet consistent. Dees data zien echter ouch consistent mit de veurspelling vaan ‘t gemengde model (beste MT; Figuur 1B), umtot aander neet gekarakteriseerde metaboliete mit oonbekinde verdeidigingsfuncties nog altied ‘n willekeurige Si-verdeiling kinne volge.
‘n Opmerkelik patroon wat weijer weurt vasgelag door dit oonderzeuk is tot vaan ‘t micro-evolutie niveau (ein plant en tabak populatie) tot ‘n groetere evolutionaire sjaol (nauw verwante tabaksoorte), versjillende niveaus vaan evolutionaire organisatie in de “beste verdeidiging” zien. D’r zien significante versjille in de capaciteite vaan herbivore. Moore et al. (20) en Kessler en Kalske (1) höbbe onaafhankelik veurgesjtèld um de drei functionele niveaus vaan biodiversiteit die oorsjprónkelik door Whittaker (50) woorte oondersjeie, um te zètte in de constitutieve en geïnduceerde tiedeleke veranderinge vaan chemische diversiteit; dees auteurs höbbe geine samegevattegheid. De procedures veur de groetsjalige metabolomgegevensverzameling besjrieve ouch neet wie de metabolische diversiteit op basis vaan dees gegeves kin were berekend. In dit oonderzeuk zulle kleine aanpassinge aon Whittaker’s functionele classificatie α-metabolische diversiteit besjouwe es de diversiteit vaan MS/MS spectra in ‘n bepaolde plant, en β-metabolische diversiteit es de basis intraspecifieke metabolisme vaan ‘n groep populaties Ruimte, en γ-metabolische diversiteit zal ‘n oetbreiing zien vaan de analyse vaan soortgelieke soorte.
‘t JA-signaal is essentieel veur ‘n breid scala aon metabolische reacties vaan herbivore. D’r is echter ‘n gebrek aon strenge kwantitatieve teste vaan de bijdrage vaan intraspecifieke regulering vaan JA-biosynthese aon de diversiteit vaan de metabolom, en of ‘t JA-signaal ‘n algemein plaots is veur stress-geïnduceerde metabolische diversificatie op ‘n hoegere macro-evolutionaire sjaol is nog steeds ongriepbaor. We hebbe geobserveerd dat de herbivore aard vaan Nepenthes herbivore metabolome specialisatie induceert en de variatie vaan metabolome specialisatie binne de populatie vaan Nicotiana-soorte en oonder nauw verwante Nicotiana-soorte systematisch positief gecorreleerd is mèt JA-signalering. Daoneve, es ‘t JA-signaal is verslechterd, zal de metabolische specificiteit geïnduceerd door ‘n inkel genotype herbivore weure geannuleerd (Figuur 3, C en E). Aongezeen de veranderinge in ‘t metabolische spectrum vaan de natuurlik verzwakde Nepenthes-populaties veurnaomelek kwantitatief zien, kinne de veranderinge in de metabolische β-diversiteit en -specificiteit in dees analyse groetendeils veroorzaak weure door de sterke excitatie vaan metaboliet-rieke verbindingscategorieje. Dees verbindingsklasse dominere ‘n deil vaan ‘t metaboloomprofiel en leie tot ‘n positieve correlatie mit JA-signale.
