Diferents teories de defensa de les plantes proporcionen una guia teòrica important per explicar els patrons del metabolisme especialitzat de les plantes, però les seves prediccions clau encara s'han de comprovar. Aquí, hem utilitzat una anàlisi d'espectrometria de masses en tàndem (MS/MS) imparcial per explorar sistemàticament el metaboloma de soques atenuades de tabac des de plantes individuals fins a poblacions i espècies estretament relacionades, i hem processat un gran nombre de teories de característiques espectrometriques de masses basades en espectres compostos de la informació. Marc per provar les prediccions clau de les teories de defensa òptima (DO) i d'objectius mòbils (MT). El component d'informació de la metabolòmica vegetal és coherent amb la teoria de la DO, però contradiu la predicció principal de la teoria de la MT sobre la dinàmica metabolòmica causada pels herbívors. Des de l'escala evolutiva micro fins a la macro, el senyal de jasmonat es va identificar com el principal determinant de la DO, mentre que el senyal d'etilè va proporcionar un ajust fi de la resposta específica de l'herbivor anotada per la xarxa molecular MS/MS.
Els metabòlits especials amb estructures diverses són els principals participants en l'adaptació de les plantes al medi ambient, especialment en la defensa dels enemics (1). La sorprenent diversificació del metabolisme especial que es troba a les plantes ha estimulat dècades d'investigació en profunditat sobre els seus molts aspectes de les funcions ecològiques, i ha format una llarga llista de teories de defensa de les plantes, que són el desenvolupament evolutiu i ecològic de les interaccions planta-insecte. La investigació empírica proporciona una guia important (2). Tanmateix, aquestes teories de defensa de les plantes no van seguir el camí normatiu del raonament deductiu hipotètic, en què les prediccions clau estaven al mateix nivell d'anàlisi (3) i es van provar experimentalment per avançar en el següent cicle de desenvolupament teòric (4). Les limitacions tècniques restringeixen la recopilació de dades a categories metabòliques específiques i exclouen l'anàlisi exhaustiva de metabòlits especialitzats, impedint així les comparacions entre categories que són essencials per al desenvolupament teòric (5). La manca de dades metabolòmiques completes i d'una moneda comuna per comparar el flux de treball de processament de l'espai metabòlic entre diferents grups de plantes dificulta la maduresa científica del camp.
Els darrers desenvolupaments en el camp de la metabolòmica per espectrometria de masses en tàndem (MS/MS) poden caracteritzar de manera exhaustiva els canvis metabòlics dins i entre espècies d'un clade de sistema determinat, i es poden combinar amb mètodes computacionals per calcular la similitud estructural entre aquestes mescles complexes. Coneixements previs de química (5). La combinació de tecnologies avançades en anàlisi i computació proporciona un marc necessari per a les proves a llarg termini de moltes prediccions fetes per les teories ecològiques i evolutives de la diversitat metabòlica. Shannon (6) va introduir la teoria de la informació per primera vegada en el seu article seminal el 1948, establint les bases per a l'anàlisi matemàtica de la informació, que s'ha utilitzat en molts camps diferents de la seva aplicació original. En genòmica, la teoria de la informació s'ha aplicat amb èxit per quantificar la informació conservativa de seqüències (7). En la investigació transcriptòmica, la teoria de la informació analitza els canvis generals en el transcriptoma (8). En investigacions anteriors, vam aplicar el marc estadístic de la teoria de la informació a la metabolòmica per descriure l'expertesa metabòlica del nivell tissular en les plantes (9). Aquí, combinem el flux de treball basat en MS/MS amb el marc estadístic de la teoria de la informació, caracteritzat per la diversitat metabòlica en la moneda comuna, per comparar les prediccions clau de la teoria de defensa vegetal del metaboloma induït pels herbívors.
Els marcs teòrics de la defensa de les plantes solen ser mútuament inclusius i es poden dividir en dues categories: aquells que intenten explicar la distribució de metabòlits específics de les plantes basant-se en funcions de defensa, com ara la defensa òptima (DO) (10), la teoria de l'objectiu mòbil (MT) (11) i l'aparició (12), mentre que d'altres busquen explicacions mecàniques de com els canvis en la disponibilitat de recursos afecten el creixement de les plantes i l'acumulació de metabòlits especialitzats, com ara la hipòtesi del carboni: balanç de nutrients (13), la hipòtesi de la taxa de creixement (14) i la hipòtesi de l'equilibri de creixement i diferenciació (15). Els dos conjunts de teories es troben en diferents nivells d'anàlisi (4). Tanmateix, dues teories que impliquen funcions defensives a nivell funcional dominen la conversa sobre les defenses constitutives i induïbles de les plantes: la teoria DO, que assumeix que les plantes inverteixen en les seves costoses defenses químiques només quan cal, per exemple, quan s'ingereixen. Quan un animal d'herba ataca, per tant, segons la possibilitat d'un atac futur, s'assigna el compost amb una funció defensiva (10); La hipòtesi MT proposa que no hi ha cap eix de canvi direccional del metabòlit, sinó que el metabòlit canvia aleatòriament, creant així la possibilitat d'obstruir el "moviment objectiu" metabòlic dels herbívors atacants. En altres paraules, aquestes dues teories fan prediccions oposades sobre la remodelació metabòlica que es produeix després de l'atac dels herbívors: la relació entre l'acumulació unidireccional de metabòlits amb funció defensiva (DO) i els canvis metabòlics no dirigits (MT) (11).
Les hipòtesis OD i MT impliquen no només els canvis induïts en el metaboloma, sinó també les conseqüències ecològiques i evolutives de l'acumulació d'aquests metabòlits, com ara els costos i beneficis adaptatius d'aquests canvis metabòlics en un entorn ecològic específic (16). Tot i que ambdues hipòtesis reconeixen la funció defensiva dels metabòlits especialitzats, que poden ser o no cars, la predicció clau que distingeix les hipòtesis OD i MT rau en la direccionalitat dels canvis metabòlics induïts. La predicció de la teoria OD ha rebut la major atenció experimental fins ara. Aquestes proves inclouen l'estudi de les funcions de defensa directa o indirecta de diferents teixits de compostos específics en hivernacles i condicions naturals, així com els canvis en l'etapa de desenvolupament de les plantes (17-19). Tanmateix, fins ara, a causa de la manca d'un flux de treball i un marc estadístic per a una anàlisi global completa de la diversitat metabòlica de qualsevol organisme, la principal diferència de predicció entre les dues teories (és a dir, la direcció dels canvis metabòlics) encara s'ha de provar. Aquí, proporcionem aquesta anàlisi.
Una de les característiques més significatives dels metabòlits específics de les plantes és la seva extrema diversitat estructural a tots els nivells, des de plantes individuals i poblacions fins a espècies similars (20). Es poden observar molts canvis quantitatius en els metabòlits especialitzats a escala de població, mentre que normalment es mantenen fortes diferències qualitatives a nivell d'espècie (20). Per tant, la diversitat metabòlica de les plantes és l'aspecte principal de la diversitat funcional, reflectint l'adaptabilitat a diferents nínxols, especialment aquells nínxols amb diferents possibilitats d'invasió per part d'insectes especials i herbívors comuns (21). Des de l'article innovador de Fraenkel (22) sobre les raons de l'existència de metabòlits específics de les plantes, les interaccions amb diversos insectes s'han considerat importants pressions de selecció, i es creu que aquestes interaccions han donat forma a les plantes durant l'evolució. Via metabòlica (23). Les diferències interespecífiques en la diversitat de metabòlits especialitzats també poden reflectir l'equilibri fisiològic associat a la defensa constitutiva i induïble de les plantes contra les estratègies herbívores, ja que les dues espècies sovint estan correlacionades negativament entre si (24). Tot i que pot ser beneficiós mantenir una bona defensa en tot moment, els canvis metabòlics oportuns associats a la defensa proporcionen beneficis clars en permetre a les plantes assignar recursos valuosos a altres inversions fisiològiques (19, 24) i evitar la necessitat de simbiosi. Danys col·laterals (25). A més, aquestes reorganitzacions de metabòlits especialitzats causades per insectes herbívors poden conduir a una distribució destructiva a la població (26) i poden reflectir lectures directes de canvis naturals substancials en el senyal d'àcid jasmònic (JA), que es pot mantenir a la població. Els senyals JA alts i baixos són compensacions entre la defensa contra els herbívors i la competència amb espècies específiques (27). A més, les vies biosintètiques de metabòlits especialitzats experimentaran una ràpida pèrdua i transformació durant l'evolució, donant lloc a una distribució metabòlica irregular entre espècies estretament relacionades (28). Aquests polimorfismes es poden establir ràpidament en resposta als patrons canviants dels herbívors (29), la qual cosa significa que la fluctuació de les comunitats d'herbivors és un factor clau que impulsa l'heterogeneïtat metabòlica.
