Новый метод неинвазивной магнитно-резонансной томографии растений

Метаболом — совокупность всех малых молекул (метаболитов) в биологической клетке, ткани или организме — очень динамичен, в отличие от статичного генома. В биомедицине для in vivo метаболических исследований мощным инструментом является магнитно-резонансная томография (МРТ). В науке о растениях подобный подход долгое время оставался неразработанным.

Новый метод для исследований растений

Учёные из Вюрцбургского университета им. Юлиуса и Максимилиана (JMU) и Института генетики растений и исследований культурных растений им. Лейбница (IPK) представили новый метод для МРТ растений — chemical exchange saturation transfer (CEST). Он позволяет неинвазивно изучать метаболизм сахаров и аминокислот в сложных органах-поглотителях (семенах, плодах, корнеплодах, клубнях) у основных сельскохозяйственных культур (кукурузы, ячменя, гороха, картофеля, сахарной свёклы и сахарного тростника). Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Как работает CEST

Обычная ¹H МРТ биологических тканей опирается на сигналы от протонов воды или липидов. Поскольку концентрация протонов метаболитов как минимум на три порядка ниже, для их in vivo детекции требуется эффективное подавление сигнала воды.

Метод CEST, применяемый в биомедицине, предлагает решение. В нём намагниченность передаётся от других молекул к молекулам воды, так что эффект насыщения (снижения сигнала), изначально направленный на целевые соединения, можно наблюдать на воде.

"Таким образом, CEST позволяет детектировать различные метаболиты на основе их способности обмениваться протонами с водой, обеспечивая дополнительный контраст для МРТ", — объясняет Сайон Майер, первый автор исследования. — "Благодаря высокой чувствительности и низкой восприимчивости к неоднородностям магнитного поля, CEST анализирует гетерогенные ботанические образцы, недоступные для обычной магнитно-резонансной спектроскопии."

Результаты и перспективы

Исследования показали, что CEST — мощный подход МРТ, который облегчает in vivo метаболический анализ в растениях, позволяя достичь микроскопического разрешения и динамической оценки распределения сахаров и аминокислот, несмотря на магнитную неоднородность образцов.

"Применение CEST к различным культурам демонстрирует, что это вид-, сорт- и орган-независимый подход для неинвазивной визуализации метаболитов без необходимости предварительного мечения или обработки образцов", — говорит д-р Людмила Борисюк.

Метод позволил команде показать динамику метаболитов в растущих семенах, что невозможно с помощью обычных техник. Знание пространственно-временной динамики сахаров и аминокислот в органах-поглотителях крайне важно для селекционеров, так как их распределение влияет на массоперенос и метаболизм, что в конечном итоге способствует улучшению урожая.

CEST открывает беспрецедентные возможности для мониторинга динамических изменений метаболитов в живых растениях, что важно для более глубокого понимания формирования признаков и поддержки селекционных исследований путём in vivo тестирования метаболических реакций на генетическую модификацию и/или изменения в развитии.