Umtot de biochemische mechanismes vaan de tabaksoorte die nauw verwant zien, hiel aanders zien, weure de metaboliete specifiek geïdentificeerd in ‘t kwalitatief aspèk, dus ‘t is mie analytisch. De verwèrking vaan ‘t gevaange stofwisselingsprofiel door de informatietheorie onthult tot herbivore inductie de kompromis tusse de metabolische gamma diversiteit en specialisatie verergert. ‘t JA-signaal sjpeelt ‘n centrale rol in deze kompromis. De touwnaome in de metabolomspecialisatie is consistent mit de hoof OD-veurspelling en is positief gecorreleerd mit ‘t JA-signaal, onderwieles dat ‘t JA-signaal negatief is gecorreleerd mit de metabolische gammadiversiteit. Dees modelle geve aon dat de OD-capaciteit vaan plante veural weurt bepaold door de plasticiteit vaan JA, of ‘t noe op ‘n micro-evolutionaire sjaol is of op ‘n groetere evolutionaire sjaol. Exogene JA-toepassingsexperimente die JA-biosynthesedefecte umgoon, laote weijer zien dat nauw verwante tabaksoorte kinne weure ondersjeie in signaal-responsieve en signaal-neet-responsieve soorte, zjus wie hun JA-modus en metabolomplasticiteit veroorzaak door herbivore. Signaal neet-responsieve soorte kinne neet reagere vaanwege hun onvermoge um endogene JA te producere en zien daorum oonderworpe aon fysiologische beperkinge. Dit kin weure veroorzaak door mutaties in sommige sleutelgene in de JA-signaleringsweeg (AOS en JAR4 in N. crescens) vaan. Dit resultaat benaodrök tot dees intersoorte macro-evolutionaire patroene veural gedreve kinne weure door veranderinge in interne hormoon perceptie en responsiviteit.
Neve de interactie tusse plante en herbivore, is de verkinning vaan metabolische diversiteit gerelateerd aon alle belangrieke theoretische veuroetgaank in ‘t oonderzeuk vaan biologische aonpassing aon ‘t milieu en de evolutie vaan complexe fenotypische kenmerke. Mit de touwnaome in de wieväölheid data die door moderne MS-instruminte weurt verworve, kin hypothese-teste euver metabolische diversiteit noe individuele/categorie-metabolieversjèlle euvertreffe en globale analyses oetveure um oonverwachde patroene aon te toene. In ‘t proces vaan groetsjalige analyse is ‘n belangrieke metafoor ‘t idee vaan ‘t bedinke vaan beteikenisvolle kaarte die kinne were gebruuk um data te verkinne. Daorum is ‘n belangriek resultaat vaan de huidige combinatie vaan onbeveuroordeilde MS/MS metabolomie en informatietheorie dat ‘t ‘n eenvoudige metriek lievert dee kin weure gebruuk um kaarte te make um de metabolische diversiteit op versjillende taxonomische sjaole te bekieke. Dit is de basisvereiste vaan dees methode. De studie vaan micro/macro evolutie en gemeinsjapsecologie.
Op macro-evolutionaire niveau is de kern vaan de co-evolutietheorie vaan plant-insecte vaan Ehrlich en Raven (51) um te veurspelle tot de variatie vaan de metabolische diversiteit tösse soorte de oerzaak is vaan de diversificatie vaan plantlijne. In de vieftig jaor sinds de publicatie vaan dit kernwerk is dees hypothese evels zelde getes (52). Dit kump veur ‘n groet deil door de fylogenetische eigensjappe vaan vergeliekbare metabolische eigensjappe in lange aofstand plante lijne. De zeldzaamheid kin weure gebruuk um doelanalysemethodes te ankere. De huidige MS/MS werkstroum verwerk door de informatietheorie kwantificeert de MS/MS structurele euvereinkoms vaan oonbekinde metaboliete (zónder veurafgaonde metaboliete selèctie) en zet dees MS/MS’s um in ‘n set vaan MS/MS, dus in professionele metabolisme Dees macro-evolutionaire modelle weure vergeleke op classificatiesjaol. Simpel statistische indicatore. ‘t Proces is vergeliekbaar mit fylogenetische analyse, welke sequentie-aofliening kin gebruuke um de snelheid vaan diversificatie of karakterevolutie te kwantificere zoonder veuraf te veurspelle.
Op biochemisch niveau, de screeninghypothese vaan Firn en Jones (53) toont dat de metabolische diversiteit op versjillende niveaus weurt gehandhaaf um ruwmateriaole te levere um de biologische activiteite vaan ieder neet gerelateerde of vervange metaboliete oet te oefene. Informatietheorie methodes beeje un raamwerk boe-in dees metaboliet-specifieke evolutionaire transities die plaotsvinde tijdens de metaboliet specialisatie kinne weure gekwantificeerd es oonderdeil vaan ‘t veurgestèlde evolutionaire screening proces: biologisch aktieve aonpassing vaan liege specificiteit tot hoege specificiteit Germde metaboliete vaan ‘n bepaolde umgeving.