Aquí, hem resolt específicament els següents problemes. (I) Com reconfigura l'insecte herbívor el metaboloma de la planta? (Ii) Quins són els principals components d'informació de la plasticitat metabòlica que es poden quantificar per provar les prediccions de la teoria de defensa a llarg termini? (Iii) Si cal reprogramar el metaboloma de la planta d'una manera única per a l'atacant, si és així, quin paper juga l'hormona vegetal en l'adaptació d'una resposta metabòlica específica i quins metabòlits contribueixen a l'especificitat d'espècie de la defensa? (Iv) Atès que les prediccions fetes per moltes teories de defensa es poden estendre a tots els nivells dels teixits biològics, ens hem preguntat com de consistent és la resposta metabòlica causada des de la comparació interna fins a la comparació interespecífica? Amb aquesta finalitat, hem estudiat sistemàticament el metaboloma foliar de la nicotina del tabac, que és una planta model ecològica amb un metabolisme ric i especialitzat, i és eficaç contra les larves de dos herbívors nadius, Lepidoptera Datura (Ms) (molt agressiu, principalment menjat). En Solanaceae i Spodoptera littoralis (Sl), els cucs de les fulles del cotó són una mena de "gènere", amb les plantes hostes de Solanaceae i altres hostes d'altres gèneres i famílies Plant food. Hem analitzat l'espectre metabolòmic MS/MS i hem extret descriptors estadístics de la teoria de la informació per comparar les teories OD i MT. Hem creat mapes d'especificitat per revelar la identitat dels metabòlits clau. L'anàlisi es va ampliar a la població nativa de N. nasi i espècies de tabac estretament relacionades per analitzar més a fons la covariància entre la senyalització d'hormones vegetals i la inducció d'OD.
Per tal de capturar un mapa general sobre la plasticitat i l'estructura del metaboloma de les fulles del tabac herbívor, vam utilitzar un flux de treball d'anàlisi i càlcul desenvolupat prèviament per recopilar i deconvolucionar de manera exhaustiva espectres MS/MS independents de dades d'alta resolució a partir d'extractes de plantes (9). Aquest mètode indiferenciat (anomenat MS/MS) pot construir espectres de compostos no redundants, que després es poden utilitzar per a totes les anàlisis a nivell de compost descrites aquí. Aquests metabòlits vegetals deconvolucionats són de diversos tipus, que consisteixen en centenars o milers de metabòlits (uns 500-1000 s/MS/MS aquí). Aquí, considerem la plasticitat metabòlica en el marc de la teoria de la informació i quantifiquem la diversitat i la professionalitat del metaboloma basant-nos en l'entropia de Shannon de la distribució de freqüències metabòliques. Utilitzant la fórmula implementada prèviament (8), vam calcular un conjunt d'indicadors que es poden utilitzar per quantificar la diversitat del metaboloma (indicador Hj), l'especialització del perfil metabòlic (indicador δj) i l'especificitat metabòlica d'un sol metabòlit (indicador Si). A més, vam aplicar l'Índex de Plasticitat de Distància Relativa (RDPI) per quantificar la inductibilitat del metaboloma dels herbívors (Figura 1A) (30). Dins d'aquest marc estadístic, tractem l'espectre MS/MS com la unitat d'informació bàsica i processem l'abundància relativa de MS/MS en un mapa de distribució de freqüències, i després utilitzem l'entropia de Shannon per estimar la diversitat del metaboloma a partir d'aquest. L'especialització del metaboloma es mesura per l'especificitat mitjana d'un sol espectre MS/MS. Per tant, l'augment de l'abundància d'algunes classes de MS/MS després de la inducció d'herbivors es transforma en inductibilitat espectral, RDPI i especialització, és a dir, l'augment de l'índex δj, perquè es produeixen metabòlits més especialitzats i es produeix un índex de Si alt. La disminució de l'índex de diversitat Hj reflecteix que o bé es redueix el nombre de MS/MS generats, o bé la distribució de freqüències del perfil canvia en una direcció menys uniforme, alhora que redueix la seva incertesa general. Mitjançant el càlcul de l'índex Si, és possible destacar quins MS/MS són induïts per certs herbívors, al contrari, quins MS/MS no responen a la inducció, la qual cosa és un indicador clau per distingir la predicció de MT i OD.
(A) Descriptors estadístics utilitzats per a la inductibilitat de dades (RDPI), la diversitat (índex Hj), l'especialització (índex δj) i l'especificitat dels metabòlits (índex Si) d'herbivors (H1 a Hx). Un augment del grau d'especialització (δj) indica que, de mitjana, es produiran més metabòlits específics d'herbivors, mentre que una disminució de la diversitat (Hj) indica una disminució de la producció de metabòlits o una distribució desigual dels metabòlits al mapa de distribució. El valor de Si avalua si el metabòlit és específic d'una condició determinada (aquí, herbivor) o, a l'inrevés, es manté al mateix nivell. (B) Diagrama conceptual de la predicció de la teoria de defensa mitjançant l'eix de la teoria de la informació. La teoria OD prediu que l'atac dels herbívors augmentarà els metabòlits de defensa, augmentant així δj. Al mateix temps, Hj disminueix perquè el perfil es reorganitza cap a la reducció de la incertesa de la informació metabòlica. La teoria MT prediu que l'atac dels herbívors causarà canvis no direccionals en el metaboloma, augmentant així Hj com a indicador d'una major incertesa de la informació metabòlica i provocant una distribució aleatòria de Si. També vam proposar un model mixt, el millor MT, en què alguns metabòlits amb valors defensius més alts es veuran particularment incrementats (valor de Si alt), mentre que d'altres presenten respostes aleatòries (valor de Si més baix).
Utilitzant descriptors de la teoria de la informació, interpretem la teoria OD per predir que els canvis en metabòlits especials induïts per herbívors en un estat constitutiu no induït conduiran a (i) un augment de l'especificitat metabòlica (índex Si) que impulsarà l'especificitat metabòmica (índex δj). L'augment de) certs grups de metabòlits especials amb un valor de defensa més alt, i (ii) la disminució de la diversitat del metaboloma (índex Hj) a causa del canvi de la distribució de freqüència metabòlica a una distribució corporal més abundant en leptina. A nivell d'un sol metabòlit, s'espera una distribució ordenada de Si, on el metabòlit augmentarà el valor de Si segons el seu valor de defensa (Figura 1B). En aquesta línia, expliquem la teoria MT per predir que l'excitació conduirà a (i) canvis no direccionals en els metabòlits que resultaran en una disminució de l'índex δj, i (ii) un augment de l'índex Hj a causa d'un augment de la incertesa metabòlica. O aleatorietat, que es pot quantificar mitjançant l'entropia de Shannon en forma de diversitat generalitzada. Pel que fa a la composició metabòlica, la teoria MT predirà la distribució aleatòria de Si. Tenint en compte que certs metabòlits es troben en condicions específiques, i altres no, i el seu valor de defensa depèn de l'entorn, també hem proposat un model de defensa mixt, en què δj i Hj es distribueixen en dos al llarg de Si. Augmenten en totes direccions; només certs grups de metabòlits, que tenen valors de defensa més alts, augmentaran particularment el Si, mentre que altres tindran una distribució aleatòria (Figura 1B).
