Pflanzen modulieren die Akkumulation von Metaboliten auf Organebene

Anonim

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena und der Universität Heidelberg beleuchteten die Vielfalt und unterschiedliche Akkumulation chemischer Substanzen in den Geweben der ökologischen Modellpflanze Nicotiana attenuat a. Für ihre Ergebnisse verwendeten sie Computational Metabolomics und Informationstheorie. Dieser Ansatz wurde speziell für diese Studie entwickelt und ermöglichte den Forschern, den Pflanzenstoffwechsel auf der Ebene einzelner Organe zu untersuchen. Diese neue Methode ermöglicht einen effizienteren Zugang zu der Diversität von Pflanzenmetaboliten und eine schnellere Identifizierung der Gene, die ihre Biosynthese regulieren.

Pflanzen sind organische Chemiker. Sie sind in der Lage, sehr komplexe Mischungen verschiedener chemischer Substanzen herzustellen. Die Biosynthese und die Akkumulation von pflanzlichen Sekundärmetaboliten sind physiologisch auf die individuellen Anforderungen in den jeweiligen Pflanzengeweben abgestimmt. Ein Wissenschaftlerteam um Emmanuel Gaquerel von der Universität Heidelberg und Ian Baldwin vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie hat nun das Metabolom, den gesamten Chemikalienbestand, in den Geweben der ökologischen Modellpflanze Nicotiana attenuata analysiert.

Folgende Fragen waren von zentralem Interesse: Welche Pflanzengewebe weisen unterschiedliche metabolische Profile auf, welche pflanzlichen Sekundärmetaboliten werden primär lokal in den Geweben bestimmter Organe akkumuliert, und schließlich, wie können diese Informationen zur Identifizierung der Gene beitragen, die die Metabolitenproduktion regulieren?

Um diese Fragen zu beantworten, nutzten die Forscher das aufkommende Forschungsgebiet der Metabolomik und entwickelten neue Berechnungsmethoden für die Bewertung von analytischen Daten, die aus den massenspektrometrischen Substanzanalysen gewonnen wurden. Ziel der Metabolomforschung ist es, die Gesamtheit der Metaboliten eines Organismus und deren Wechselwirkungen zu identifizieren und zu quantifizieren. "Wir haben einen Workflow implementiert, der es ermöglicht, Metabolitenspektren schnell aufeinander abzustimmen, um Vorhersagen über die Metabolitenidentität zu treffen", erklärt Emmanuel Gaquerel. "Computational Metabolomics umfasst alle bioinformatischen Ansätze, die computergestützte Rückschlüsse auf die Annotation unbekannter Metaboliten aus komplexen Metabolomikdaten ermöglichen."

Für ihre Studie analysierten die Wissenschaftler die metabolischen Profile von 14 verschiedenen zerlegten Geweben von Tabakpflanzen, wie den Blütenorganen, dem Stamm, Blättern, Samen und Wurzeln. "Wir hatten erwartet, dass sich die Stoffwechselprofile von Blütenorganen signifikant von anderen Pflanzenteilen unterscheiden würden. Es gab aber auch erhebliche Unterschiede zwischen den einzelnen Blütenorganen. Der sehr hohe Grad an Metabolisierung, den wir bei den Antheren der Tabakblüten fanden, kam als besondere Überraschung ", berichtet Dapeng Li, Erstautor der Studie und Doktorand am Max-Planck-Institut. Die Antheren gehören zu den Staubblättern, die als männliche Teile einer Blume gelten. Sie enthalten die Pollensäcke, in denen Pollen produziert wird. Antheren enthalten bestimmte phenolische Derivate, die in früheren Studien auch im Pollenmantel gefunden wurden. Die Biosynthese dieser Phenolderivate und deren Anhäufung in den Antheren tragen wesentlich zum einzigartigen metabolischen Profil der männlichen Reproduktionsorgane bei.

Die Anwendung von Werkzeugen und Konzepten, die auf informationstheoretischen Ansätzen basieren, um metabolische Diversität zu bewerten, ermöglichte neue Einblicke in die Funktion einzelner Substanzen in dieser Studie. Der Schlüsselgedanke ist, Gewebe-Diversität als eine Art von Information zu betrachten, die wie jede andere auch statistisch analysiert werden kann. Um die Stoffwechselfunktion mit einzelnen Genen zu verknüpfen, entwickelten die Wissenschaftler einen Atlas von Genen und Sekundärmetaboliten, die ähnliche Aktivierungsmuster in den verschiedenen Geweben von Tabakpflanzen aufweisen. Anhand dieser Muster konnten sie Kandidatengene identifizieren, die für die Regulation der Biosynthese von ökologisch wichtigen Sekundärmetaboliten verantwortlich sein könnten. Insbesondere in Bezug auf Metaboliten, deren Biosynthese noch nicht aufgeklärt ist, hat dieser neue Ansatz ein richtungsweisendes Potenzial und wird wesentlich zur weiteren Erforschung des Pflanzenstoffwechsels beitragen.

Ian Baldwin, Direktor der Abteilung für Molekulare Ökologie am Jenaer Max-Planck-Institut, trug wesentlich dazu bei, dass Nicotiana attenuata zu einem wichtigen Modellorganismus für das Studium der Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und ihrer Umwelt geworden ist. "Pflanzen modulieren ihre Anhäufungen von Metaboliten auf Gewebe- / Organebene auf sehr raffinierte Weise. Es ist von zentraler Bedeutung, wie dies erreicht wird, wenn wir verstehen wollen, wie Pflanzen in der Natur überleben", fasst Baldwin die Ergebnisse der neuen Studie zusammen. (AO / KG)

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