Al met al woorte in de begintied vaan moleculaire biologie belangrieke theorieje euver plantverdeideging óntwikkeld en were deductieve hypotheses gedreve methodes gezeen es de innigste middel vaan weitesjappelike veuroetgaank. Dit is veur ‘n groet deil te wiete aon de technische beperkinge vaan ‘t mete vaan ‘t ganse metaboloom. Alhoewel hypothese-gedreve methodes veural nötteg zien bij ‘t keze vaan aander causale mechanismes, is hun vermoge um us begrip vaan biochemische netwerke te verbetere beperkder es de computasjonele methodes die noe besjikbaar zien in de hededaagse data-intensieve weitesjap. Daorum ligke theorieje die neet kinne were veurspeld wied boete de umvang vaan de besjikbare gegeves, dus kin de hypothetische formule/testcyclus vaan veuroetgaank in ‘t oonderzeuksveld neet weure aafgesjaft (4). Ver veurzeen dat de computasjonele werkstroum vaan metabolomie die hei weurt geïntroduceerd de belangstèlling veur de recente (wie) en finale (wiezoe) kwesties vaan metabolische diversiteit kin herwinne, en kin bijdrage aon ‘n nuuj tiedperk vaan theoretisch geleide dataweitesjap. ‘t tiedperk oonderzeukde de belaankrieke theorieje die veurege ginneraties inspireerde opnui.
Directe voeding vaan herbivore weurt oetgeveurd door ‘n twiede instarlarve of Sl-larve op ‘n inkele bleekkleurige pitcherplantblaad vaan ‘n inkele roosbloeijende plant te verhoege, mèt 10 plantreplica’s per plant. De insektelarve woorte mit klemme geklemd, en ‘t euvergebleve blaajerweefsel woort 24 en 72 oor nao infectie verzameld en snel bevrore, en de metaboliete woorte geëxtraheerd.
Simuleer herbivore behandeling op ‘n zeer gesynchroniseerde meneer. De methode is um wiele vaan stofpatroon te gebruke um drie rije doorne aon elke kant vaan de midderib vaan de drei volledig oetgebreide blaajer vaan de plant in de greujfase vaan de stofkrans te doorbore, en direk 1:5 Verdunte Ms aon te brenge. Of gebruuk mit handschoene vingers um S1 OS in de punctiewond te brènge. Oegs en verwerk ‘n blaajer zoe wie heibove besjreve. Gebruik de eerder besjreve methode um primaire metaboliete en planthormone te extrahere (54).
Veur exogene JA-toepassinge were de drie blaajerblaajer vaan eder vaan de zès bloeiende roosplante vaan eder soort behandeld mèt 20μl lanolinepasta mèt 150μg MeJA (Lan + MeJA) en 20μl lanoline plus wondbehandeling (Lan + W), of gebruuk 20μl pure lanoline es controle. De blaajer woorte 72 oor nao de behandeling geoegs, snel bevrore in vloeibaar stikstof en bewaord bij -80°C tot gebruuk.
Veer JA- en ET-transgene lijne, naomelek irAOC (36), irCOI1 (55), irACO en sETR1 (48), zien in ós oonderzeuksgroep geïdentificeerd. irAOC toonde sterk ‘n afname in JA- en JA-Ile-niveaus, onderwieles dat irCOI1 neet geveulig waor veur JA’s. In vergelieking mit EV, naom de JA-Ile-accumulatie touw. Op dezelfde meneer zal irACO de productie vaan ET vermindere, en in vergelieking mit EV, zal sETR1, wat neet geveulig is veur ET, de productie vaan ET vergroete.