Per tal de provar la predicció de la teoria de defensa redefinida en l'eix del descriptor de la teoria de la informació, vam obtenir larves d'herbivors experts (Ms) o generalistes (Sl) a les fulles de Nepenthes pallens (Figura 2A). Mitjançant l'anàlisi MS/MS, vam recuperar 599 espectres MS/MS no redundants (fitxer de dades S1) d'extractes de metanol de teixit foliar recollit després de l'alimentació de l'eruga. L'ús d'índexs RDPI, Hj i δj per visualitzar la reconfiguració del contingut d'informació en fitxers de configuració MS/MS revela patrons interessants (Figura 2B). La tendència general és que, tal com descriu el descriptor d'informació, a mesura que les erugues continuen menjant fulles, el grau de tota la reorganització metabòlica augmenta amb el temps: 72 hores després que l'herbivor mengi, l'RDPI augmenta significativament. En comparació amb el control no danyat, Hj es va reduir significativament, cosa que es va deure a l'augment del grau d'especialització del perfil metabòlic, que es va quantificar mitjançant l'índex δj. Aquesta tendència aparent és coherent amb les prediccions de la teoria OD, però és inconsistent amb les principals prediccions de la teoria MT, que creu que els canvis aleatoris (no direccionals) en els nivells de metabòlits s'utilitzen com a camuflatge defensiu (Figura 1B). Tot i que el contingut d'elicitors de la secreció oral (OS) i el comportament alimentari d'aquests dos herbívors són diferents, la seva alimentació directa va provocar canvis similars en les direccions de Hj i δj durant els períodes de collita de 24 hores i 72 hores. L'única diferència es va produir a les 72 hores de RDPI. En comparació amb el causat per l'alimentació amb Ms, el metabolisme general induït per l'alimentació amb Sl va ser més alt.
(A) Disseny experimental: els herbívors porcs comuns (S1) o experts (Ms) s'alimenten amb fulles dessalinitzades de plantes de gerra, mentre que per a l'herbivorisme simulat, l'OS de Ms (W + OSMs) s'utilitza per gestionar la punció de la ferida de posicions estandarditzades de les fulles. S1 (W + OSSl) larves o aigua (W + W). El control (C) és una fulla no danyada. (B) Índex d'inductibilitat (RDPI comparat amb el gràfic de control), diversitat (índex Hj) i especialització (índex δj) calculats per al mapa de metabòlits especials (599 MS/MS; fitxer de dades S1). Els asteriscs indiquen diferències significatives entre l'alimentació directa amb herbívors i el grup de control (prova t de Student amb prova t aparellada, *P<0,05 i ***P<0,001). ns, no important. (C) Índex de resolució temporal de l'espectre de metabòlits principals (caixa blava, aminoàcid, àcid orgànic i sucre; fitxer de dades S2) i especial (caixa vermella 443 MS/MS; fitxer de dades S1) després d'un tractament d'herbivorisme simulat. La banda de color fa referència a l'interval de confiança del 95%. L'asterisc indica la diferència significativa entre el tractament i el control [anàlisi quadràtica de la variància (ANOVA), seguida de la diferència honestament significativa de Tukey (HSD) per a comparacions múltiples post hoc, *P<0,05, **P<0,01 i *** P<0,001]. (D) Especialització dels diagrames de dispersió i perfils especials de metabòlits (mostres repetides amb diferents tractaments).
Per explorar si la remodelació induïda pels herbívors a nivell del metaboloma es reflecteix en els canvis en el nivell de metabòlits individuals, primer ens vam centrar en els metabòlits estudiats prèviament a les fulles de Nepenthes pallens amb resistència demostrada als herbívors. Les amides fenòliques són conjugats d'hidroxicinamamida-poliamina que s'acumulen durant el procés d'herbivorisme dels insectes i se sap que redueixen el rendiment dels insectes (32). Vam buscar els precursors del MS/MS corresponent i vam representar les seves corbes cinètiques acumulatives (Figura S1). Com era d'esperar, els derivats del fenol que no estan directament implicats en la defensa contra els herbívors, com l'àcid clorogènic (CGA) i la rutina, es regulen a la baixa després de l'herbivorisme. En canvi, els herbívors poden fer que les amides de fenol siguin altament potents. L'alimentació contínua dels dos herbívors va donar lloc a gairebé el mateix espectre d'excitació de les fenolamides, i aquest patró va ser especialment evident per a la síntesi de novo de fenolamides. El mateix fenomen s'observarà en explorar la via dels glucòsids de diterpè 17-hidroxigeranil nonanediol (17-HGL-DTG), que produeix un gran nombre de diterpens acíclics amb funcions antiherbivores efectives (33), dels quals l'alimentació amb Ms amb Sl va desencadenar un perfil d'expressió similar (Figura S1)).
El possible desavantatge dels experiments d'alimentació directa amb herbívors és la diferència en la taxa de consum de fulles i el temps d'alimentació dels herbívors, cosa que dificulta l'eliminació dels efectes específics dels herbívors causats per ferides i herbívors. Per tal de resoldre millor l'especificitat de l'espècie herbívora de la resposta metabòlica induïda de les fulles, vam simular l'alimentació de les larves de Ms i Sl aplicant immediatament l'OS recentment recollit (OSM i OSS1) a la punció estàndard W de posicions de fulles consistents. Aquest procediment s'anomena tractament W + OS i estandarditza la inducció mitjançant el cronometratge precís de l'aparició de la resposta provocada per l'herbivor sense causar efectes de confusió de diferències en la taxa o la quantitat de pèrdua de teixit (Figura 2A) (34). Utilitzant la cadena de càlcul i anàlisi MS/MS, vam recuperar 443 espectres MS/MS (fitxer de dades S1), que es superposaven amb els espectres prèviament reunits a partir d'experiments d'alimentació directa. L'anàlisi de la teoria de la informació d'aquest conjunt de dades MS/MS va mostrar que la reprogramació dels metabolomes especialitzats en fulles mitjançant la simulació d'herbivors va mostrar inductors específics de l'OS (Figura 2C). En particular, en comparació amb el tractament amb OSS1, l'OSM va causar una millora de l'especialització del metaboloma a les 4 hores. Cal destacar que, en comparació amb el conjunt de dades experimentals d'alimentació directa amb herbívors, la cinètica metabòlica visualitzada en un espai bidimensional utilitzant Hj i δj com a coordenades i la direccionalitat de l'especialització del metaboloma en resposta al tractament amb herbívors simulats al llarg del temps van augmentar de manera consistent (Figura 2D). Al mateix temps, vam quantificar el contingut d'aminoàcids, àcids orgànics i sucres (fitxer de dades S2) per investigar si aquest augment específic de l'expertesa del metaboloma es deu a la reconfiguració del metabolisme central del carboni en resposta a herbívors simulats (Figura S2). Per explicar millor aquest patró, vam monitoritzar més a fons la cinètica d'acumulació metabòlica de les vies de fenolamida i 17-HGL-DTG que s'han comentat anteriorment. La inducció específica d'OS dels herbívors es transforma en un patró de reordenament diferencial dins del metabolisme de la fenolamida (Figura S3). Les amides fenòliques que contenen grups cumarina i cafeoil són induïdes preferentment per OSS1, mentre que els OSM desencadenen una inducció específica de conjugats de ferulil. Per a la via 17-HGL-DTG, es va detectar una inducció diferencial d'OS mitjançant productes de malonilació i dimalonilació posteriors (Figura S3).
A continuació, vam estudiar la plasticitat del transcriptoma induïda per OS utilitzant el conjunt de dades de microarrays de curs temporal, que simula l'ús d'OSM per tractar les fulles de les fulles de les plantes de roseta en herbívors. La cinètica de mostreig bàsicament se superposa amb la cinètica utilitzada en aquest estudi de metabolòmica (35). En comparació amb la reconfiguració del metaboloma en què la plasticitat metabòlica augmenta particularment amb el temps, observem ràfegues de transcripció transitòries en fulles induïdes per Ms, on la inductibilitat del transcriptoma (RDPI) i l'especialització (δj) són d'1. Hi va haver un augment significatiu de les hores i la diversitat (Hj). En aquest punt temporal, l'expressió de BMP1 es va reduir significativament, seguida de la relaxació de l'especialització del transcriptoma (Figura S4). Les famílies de gens metabòlics (com ara P450, glicosiltransferasa i BAHD aciltransferasa) participen en el procés d'assemblatge de metabòlits especials a partir d'unitats estructurals derivades del metabolisme primari, seguint el model d'alta especialització primerenca esmentat anteriorment. Com a estudi de cas, es va analitzar la via de la fenilalanina. L'anàlisi va confirmar que els gens principals en el metabolisme de la fenolamida estan altament induïts per l'OS en herbívors en comparació amb les plantes no atretes, i estan estretament alineats en els seus patrons d'expressió. El factor de transcripció MYB8 i els gens estructurals PAL1, PAL2, C4H i 4CL aigües amunt d'aquesta via van mostrar un inici primerenc de la transcripció. Les aciltransferases que tenen un paper en l'assemblatge final de la fenolamida, com ara AT1, DH29 i CV86, presenten un patró de regulació a l'alça prolongat (Figura S4). Les observacions anteriors indiquen que l'inici primerenc de l'especialització del transcriptoma i la posterior millora de l'especialització metabolòmica són un mode acoblat, que pot ser degut al sistema regulador síncron que inicia una potent resposta de defensa.
