Растения модулируют накопление метаболитов на уровне органов

Учёные из Института химической экологии Макса Планка в Йене и Гейдельбергского университета (Германия) исследовали разнообразие и различное накопление химических веществ в тканях экологической модельной растения Nicotiana attenuata. Для своих результатов они использовали вычислительную метаболомику и теорию информации. Этот подход был специально разработан для данного исследования и позволил учёным изучать метаболизм растения на уровне отдельных органов. Новый метод обеспечивает более эффективный доступ к разнообразию растительных метаболитов и более быстрое выявление генов, регулирующих их биосинтез.

Растения — мастера органической химии, способные производить сложные смеси различных химических веществ. Биосинтез и накопление вторичных метаболитов растений физиологически адаптированы к индивидуальным потребностям в соответствующих тканях. Команда учёных под руководством Эммануэля Гакереля и Яна Болдуина проанализировала метаболом (полный набор химических веществ) в тканях Nicotiana attenuata.

Ключевые вопросы исследования:

• Какие ткани растений демонстрируют различные метаболические профили?
• Какие вторичные метаболиты в основном накапливаются локально в тканях определённых органов?
• Как эта информация может способствовать идентификации генов, регулирующих производство метаболитов?

Для ответа на эти вопросы исследователи использовали метаболомику и разработали новые вычислительные методы для оценки аналитических данных, полученных с помощью масс-спектрометрического анализа веществ. Цель — идентификация и количественная оценка всех метаболитов организма и их взаимодействий.

«Мы внедрили рабочий процесс, позволяющий быстро выравнивать спектры метаболитов, чтобы делать прогнозы об их идентичности, — объясняет Эммануэль Гакерель. — Вычислительная метаболомика охватывает все биоинформатические подходы, которые облегчают компьютерные выводы об аннотации неизвестных метаболитов из крупномасштабных сложных метаболомных данных».

Учёные проанализировали метаболические профили 14 различных тканей табака, включая цветочные органы, стебель, листья, семена и корни.

«Мы ожидали, что метаболические профили цветочных органов будут значительно отличаться от других частей растения. Однако были также существенные различия между отдельными цветочными органами. Особой неожиданностью стала очень высокая степень метаболической специализации, которую мы обнаружили в пыльниках цветков табака», — сообщает первый автор исследования Дапэн Ли.

Пыльники относятся к тычинкам — мужским частям цветка. Они содержат пыльцевые мешки, в которых производится пыльца. Пыльники содержат специфические фенольные производные, также обнаруженные в предыдущих исследованиях в пыльцевом покрытии. Биосинтез этих производных и их накопление в пыльниках вносят существенный вклад в уникальный метаболический профиль мужских репродуктивных органов.

Применение инструментов и концепций, основанных на подходах теории информации, для оценки метаболического разнообразия позволило получить новые представления о функции отдельных веществ. Ключевая идея — рассматривать тканевое метаболическое разнообразие как тип информации, который можно статистически анализировать.

Для связи метаболической функции с отдельными генами учёные разработали атлас генов и вторичных метаболитов, которые имеют сходные паттерны активации в различных тканях табака. На основе этих паттернов они смогли идентифицировать гены-кандидаты, которые могут быть ответственны за регуляцию биосинтеза экологически важных вторичных метаболитов. Этот новый подход имеет особый потенциал для метаболитов, чей биосинтез ещё не изучен.

«Растения очень сложным образом модулируют накопление метаболитов на уровне тканей/органов. Выяснение того, как это достигается, имеет центральное значение для понимания того, как растения выживают в природе», — резюмирует Ян Болдуин.