‘n Fotoakoestische laserspectrometer (Sensor Sense ETD-300 real-time ET sensor) weurt gebruuk um ET-meting neet-invasief oet te veure. Direk nao de behandeling woort de helf vaan de blaajer gesnooje en euvergebrach nao ‘n 4-ml aafgeslote glaze fiol, en de hoofruimte kós zich binne 5 oor verzamele. Tijdens de meting woort eder flacon gedurende 8 minute gespoeld mit ‘n strouming vaan 2 liter/oer pure loch, dee eerder door ‘n kattalysator vaan Sensor Sense waor gegaange um CO2 en water te verwijdere.
De microarray-gegevens woorte oorsjprónkelik gepubliceerd in (35) en opgeslage in de National Center for Biotechnology Information (NCBI) Gene Expression Comprehensive Database (toegangsnummer GSE30287). De data die euvereinkomme mit de blaajer veroorzaak door de W + OSMs-behandeling en de onbesjadigde controle woorte veur dit oonderzeuk geëxtraheerd. De ruwe intensiteit is log2. Veur de statistische analyse woort de basislijn umgezat en genormaliseerd nao ‘t 75e percentiel mit behulp vaan ‘t R-softwarepakket.
De originele RNA-sequencing (RNA-seq) data vaan de Nicotiana-soorte woorte opgehaold oet de NCBI Short Reading Archives (SRA), ‘t projeknummer is PRJNA301787, wat door Zhou et al. is gerapporteerd. (39) en gaon door wie besjreve in (56). De ruwe data verwerk door W + W, W + OSM en W + OSS1 die euvereinkomme mit de Nicotiana-soorte woorte geselecteerd veur analyse in dit oonderzeuk, en verwerk op de volgende meneer: Iers woorte de ruwe RNA-seq-lezinge umgezat in FASTQ-formaat. HISAT2 zet FASTQ um in SAM, en SAMtools zet SAM-bestande um in gesorteerde BAM-bestanden. StringTie weurt gebruuk um genexpressie te berekene, en de expressiemethode is dat d’r fragminte per doezend basisfragminte per miljoen gesequentieerde transcriptiefragminte zien.
De Acclaim-chromatografische kolom (150 mm x 2,1 mm; deilkegrootte 2,2 μm) die in de analyse woort gebruuk en de 4 mm x 4 mm besjermingskolom zien oet ‘tzelfde materiaal. De volgende binaire gradiënt weurt gebruuk in ‘t Dionex UltiMate 3000 Ultra High Performance Liquid Chromatography (UHPLC) systeem: 0 tot 0,5 minute, isocratisch 90% A [deioniseerd water, 0,1% (v/v) acetonitrile en 0,05% mierzuur], 1% Acetonitrile en B 0,05% mierzuur); 0,5 tot 23,5 minute is de gradiëntfase 10% A en 90% B, respectievelik; 23,5 tot 25 minute, isocratisch 10% A en 90% B. De stromingssnelheid is 400μl/min. Veur alle MS-analyses, spuit ‘t kolom-eluent in ‘n quadrupole- en time-of-flight (qTOF)-analysator oetgerös mit ‘n elektrospraybron die in positieve ionisatiemodus wèrk (kapillaire spanning, 4500 V; capillaire oetlaot 130 V ; droogtemperatuur 200°C; drooglochstroum 10 seconde/liter).