La reconfiguració en la senyalització de les hormones vegetals actua com una capa reguladora que integra la informació herbívora per reprogramar la fisiologia de les plantes. Després de la simulació d'herbivors, vam mesurar la dinàmica acumulativa de les categories clau d'hormones vegetals i vam visualitzar la coexpressió temporal entre elles [coeficient de correlació de Pearson (PCC) > 0,4] (Figura 3A). Com s'esperava, les hormones vegetals relacionades amb la biosíntesi estan vinculades dins de la xarxa de coexpressió d'hormones vegetals. A més, l'especificitat metabòlica (índex Si) es mapa a aquesta xarxa per ressaltar les hormones vegetals induïdes per diferents tractaments. Es dibuixen dues àrees principals de resposta específica herbívora: una es troba al clúster JA, on JA (la seva forma biològicament activa JA-Ile) i altres derivats de JA mostren la puntuació de Si més alta; l'altra és l'etilè (ET). La giberel·lina només va mostrar un augment moderat de l'especificitat herbívora, mentre que altres hormones vegetals, com la citocinina, l'auxina i l'àcid abscísic, tenien una baixa especificitat d'inducció per als herbívors. En comparació amb l'ús de W + W sol, l'amplificació del valor màxim dels derivats de JA mitjançant l'aplicació OS (W + OS) bàsicament es pot transformar en un fort indicador específic de JA. Inesperadament, se sap que OSM i OSS1 amb diferent contingut d'elicitors causen una acumulació similar de JA i JA-Ile. A diferència d'OSS1, OSM és induït específicament i fortament per OSM, mentre que OSS1 no amplifica la resposta de les ferides basals (Figura 3B).
(A) Anàlisi de xarxa de coexpressió basada en el càlcul PCC de la simulació de la cinètica d'acumulació d'hormones vegetals induïda per herbívors. El node representa una sola hormona vegetal i la mida del node representa l'índex de Si específic de l'hormona vegetal entre tractaments. (B) Acumulació de JA, JA-Ile i ET en fulles causada per diferents tractaments indicats per diferents colors: albercoc, W + OSM; blau, W + OSSl; negre, W + W; gris, C (control). Els asteriscs indiquen diferències significatives entre el tractament i el control (ANOVA bidireccional seguida de comparació múltiple post hoc de Tukey HSD, *** P <0,001). Anàlisi de teoria de la informació de (C)697 MS/MS (fitxer de dades S1) en la biosíntesi de JA i l'espectre de percepció alterat (irAOC i irCOI1) i (D)585 MS/MS (fitxer de dades S1) en ETR1 amb senyal ET alterat. Dos tractaments amb herbívors simulats van desencadenar línies de plantes i plantes de control amb vehicle buit (EV). Els asteriscs indiquen diferències significatives entre el tractament W+OS i el control sense danys (ANOVA bidireccional seguida de comparació múltiple post hoc de Tukey HSD, *P<0,05, **P<0,01 i ***P<0,001). (E) Gràfics dispersos d'oposició dispersa a l'especialització. Els colors representen diferents soques modificades genèticament; els símbols representen diferents mètodes de tractament: triangle, W + OSS1; rectangle, W + OSM; cercle C
A continuació, utilitzem una soca modificada genèticament de Nepenthes atenuada (irCOI1 i sETR1) en els passos clau de la biosíntesi de JA i ET (irAOC i irACO) i la percepció (irCOI1 i sETR1) per analitzar el metabolisme d'aquestes dues hormones vegetals en herbívors. La contribució relativa de la reprogramació. D'acord amb experiments anteriors, vam confirmar la inducció d'herbivor-OS en plantes portadores buides (EV) (Figura 3, C a D) i la disminució general de l'índex Hj causada per OSM, mentre que l'índex δj va augmentar. La resposta és més pronunciada que la resposta desencadenada per OSS1. Un gràfic de dues línies que utilitza Hj i δj com a coordenades mostra la desregulació específica (Figura 3E). La tendència més òbvia és que en soques que manquen de senyal JA, els canvis de diversitat i especialització del metaboloma causats pels herbívors s'eliminen gairebé completament (Figura 3C). En canvi, la percepció silenciosa d'ET en plantes sETR1, tot i que l'efecte general sobre els canvis en el metabolisme herbívor és molt inferior al de la senyalització JA, atenua la diferència en els índexs Hj i δj entre les excitacions OSM i OSS1 (Figura 3D i Figura S5). Això indica que, a més de la funció principal de la transducció del senyal JA, la transducció del senyal ET també serveix com a ajustament fi de la resposta metabòlica específica de l'espècie dels herbívors. D'acord amb aquesta funció d'ajustament fi, no hi va haver cap canvi en la inductibilitat general del metaboloma en plantes sETR1. D'altra banda, en comparació amb les plantes sETR1, les plantes irACO van induir amplituds generals similars dels canvis metabòlics causats pels herbívors, però van mostrar puntuacions Hj i δj significativament diferents entre els reptes OSM i OSS1 (Figura S5).
Per tal d'identificar metabòlits especialitzats que tenen contribucions importants a la resposta específica de l'espècie dels herbívors i ajustar la seva producció mitjançant senyals ET, vam utilitzar el mètode MS/MS estructural desenvolupat prèviament. Aquest mètode es basa en el mètode de biclustering per reinferir la família metabòlica a partir de fragments MS/MS [producte escalar normalitzat (NDP)] i la puntuació de similitud basada en la pèrdua neutra (NL). El conjunt de dades MS/MS construït mitjançant l'anàlisi de línies transgèniques ET va produir 585 MS/MS (fitxer de dades S1), que es va resoldre agrupant-los en set mòduls MS/MS principals (M) (Figura 4A). Alguns d'aquests mòduls estan densament plens de metabòlits especials caracteritzats prèviament: per exemple, M1, M2, M3, M4 i M7 són rics en diversos derivats de fenol (M1), glucòsids flavonoides (M2), sucres acílics (M3 i M4) i 17-HGL-DTG (M7). A més, es calcula la informació específica metabòlica (índex de Si) d'un sol metabòlit a cada mòdul, i la seva distribució de Si es pot veure intuïtivament. En resum, els espectres MS/MS que presenten una alta especificitat d'herbivorisme i genotip es caracteritzen per valors de Si elevats, i les estadístiques de curtosi indiquen la distribució del pèl a la cantonada dreta de la cua. Es va detectar una d'aquestes distribucions col·loïdals magres a M1, en què la fenolamida va mostrar la fracció de Si més alta (Figura 4B). El 17-HGL-DTG induïble herbívor esmentat anteriorment a M7 va mostrar una puntuació de Si moderada, cosa que indica un grau moderat de regulació diferencial entre els dos tipus d'OS. En canvi, la majoria dels metabòlits especialitzats produïts constitutivament, com la rutina, el CGA i els sucres acil, es troben entre les puntuacions de Si més baixes. Per tal d'explorar millor la complexitat estructural i la distribució de Si entre metabòlits especials, es va construir una xarxa molecular per a cada mòdul (Figura 4B). Una predicció important de la teoria de la densitat ocular (OD) (resumida a la Figura 1B) és que la reorganització de metabòlits especials després de l'herbivorisme hauria de conduir a canvis unidireccionals en els metabòlits amb un alt valor de defensa, especialment augmentant la seva especificitat (en contraposició a la distribució aleatòria) Mode) Metabòlit defensiu predit per la teoria MT. La majoria dels derivats del fenol acumulats a M1 estan funcionalment relacionats amb la disminució del rendiment dels insectes (32). En comparar els valors de Si en els metabòlits M1 entre les fulles induïdes i les fulles constituents de les plantes de control EV a les 24 hores, vam observar que l'especificitat metabòlica de molts metabòlits després dels insectes herbívors té una tendència creixent significativa (Figura 4C). L'augment específic del valor de Si només es va detectar en fenamides defensives, però no es va detectar cap augment del valor de Si en altres fenols i metabòlits desconeguts que coexisteixen en aquest mòdul. Aquest és un model especialitzat, que està relacionat amb la teoria de la densitat ocular. Les principals prediccions dels canvis metabòlics causats pels herbívors són consistents. Per tal de comprovar si aquesta particularitat de l'espectre de fenolamida era induïda per ET específica d'OS, vam representar gràficament l'índex Si del metabòlit i vam causar un valor d'expressió diferencial entre OSM i OSS1 en els genotips EV i sETR1 (Figura 4D). En sETR1, la diferència induïda per fenamida entre OSM i OSS1 es va reduir considerablement. El mètode de biclustering també es va aplicar a les dades de MS/MS recollides en soques amb JA insuficient per inferir els principals mòduls MS/MS relacionats amb l'especialització metabòlica regulada per JA (Figura S6).
(A) Els resultats de clústering de 585 MS/MS basats en fragments compartits (similitud NDP) i pèrdua neutra compartida (similitud NL) donen com a resultat que el mòdul (M) sigui coherent amb la família de compostos coneguda, o per composició de metabòlits desconeguda o mal metabolitzada. Al costat de cada mòdul, es mostra la distribució específica del metabòlit (MS/MS) (Si). (B) Xarxa molecular modular: els nodes representen les puntuacions MS/MS de MS/MS i les vores, NDP (vermell) i NL (blau) (límit, > 0,6). L'índex d'especificitat del metabòlit graduat (Si) acolorit segons el mòdul (esquerra) i mapat a la xarxa molecular (dreta). (C) Mòdul M1 de la planta EV en estat constitutiu (control) i induït (herbivor simulat) a les 24 hores: diagrama de la xarxa molecular (el valor de Si és la mida del node, la fenolamida defensiva està ressaltada en blau). (D) El diagrama de la xarxa molecular M1 de la línia espectral sETR1 amb percepció alterada de EV i ET: el compost fenòlic representat pel node del cercle verd i la diferència significativa (valor P) entre els tractaments W + OSM i W + OSS1 com a mida del node. CP, N-cafeoil-tirosina; CS, N-cafeoil-espermidina; FP, àcid èster-úric de l'àcid N-ferúlic; FS, N-ferulil-espermidina; CoP, N', N “-cumarolil-tirosina; DCS, N', N”-dicafeoil-espermidina; CFS, N', N”-cafeoil, feruloil-espermidina; Lycium barbarum en goji Son; Nick. O-AS, O-acil sucre.
Vam ampliar encara més l'anàlisi des d'un únic genotip atenuat de Nepenthes a poblacions naturals, on s'han descrit prèviament forts canvis intraespecífics en els nivells de JA herbívors i els nivells de metabòlits específics en poblacions naturals (26). Utilitzeu aquest conjunt de dades per abastar 43 germoplasmes. Aquests germoplasmes consten de 123 espècies de plantes de N. pallens. Aquestes plantes es van extreure de llavors recollides en diferents hàbitats nadius a Utah, Nevada, Arizona i Califòrnia (Figura S7), vam calcular la diversitat del metaboloma (aquí anomenada nivell de població) β diversitat) i l'especialització causada per OSM. D'acord amb estudis anteriors, vam observar una àmplia gamma de canvis metabòlics al llarg dels eixos Hj i δj, cosa que indica que els germoplasmes tenen diferències significatives en la plasticitat de les seves respostes metabòliques als herbívors (Figura S7). Aquesta organització recorda observacions anteriors sobre el rang dinàmic dels canvis de JA causats pels herbívors, i ha mantingut un valor molt alt en una sola població (26, 36). En utilitzar JA i JA-Ile per provar la correlació de nivell general entre Hj i δj, vam trobar que hi ha una correlació positiva significativa entre JA i l'índex de diversitat i especialització del metaboloma β (Figura S7). Això suggereix que l'heterogeneïtat induïda per herbívors en la inducció de JA detectada a nivell de població pot ser deguda a polimorfismes metabòlics clau causats per la selecció d'insectes herbívors.
Estudis previs han demostrat que els tipus de tabac difereixen molt en tipus i dependència relativa de les defenses metabòliques induïdes i constitutives. Es creu que aquests canvis en la transducció del senyal antiherbívor i les capacitats de defensa estan regulats per la pressió de la població d'insectes, el cicle de vida de la planta i els costos de producció de defensa en el nínxol on creix una espècie determinada. Vam estudiar la consistència de la remodelació del metaboloma foliar induïda per herbívors de sis espècies de Nicotiana natives d'Amèrica del Nord i Amèrica del Sud. Aquestes espècies estan estretament relacionades amb Nepenthes d'Amèrica del Nord, concretament Nicolas Bociflo. La, N. nicotinis, Nicotiana n. herba atenuada, Nicotiana tabacum, tabac lineal, tabac (Nicotiana spegazzinii) i tabac de fulla de tabac (Nicotiana obtusifolia) (Figura 5A) (37). Sis d'aquestes espècies, inclosa l'espècie ben caracteritzada N. please, són plantes anuals del clade petúnia, i N. obtusifolia són plantes perennes del clade germà Trigonophyllae (38). Posteriorment, es va realitzar la inducció de W + W, W + OSM i W + OSS1 en aquestes set espècies per estudiar el reordenament metabòlic a nivell d'espècie de l'alimentació dels insectes.
(A) Un arbre filogenètic bootstrap basat en la màxima probabilitat [per a la síntesi de glutamina nuclear (38)] i la distribució geogràfica de set espècies de Nicotiana estretament relacionades (colors diferents) (37). (B) Un diagrama de dispersió de la diversitat especialitzada per als perfils metabòlics de set espècies de Nicotiana (939 MS/MS; fitxer de dades S1). A nivell d'espècie, la diversitat del metaboloma està correlacionada negativament amb el grau d'especialització. L'anàlisi de la correlació a nivell d'espècie entre la diversitat metabòlica i l'especialització i l'acumulació de JA es mostra a la Figura 2. S9. Color, diferents tipus; triangle, W + OSS1; rectangle, W + OSM; (C) La dinàmica de JA i JA-Ile de Nicotiana es classifica segons l'amplitud d'excitació de l'OS (ANOVA bidireccional i comparació post-múltiple de Tukey HSD, * P <0,05, ** P <0,01 i * ** Per a la comparació de W + OS i W + W, P <0,001). Diagrama de caixa de (D) diversitat i (E) especialització de cada espècie després de simular JA herbívor i metil (MeJA). L'asterisc indica la diferència significativa entre W + OS i W + W o lanolina més W (Lan + W) o Lan més MeJA (Lan + MeJa) i control Lan (anàlisi de la variància bidireccional, seguida de comparació múltiple post hoc HSD de Tukey, * P < 0,05, ** P < 0,01 i *** P < 0,001).
Utilitzant el mètode de doble clúster, vam identificar 9 mòduls de 939 MS/MS (fitxer de dades S1). La composició de MS/MS reconfigurada per diferents tractaments varia molt entre els diferents mòduls entre espècies (Figura S8). La visualització de Hj (anomenada aquí diversitat gamma a nivell d'espècie) i δj revela que diferents espècies s'agreguen en grups molt diferents a l'espai metabòlic, on la divisió a nivell d'espècie sol ser més prominent que l'excitació. Amb l'excepció de N. linear i N. obliquus, presenten una àmplia gamma dinàmica d'efectes d'inducció (Figura 5B). En canvi, espècies com N. purpurea i N. obtusifolia tenen una resposta metabòlica menys òbvia al tractament, però el metaboloma és més divers. La distribució específica de l'espècie de la resposta metabòlica induïda va resultar en una correlació negativa significativa entre l'especialització i la diversitat gamma (PCC = -0,46, P = 4,9 × 10-8). Els canvis induïts per OS en els nivells de JAs estan correlacionats positivament amb l'especialització del metaboloma i negativament amb la diversitat gamma metabòlica exhibida per cada espècie (Figura 5B i Figura S9). Val a dir que les espècies col·loquialment anomenades espècies de "resposta al senyal" a la Figura 5C, com ara Nepenthes nematodes, Nepenthes nepenthes, Nepenthes acute i Nepenthes attenuated, van causar signes significatius als 30 minuts. Els recents brots de JA i JA-Ile específics d'OS, mentre que altres bacteris anomenats "no sensibles al senyal", com ara Nepenthes mills, Nepenthes powdery i N. obtusifolia, només mostren inducció de JA-Ile Edge sense cap especificitat d'OS (Figura 5C). A nivell metabòlic, com s'ha esmentat anteriorment, per a Nepenthes atenuada, les substàncies sensibles al senyal van mostrar especificitat d'OS i van augmentar significativament δj, alhora que van reduir Hj. Aquest efecte d'encebament específic d'OS no es va detectar en espècies classificades com a espècies no reactives al senyal (Figura 5, D i E). Els metabòlits específics de l'OS es comparteixen amb més freqüència entre espècies que responen al senyal, i aquests clústers de senyals s'agrupen amb espècies amb respostes de senyal més febles, mentre que les espècies amb respostes de senyal més febles mostren menys interdependència (Figura S8). Aquest resultat indica que la inducció específica de l'OS dels JA i la reconfiguració específica de l'OS del metaboloma posterior estan acoblades a nivell d'espècie.