Voer MS / MS fragmentanalyse oet (hie-nao MS / MS geneump) die irrelevant of neet te ondersjeije is vaan de data um structurele informatie te kriege euver ‘t algehele detecteerbare stofwisselingsprofiel. ‘t Concep vaan de indiscrimineerde MS/MS-methode is gebaseerd op ‘t feit dat de quadrupole ‘n hiel groet massa-isolatievenster heet [besjouw daorum alle massa-tot-laojingsratio (m/z)-signale es fragminte]. Um dees reie, umtot ‘t Impact II-instrumint neet in staot waor um ‘n CE-helling te creëre, woorte versjèllende onaafhankeleke analyses oetgeveurd mèt gebruuk vaan verhoogde bótsing-geïnduceerde dissociatie-botsingsenergie (CE)-waardes. Kort samegevat, analyseer ‘t monster iers door UHPLC-electrospray-ionisatie/qTOF-MS mit behulp vaan de single massspectrometrie-modus (lege fragmentatiecondities gegenereerd door in-source fragmentatie), door te scanne vaan m/z 50 tot 1500 mit ‘n herhaolingsfrequentie vaan 5 Hz. Gebruuk stikstof es bótsingsgaas veur MS/MS-analyse en voer onafhankelike metinge oet bie de volgende veer versjillende bótsing-geïnduceerde dissociatiespanninge: 20, 30, 40 en 50 eV. Tijdens ut meetproces heet de quadrupole ut groetste massa-isolatievenster, vaan m/z 50 tot 1500. Es ut m/z veur liechaam en isolatiebreidte-experiment op 200 is ingesjtèld, weurt ut massabereik automatisch geactiveerd door de bedieningssoftware vaan ut instrumint en 0 Da. Scan veur massafragminte zoe wie in de modus veur een massa. Gebruuk natriumformaat (50 ml isopropanol, 200 μl mierzuur en 1 ml 1M NaOH-waterige oplossing) veur massakalibrering. Mit behulp vaan ‘t hoegprecisie kalibratiealgoritme vaan Bruker weurt ‘t gegevensbestand gekalibreerd nao ‘t oetveure vaan ‘t gemiddelde spectrum in ‘n bepaolde tiedperk. Gebruik de exportfunctie vaan Data Analysis v4.0-software (Brook Dalton, Bremen, Duutsjland) um de ruwe databestande um te zette in ‘t NetCDF-formaat. De MS/MS-gegevensset is opgeslage in de ope metabolomische databank MetaboLights (www.ebi.ac.uk) mit ut touwtrejingsnummer. MTBLS1471.
MS/MS-assemblage kin were gerealiseerd door middel vaan correlatieanalyse tusse MS1 en MS/MS-kwaliteitssignale veur lieg en hoeg bótsingsenergie en nuuj geïmplementeerde regels. ‘t R-script weurt gebruuk um de correlatieanalyse vaan de verdeiling vaan de veurlouper vaan ‘t produk te realisere, en ‘t C#-script (https://github.com/MPI-DL/indiscriminant-MS-MS-assembly-pipeline) weurt gebruuk um de regels te implementere.
Um valse positieve foute veroorzaak door achtergroondruis en valse correlatie veroorzaak door ‘t detectere vaan bepaolde m/z-kenmerke in mer ‘n paar monsters te vermindere, gebruke veer de “gevulde piek”-functie vaan ‘t R-pakket XCMS (veur achtergroondruiscorrectie) Moot weure gebruuk um de “NA” (ongedetecteerde piek) intensiteit te vervange. Es de fill peakfunctie weurt gebruuk, zien d’r nog steeds väöl “0′′ intensiteitswaardes in de dataset die de correlatieberekening zulle beïnvleuje. Vervolgens vergelieke veer de dataverwerkingsresultate die zien verkrege es de filled peakfunctie weurt gebruuk en es de filled peakfunctie neet weurt gebruuk, en berekene veer de achtergroondruiswaarde op basis vaan de gemiddelde gecorrigeerde waarde, en vervange ver vervolgens dees 0′′ intensiteitswaarde beraekende achtergroondwaarde. We höbbe ouch allein kenmerke besjouwd boevaan de intensiteit drie keer de achtergroondwaarde euverschreeg en ze besjouwde es “echte pieke.” Veur PCC-berekeninge weure allein de m/z-signale vaan de steekproefprecursor (MS1) en fragmentgegevenssets mèt op z’n mins ach echte pieke in besjouwing genome.