A continuació, vam utilitzar una pasta de lanolina que conté metil JA (MeJA) per tractar plantes per investigar si aquests modes d'acoblament estan restringits per la disponibilitat de JA aplicada per JA exògena, que estarà al citoplasma de les plantes. La desesterificació ràpida és JA. Vam trobar la mateixa tendència de canvi gradual d'espècies que responen al senyal a espècies que no responen al senyal causada pel subministrament continu de JA (Figura 5, D i E). En resum, el tractament amb MeJA va reprogramar fortament els metabolomes dels nematodes lineals, N. obliquus, N. aquaticus, N. pallens i N. mikimotoi, resultant en un augment significatiu de δj i una disminució de Hj. N. purpurea només va mostrar un augment de δj, però no Hj. N. obtusifolia, que anteriorment s'ha demostrat que acumula nivells extremadament baixos de JA, també respon malament al tractament amb MeJA pel que fa a la reconfiguració del metaboloma. Aquests resultats indiquen que la producció de JA o la transducció del senyal està fisiològicament restringida en espècies que no responen al senyal. Per provar aquesta hipòtesi, vam estudiar les quatre espècies (N. pallens, N. mills, N. pink i N. microphylla) induïdes pel transcriptoma W + W, W + OSM i W + OSS1 (39). D'acord amb el patró de remodelació del metaboloma, les espècies estan ben separades a l'espai del transcriptoma, entre les quals N. attenuated va mostrar el RDPI induït per OS més alt, mentre que N. gracilis va tenir el més baix (Figura 6A). Tanmateix, es va trobar que la diversitat del transcriptoma induïda per N. oblonga va ser la més baixa entre les quatre espècies, contràriament a la diversitat metabonòmica més alta de N. oblonga mostrada anteriorment en set espècies. Estudis previs han demostrat que un conjunt de gens relacionats amb senyals de defensa primerencs, inclosos els senyals JA, explica l'especificitat de les respostes de defensa primerenques induïdes per elicitors relacionats amb herbívors en espècies de Nicotiana (39). La comparació de les vies de senyalització JA entre aquestes quatre espècies va revelar un patró interessant (Figura 6B). La majoria dels gens d'aquesta via, com ara AOC, OPR3, ACX i COI1, van mostrar nivells d'inducció relativament alts en aquestes quatre espècies. Tanmateix, un gen clau, JAR4, converteix JA en la seva forma biològicament activa de transcrits acumulats de JA-Ile, i el seu nivell de transcripció és molt baix, especialment en N. mills, Nepenthes pieris i N. microphylla. A més, només el transcrit d'un altre gen AOS no es va detectar en N. bifidum. Aquests canvis en l'expressió gènica poden ser responsables dels fenotips extrems induïts per la baixa producció de JA en espècies anèrgiques de senyal i la inducció de N. gracilis.
(A) Anàlisi de la teoria de la informació de la reprogramació de les respostes transcripcionals primerenques de quatre espècies de tabac estretament relacionades, mostrejades 30 minuts després de la inducció herbivora. L'RDPI es calcula comparant les fulles induïdes per l'OS herbivor amb el control de la ferida. Els colors indiquen espècies diferents i els símbols indiquen mètodes de tractament diferents. (B) Anàlisi de l'expressió gènica en les vies de senyalització JA entre quatre espècies. La ruta JA simplificada es mostra al costat del diagrama de caixa. Els diferents colors indiquen mètodes de processament diferents. L'asterisc indica que hi ha una diferència significativa entre el tractament W + OS i el control W + W (per a la prova t de Student per a diferències per parells, *P<0,05, **P<0,01 i ***P<0,001). OPDA, àcid 12-oxofitodienoic; OPC-8: àcid 0,3-oxo-2(2′(Z)-pentenil)-ciclopentà-1-octanoic.
A la darrera part, vam estudiar com la remodelació específica de les espècies d'insectes del metaboloma de diferents espècies de plantes pot ser resistent als herbívors. Investigacions anteriors van emfatitzar el gènere Nicotiana. La seva resistència a Ms i larves difereix molt (40). Aquí, vam estudiar la connexió entre aquest model i la seva plasticitat metabòlica. Utilitzant les quatre espècies de tabac anteriors i provant la correlació entre la diversitat i l'especialització del metaboloma causada pels herbívors i la resistència de les plantes a Ms i Sl, vam trobar que la resistència, la diversitat i l'especialització a Sl generalista estan correlacionades positivament, mentre que la correlació entre la resistència a les dones expertes i l'especialització és feble, i la correlació amb la diversitat no és significativa (Figura S10). Pel que fa a la resistència S1, tant N. chinensis atenuada com N. gracilis, que anteriorment s'havia demostrat que presentaven tant nivells de transducció del senyal JA com plasticitat del metaboloma, van tenir respostes molt diferents a la inducció d'herbivors, i també van mostrar una resistència alta similar. Sexe.
En els darrers seixanta anys, la teoria de la defensa de les plantes ha proporcionat un marc teòric, basat en el qual els investigadors han predit un nombre considerable d'evolució i funcions dels metabòlits especialitzats de les plantes. La majoria d'aquestes teories no segueixen el procediment normal d'inferències fortes (41). Proposen prediccions clau (3) al mateix nivell d'anàlisi. Quan la prova de les prediccions clau permet analitzar teories específiques, això farà que el camp avança. Es recolzi, però es rebutgin altres (42). En canvi, la nova teoria fa prediccions a diferents nivells d'anàlisi i afegeix una nova capa de consideracions descriptives (42). Tanmateix, les dues teories proposades a nivell funcional, MT i OD, es poden explicar fàcilment com a prediccions importants de canvis metabòlics especialitzats causats pels herbívors: la teoria OD creu que els canvis en "l'espai" metabòlic especialitzat són altament direccionals. La teoria MT creu que aquests canvis seran no direccionals i es localitzaran aleatòriament a l'espai metabòlic, i tendeixen a tenir metabòlits d'alt valor de defensa. Els exàmens anteriors de les prediccions OD i MT s'han provat utilitzant un conjunt estret de compostos de "defensa" a priori. Aquestes proves centrades en els metabòlits impedeixen la capacitat d'analitzar l'abast i la trajectòria de la reconfiguració del metaboloma durant l'herbivorisme, i no permeten que les proves dins d'un marc estadístic consistent requereixin prediccions clau que es puguin considerar com un tot. Quantificar els canvis en el metaboloma de les plantes. Aquí, vam utilitzar la tecnologia innovadora en metabolòmica basada en MS computacional i vam realitzar anàlisis MS de deconvolució en la moneda general dels descriptors de la teoria de la informació per provar la distinció entre els dos proposats a nivell de metabolòmica global. La predicció clau d'aquesta teoria. La teoria de la informació s'ha aplicat en molts camps, especialment en el context de la investigació sobre la biodiversitat i el flux de nutrients (43). Tanmateix, pel que sabem, aquesta és la primera aplicació utilitzada per descriure l'espai d'informació metabòlica de les plantes i resoldre problemes ecològics relacionats amb canvis metabòlics temporals en resposta a senyals ambientals. En particular, la capacitat d'aquest mètode rau en la seva capacitat de comparar patrons dins i entre espècies vegetals per examinar com els herbívors han evolucionat des de diferents espècies fins a patrons macroevolutius interespecífics a diferents nivells d'evolució. Metabolisme.
L'anàlisi de components principals (PCA) converteix un conjunt de dades multivariants en un espai de reducció de dimensionalitat per tal que es pugui explicar la tendència principal de les dades, per la qual cosa normalment s'utilitza com a tècnica exploratòria per analitzar el conjunt de dades, com ara el metaboloma de deconvolució. Tanmateix, la reducció de dimensionalitat perdrà part del contingut d'informació del conjunt de dades, i la PCA no pot proporcionar informació quantitativa sobre característiques que són particularment rellevants per a la teoria ecològica, com ara: com els herbívors reconfiguren la diversitat en camps especialitzats (per exemple, riquesa, distribució i abundància) metabòlits? Quins metabòlits són predictors de l'estat induït d'un herbívor determinat? Des de la perspectiva de l'especificitat, la diversitat i la inductibilitat, el contingut d'informació del perfil de metabòlits específics de la fulla es descompon, i es descobreix que el consum d'herbivors pot activar un metabolisme específic. Inesperadament, vam observar que, tal com es descriu en els indicadors de la teoria de la informació implementats, la situació metabòlica resultant té una gran superposició després dels atacs dels dos herbívors (el generalista alimentat nocturn Sl) i l'expert en solanàcies Ms. Tot i que el seu comportament alimentari i concentració són significativament diferents. Iniciador del conjugat d'àcid gras-aminoàcid (FAC) en OS (31). En utilitzar OS herbívor per tractar ferides punxants estandarditzades, el tractament simulat amb herbívors també va mostrar una tendència similar. Aquest procediment estandarditzat per simular la resposta de les plantes als atacs d'herbivors elimina els factors de confusió causats pels canvis en el comportament alimentari dels herbívors, que condueixen a diversos graus de dany en diferents moments (34). El FAC, que se sap que és la principal causa de l'OSM, redueix el JAS i altres respostes d'hormones vegetals en OSS1, mentre que l'OSS1 es redueix centenars de vegades (31). Tanmateix, l'OSS1 va causar nivells similars d'acumulació de JA en comparació amb l'OSM. Anteriorment s'ha demostrat que la resposta de JA en Nepenthes atenuada és molt sensible a l'OSM, on el FAC pot mantenir la seva activitat fins i tot si es dilueix 1:1000 amb aigua (44). Per tant, en comparació amb l'OSM, tot i que el FAC en OSS1 és molt baix, és suficient per induir un brot suficient de JA. Estudis previs han demostrat que les proteïnes semblants a les porines (45) i els oligosacàrids (46) es poden utilitzar com a pistes moleculars per desencadenar respostes de defensa de les plantes en OSS1. Tanmateix, encara no està clar si aquests elicitors en OSS1 són responsables de l'acumulació de JA observada en l'estudi actual.
Tot i que hi ha pocs estudis que descriuen les empremtes metabòliques diferencials causades per l'aplicació de diferents herbívors o JA o SA (àcid salicílic) exògens (47), ningú ha pertorbat la pertorbació específica de l'espècie herbívora a la xarxa de gramínies vegetals i els seus efectes sobre la informació personal específica. L'impacte general del metabolisme s'estudia sistemàticament. Aquesta anàlisi va confirmar a més que la connexió de la xarxa hormonal interna amb altres hormones vegetals diferents dels JA configura l'especificitat de la reorganització metabòlica causada pels herbívors. En particular, vam detectar que l'ET causat per OSM era significativament més gran que el causat per OSS1. Aquest mode és coherent amb més contingut de FAC a OSM, que és una condició necessària i suficient per desencadenar una ràfega d'ET (48). En el context de la interacció entre plantes i herbívors, la funció de senyalització de l'ET sobre la dinàmica de metabòlits específics de les plantes encara és esporàdica i només es dirigeix ​​a un sol grup de compostos. A més, la majoria dels estudis han utilitzat l'aplicació exògena d'ET o els seus precursors o diversos inhibidors per estudiar la regulació de l'ET, entre els quals aquestes aplicacions químiques exògenes produiran molts efectes secundaris no específics. Segons el nostre coneixement, aquest estudi representa el primer examen sistemàtic a gran escala del paper de l'ET en l'ús d'ET per produir i percebre plantes transgèniques alterades per coordinar la dinàmica del metaboloma de les plantes. La inducció d'ET específica dels herbívors pot modular en última instància la resposta del metaboloma. El més significatiu és la manipulació transgènica dels gens de biosíntesi d'ET (ACO) i percepció (ETR1) que va revelar l'acumulació de novo de fenolamides específica dels herbívors. Anteriorment s'ha demostrat que l'ET pot ajustar l'acumulació de nicotina induïda per JA mitjançant la regulació de la putrescina N-metiltransferasa (49). Tanmateix, des d'un punt de vista mecànic, no està clar com l'ET ajusta la inducció de fenamida. A més de la funció de transducció del senyal de l'ET, el flux metabòlic també es pot derivar a S-adenosil-1-metionina per regular la inversió en amides de poliaminofenol. L'S-adenosil-1-metionina és l'ET i un intermediari comú de la via biosintètica de la poliamina. El mecanisme pel qual el senyal d'ET regula el nivell de fenolamida necessita més estudis.
Durant molt de temps, a causa del gran nombre de metabòlits especials d'estructura desconeguda, la intensa atenció a categories metabòliques específiques no ha pogut avaluar estrictament els canvis temporals de la diversitat metabòlica després de les interaccions biològiques. Actualment, basant-se en l'anàlisi de la teoria de la informació, el resultat principal de l'adquisició d'espectre MS/MS basada en metabòlits imparcials és que els herbívors que mengen o simulen herbívors continuen reduint la diversitat metabòlica global del metaboloma de la fulla alhora que augmenten el seu grau d'especialització. Aquest augment temporal de l'especificitat del metaboloma causat pels herbívors s'associa amb un augment sinèrgic de l'especificitat del transcriptoma. La característica que més contribueix a aquesta major especialització del metaboloma (que té un valor de Si més alt) és el metabòlit especial amb la funció herbívora caracteritzada prèviament. Aquest model és coherent amb la predicció de la teoria OD, però la predicció de MT relacionada amb l'aleatorietat de la reprogramació del metaboloma no és coherent. Tanmateix, aquestes dades també són coherents amb la predicció del model mixt (millor MT; Figura 1B), perquè altres metabòlits no caracteritzats amb funcions de defensa desconegudes encara poden seguir una distribució aleatòria de Si.
Un patró destacable que aquesta investigació capta a més és que des del nivell de microevolució (una sola planta i població de tabac) fins a una escala evolutiva més gran (espècies de tabac estretament relacionades), els diferents nivells d'organització evolutiva són la "millor defensa". Hi ha diferències significatives en les habilitats dels herbívors. Moore et al. (20) i Kessler i Kalske (1) van proposar independentment convertir els tres nivells funcionals de biodiversitat originalment distingits per Whittaker (50) en els canvis temporals constitutius i induïts de la diversitat química; aquests autors no van resumir els procediments per a la recollida de dades del metaboloma a gran escala i tampoc descriuen com calcular la diversitat metabòlica a partir d'aquestes dades. En aquest estudi, petits ajustaments a la classificació funcional de Whittaker consideraran la diversitat α-metabòlica com la diversitat dels espectres MS/MS en una planta determinada, i la diversitat β-metabòlica com el metabolisme intraespecífic bàsic d'un grup de poblacions, i la diversitat γ-metabòlica serà una extensió de l'anàlisi d'espècies similars.
El senyal JA és essencial per a una àmplia gamma de respostes metabòliques dels herbívors. Tanmateix, hi ha una manca de proves quantitatives rigoroses de la contribució de la regulació intraespecífica de la biosíntesi de JA a la diversitat del metaboloma, i encara no es pot determinar si el senyal JA és un lloc general per a la diversificació metabòlica induïda per l'estrès a una escala macroevolutiva superior. Vam observar que la naturalesa herbívora de Nepenthes herbívora indueix l'especialització del metaboloma i la variació de l'especialització del metaboloma dins de la població d'espècies de Nicotiana i entre espècies de Nicotiana estretament relacionades es correlaciona sistemàticament positivament amb la senyalització JA. A més, quan el senyal JA es veu afectat, l'especificitat metabòlica induïda per un sol genotip herbívor es cancel·larà (Figura 3, C i E). Com que els canvis de l'espectre metabòlic de les poblacions de Nepenthes atenuades naturalment són majoritàriament quantitatius, els canvis en la diversitat i l'especificitat β metabòlica en aquesta anàlisi poden ser causats en gran part per la forta excitació de categories de compostos rics en metabòlits. Aquestes classes de compostos dominen part del perfil del metaboloma i condueixen a una correlació positiva amb els senyals JA.