Es de intensiteit vaan de precursorkwaliteitskenmerk in ‘t ganse steekproef significant gecorreleerd is mèt de verminderde intensiteit vaan ‘tzelfde kwaliteitskenmerk dat oonderworpe is aon liege of hoege bótsingsenergie, en ‘t kenmerk neet door CAMERA is gelabeld es ‘n isotooppiek, kin ‘t wijer weure gedefinieerd. Daonao, door alle meugelike precursor-produkparen binne 3 s (‘t gesjatte retentietiedvenster veur piek retentie) te beraekene, weurt de correlatieanalyse oetgeveurd. Allein es de m/z-waarde lieger is es de veurlouperwaarde en MS/MS-fragmentatie plaotsvindt op dezelfde steekproeflocatie in de gegevensset es de veurlouper boevaan ‘t is aafgeleid, weurt ‘t besjouwd es ‘n fragmint.
Op basis vaan dees twie eenvoudige regels, sjlaon veer de gespecificeerde fragminte oet mit m/z-waardes dee groeter zien es de m/z vaan de geïdentificeerde precursor, en op basis vaan de steekproefpositie boe de precursor versjient en ‘t gespecificeerde fragment. ‘t Is ouch meugelik um de kwaliteitskenmerke gegenereerd door väöl in-source fragminte gegenereerd in MS1-modus es kandidaat-precursore te selectere, boedoor redundante MS/MS-verbindinge weure gegenereerd. Um dees gegevensredundansie te vermindere, es de NDP-geliekenheid vaan de spectra 0,6 euversjrijf en ze behure tot de chromatogram “pcgroup” geannoteerd door CAMERA, zulle veer ze samevoge. Oeteindelik voege we alle veer CE-resultate die geassocieerd zien mit de precursor en fragminte same in ‘t finale gedeconvolueerde composietspectrum door de hoegste intensiteitspiek te selecteren vaan alle kandidaatpieke mit dezelfde m/z-waarde bij versjillende bótsingsenergieje. De dao-op volgende verwèrkingsstappe zien gebaseerd op ‘t concep vaan composietspectrum en hawwe rekening mèt de versjèllende CE-condities die nuudig zien um de kans op fragmentatie te maximalisere, umtot sommige fragminte allein kinne weure gedetecteerd oonder ‘n specifieke bótsingsenergie.
RDPI (30) woort gebruuk um de inducierbaarheid vaan ‘t metabolisch profiel te berekene. De metabolische spectrumdiversiteit (Hj-index) is aafgeleid vaan de euvervloed aan MS/MS-precursore met behulp vaan de Shannon-entropie vaan de MS/MS-frequentieverdeiling met behulp vaan de volgende vergelieking besjreve door Martínez et al. (8). Hj = −∑i = 1mPijlog2(Pij) boe bei Pij euvereinkeump mit de relatieve frequentie vaan de i-de MS/MS in ‘t j-de steekproef (j = 1, 2,…, m) (i = 1, 2, …, m) t).
Metabolische specificiteit (Si-index) weurt gedefinieerd es de expressieidentiteit vaan ‘n bepaolde MS/MS in relatie tot de frequentie tösse de beoordeilde monsters. MS/MS-specificiteit weurt berekend es Si = 1t (∑j = 1tPijPilog2PijPi)
Gebruik de volgende formule um de metabolom-specifieke δj-index vaan eder j-monster te mete, en ‘t gemiddelde vaan de MS/MS-specificiteit δj = ∑i = 1mPijSi
MS/MS-spectra zien in pare gelinieerd, en de euvereinkoms weurt beraekend op basis vaan de twie scores. Iers, mit behulp vaan standaard NDP (ouch bekind es cosinuscorrelatiemethode), gebruuk de volgende vergelieking um de segmenteuvereinkoms tusse spectra te score NDP = (∑iS1 & S2WS1, iWS2, i) 2∑iWS1, i2∑iWS2, i2 boebij S1 en S2 Euvereinkomstig, veur spectrum 1 en 2, ouch iWS, WS, i2 representeert ‘t gewiech gebaseerd op de piekintensiteit dat ‘t versjil vaan de i-de gemeinsjappeleke piek tösse de twie spectra kleiner is es 0,01 Da. ‘t Gewiech weurt als volg beraekend: W = [piekintensiteit] m [kwaliteit] n, m = 0,5, n = 2, zoe wie door MassBank gesuggereerd.
‘n Twiede scoringsmethode woort geïmplementeerd, die beteikende ‘t analysere vaan de gedeilde NL tösse MS/MS. Heiveur gebruukde veer de 52 NL-lies die dèks tegenkaome tijdens ‘t MS-fragmentatieproces same, en de mie specifieke NL (databestand S1) dee eerder is geannoteerd veur ‘t MS/MS-spectrum vaan de secundaire metaboliete vaan de verzwaakde Nepenthes-soort ( 9, 26). Maak ‘n binaire vector vaan 1 en 0 veur eder MS/MS, die euvereinkeump mèt de huidige en neet-bestaonde NL respectievelik. Op basis vaan de Euclideaonse aafsjtandsgeliekenheid weurt de NL-geliekenheidsscore beraekend veur eder paar binaire NL-vectore.
Um dubbele clustering oet te veure, gebruukde veer ‘t R-pakket DiffCoEx, wat gebaseerd is op ‘n oetbreijing vaan Weighted Gene Co-expression Analysis (WGCNA). Mit behulp vaan de NDP- en NL-scoringmatrices vaan MS/MS-spectra, gebruukde veer DiffCoEx um de vergeliekinde correlatiematrix te berekene. Binaire clustering weurt oetgeveurd door de parameter “cutreeDynamic” in te stèlle op method = “hybrid”, cutHeight = 0.9999, deepSplit = T en minClusterSize = 10. De R-broncode vaan DiffCoEx is gedownload vaan extra bestand 1 door Tesson et al. (57); ‘t Nuudige R WGCNA-softwarepakket is te vinde in https://horvath.genetics.ucla.edu/html/CoexpressionNetwork/Rpackages/WGCNA.
Um MS/MS moleculaire netwerkanalyse oet te veure, höbbe we gepaarde spectrale connectiviteit beraekend op basis vaan NDP- en NL-geliekenheidstypes, en gebruukde we Cytoscape-software um netwerktopologie te visualisere mit behulp vaan organische indeiling in de CyFilescape yFiles indeilingalgoritme oetbreijingstoepassing.
Gebruik R versie 3.0.1 um statistische analyse vaan de data oet te veure. Statistische significatie woort beoordeild mit behulp vaan twie-weg analyse vaan variantie (ANOVA), gevolg door Tukey’s honestly significant difference (HSD) post-hoc test. Um ‘t versjil tösse de herbivore behandeling en de controle te analysere, woort de twie-sjtartige verdeiling vaan de twie gróppe monsters mèt dezelfde variantie geanalyseerd mèt behölp vaan Student’s t-test.
Veur aanvullende materiaal veur dit artikel, zuug http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/24/eaaz0381/DC1
Dit is un open touwgaank artikel verspreid oonder de veurwaardes vaan de Creative Commons Attribution-Non-Commercial License, die ‘t gebruuk, verspreiding en reproductie in eder medium meugelek maak, zolaank ‘t oeteindelek gebruuk neet veur commercieel gewin is en ‘t oetgangspunt is dat ‘t orzjineel werk korrek is. Referens.
Opmerking: Ver vraoge uuch allein um eur e-mailadres op te geve zodet de persoen dee geer aon de pagina aanbeveelt weit dat geer de e-mail wilt zeen en dat ‘t gein spam is. We zulle gein e-mailadresse vastlègke.
Deze vraog weurt gebruuk um te teste of geer un bezeuker zit en um automatische spam-inzending te veurkómme.
Informatie theorie gief ‘n universele valuta veur de vergelieking vaan speciale metabolome en de veurspelling vaan test defensie theorieje.
Informatie theorie gief ‘n universele valuta veur de vergelieking vaan speciale metabolome en de veurspelling vaan test defensie theorieje.
©2021 Amerikaanse Vereineging veur de Veuroetgaank vaan de Wetensjap. alle rechte veurbehawwe. AAAS is un partner vaan HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef en COUNTER. ScienceAdvances ISSN 2375-2548.