Com que els mecanismes bioquímics de les espècies de tabac estretament relacionades amb ella són molt diferents, els metabòlits s'identifiquen específicament en l'aspecte qualitatiu, de manera que és més analític. El processament de la teoria de la informació del perfil metabòlic capturat revela que la inducció herbívora exacerba el compromís entre la diversitat gamma metabòlica i l'especialització. El senyal JA juga un paper central en aquest compromís. L'augment de l'especialització del metaboloma és coherent amb la principal predicció de DO i està correlacionat positivament amb el senyal JA, mentre que el senyal JA està correlacionat negativament amb la diversitat gamma metabòlica. Aquests models indiquen que la capacitat DO de les plantes està determinada principalment per la plasticitat del JA, ja sigui a escala microevolutiva o a una escala evolutiva més gran. Els experiments exògens d'aplicació de JA que eviten els defectes de biosíntesi de JA revelen a més que les espècies de tabac estretament relacionades es poden distingir en espècies que responen al senyal i espècies que no responen al senyal, igual que el seu mode de JA i la plasticitat del metaboloma induïda pels herbívors. Les espècies que no responen al senyal no poden respondre a causa de la seva incapacitat per produir JA endògen i, per tant, estan subjectes a limitacions fisiològiques. Això pot ser causat per mutacions en alguns gens clau de la via de senyalització JA (AOS i JAR4 en N. crescens). Aquest resultat destaca que aquests patrons macroevolutius interespecífics poden estar impulsats principalment per canvis en la percepció i la resposta hormonals internes.
A més de la interacció entre plantes i herbívors, l'exploració de la diversitat metabòlica està relacionada amb tots els avenços teòrics importants en la investigació de l'adaptació biològica al medi ambient i l'evolució de trets fenotípics complexos. Amb l'augment de la quantitat de dades adquirides pels instruments MS moderns, les proves d'hipòtesis sobre la diversitat metabòlica ara poden transcendir les diferències individuals/categories de metabòlits i realitzar anàlisis globals per revelar patrons inesperats. En el procés d'anàlisi a gran escala, una metàfora important és la idea de concebre mapes significatius que es puguin utilitzar per explorar dades. Per tant, un resultat important de la combinació actual de metabolòmica MS/MS imparcial i teoria de la informació és que proporciona una mètrica senzilla que es pot utilitzar per construir mapes per navegar per la diversitat metabòlica a diferents escales taxonòmiques. És el requisit bàsic d'aquest mètode. L'estudi de la micro/macroevolució i l'ecologia comunitària.
A nivell macroevolutiu, el nucli de la teoria de la coevolució planta-insecte d'Ehrlich i Raven (51) és predir que la variació de la diversitat metabòlica interespecífica és la causa de la diversificació dels llinatges vegetals. Tanmateix, en els cinquanta anys transcorreguts des de la publicació d'aquest treball seminal, aquesta hipòtesi s'ha provat rarament (52). Això es deu en gran part a les característiques filogenètiques de característiques metabòliques comparables a través de llinatges vegetals de llarga distància. La raresa es pot utilitzar per ancorar mètodes d'anàlisi de diana. El flux de treball MS/MS actual processat per la teoria de la informació quantifica la similitud estructural MS/MS de metabòlits desconeguts (sense selecció prèvia de metabòlits) i converteix aquests MS/MS en un conjunt de MS/MS, de manera que en el metabolisme professional aquests models macroevolutius es comparen en una escala de classificació. Indicadors estadístics simples. El procés és similar a l'anàlisi filogenètica, que pot utilitzar l'alineació de seqüències per quantificar la taxa de diversificació o l'evolució dels caràcters sense predicció prèvia.
A nivell bioquímic, la hipòtesi de cribratge de Firn i Jones (53) mostra que la diversitat metabòlica es manté a diferents nivells per proporcionar matèries primeres per exercir les activitats biològiques de metabòlits anteriorment no relacionats o substituïts. Els mètodes de la teoria de la informació proporcionen un marc en el qual aquestes transicions evolutives específiques de metabòlits que es produeixen durant l'especialització de metabòlits es poden quantificar com a part del procés de cribratge evolutiu proposat: adaptació biològicament activa de baixa especificitat a alta especificitat. Metabòlits inhibits d'un entorn determinat.
En definitiva, en els primers temps de la biologia molecular, es van desenvolupar importants teories de defensa de les plantes, i els mètodes basats en hipòtesis deductives es consideren àmpliament l'únic mitjà de progrés científic. Això es deu en gran part a les limitacions tècniques de mesurar tot el metaboloma. Tot i que els mètodes basats en hipòtesis són particularment útils per triar altres mecanismes causals, la seva capacitat per fer avançar la nostra comprensió de les xarxes bioquímiques és més limitada que els mètodes computacionals actualment disponibles en la ciència contemporània intensiva en dades. Per tant, les teories que no es poden predir estan molt més enllà de l'abast de les dades disponibles, de manera que la fórmula hipotètica/cicle de prova del progrés en el camp de la recerca no es pot abolir (4). Preveiem que el flux de treball computacional de la metabolòmica que s'introdueix aquí pot reavivar l'interès pels problemes recents (com) i finals (perquè) de la diversitat metabòlica, i contribuir a una nova era de ciència de dades guiada teòricament. L'era va reexaminar les teories importants que van inspirar les generacions anteriors.
L'alimentació directa amb herbívors es duu a terme criant una larva de segon estadi o larva Sl en una sola fulla de planta de carnívora de color pàl·lid d'una sola planta de flor de roser, amb 10 rèpliques de plantes per planta. Les larves d'insecte es van subjectar amb pinces, i el teixit foliar restant es va recollir 24 i 72 hores després de la infecció i es va congelar ràpidament, i es van extreure els metabòlits.
Simuleu el tractament herbívor d'una manera altament sincronitzada. El mètode consisteix a utilitzar rodes de patró de tela per punxar tres files d'espines a cada costat de la nervadura central de les tres fulles completament expandides de la planta durant l'etapa de creixement de la garlanda de tela, i aplicar immediatament Ms diluït 1:5. O utilitzeu els dits amb guants per inserir S1 OS a la ferida punxant. Colliu i processeu una fulla tal com s'ha descrit anteriorment. Utilitzeu el mètode descrit anteriorment per extreure metabòlits primaris i hormones vegetals (54).
Per a aplicacions exògenes de JA, les tres fulles peciolades de cadascuna de les sis plantes de rosa de cada espècie es tracten amb 20 μl de pasta de lanolina que conté 150 μg de MeJA (Lan + MeJA) i 20 μl de lanolina més tractament per a ferides (Lan + W), o bé s'utilitzen 20 μl de lanolina pura com a control. Les fulles es van collir 72 hores després del tractament, es van congelar ràpidament en nitrogen líquid i es van emmagatzemar a -80 °C fins al seu ús.
En el nostre grup de recerca s'han identificat quatre línies transgèniques JA i ET, concretament irAOC (36), irCOI1 (55), irACO i sETR1 (48). L'irAOC va mostrar una forta disminució dels nivells de JA i JA-Ile, mentre que l'irCOI1 no va ser sensible als JA. En comparació amb l'EV, l'acumulació de JA-Ile va augmentar. De la mateixa manera, l'irACO reduirà la producció d'ET, i en comparació amb l'EV, el sETR1, que és insensible a l'ET, augmentarà la producció d'ET.
Un espectròmetre làser fotoacústic (sensor ET en temps real Sensor Sense ETD-300) s'utilitza per realitzar mesures d'ET de manera no invasiva. Immediatament després del tractament, es van tallar la meitat de les fulles i es van transferir a un vial de vidre segellat de 4 ml, i es va deixar que l'espai de capçalera s'acumulés en 5 hores. Durant la mesura, cada vial es va esbandir amb un corrent de 2 litres/hora d'aire pur durant 8 minuts, que prèviament havia passat a través d'un catalitzador proporcionat per Sensor Sense per eliminar el CO2 i l'aigua.
Les dades del microarray es van publicar originalment a (35) i es van desar a la base de dades completa d'expressió gènica del Centre Nacional d'Informació Biotecnològica (NCBI) (número d'accés GSE30287). Per a aquest estudi es van extreure les dades corresponents a les fulles causades pel tractament amb W + OSM i el control sense danys. La intensitat bruta és log2. Abans de l'anàlisi estadística, la línia base es va convertir i normalitzar al seu percentil 75 mitjançant el paquet de programari R.
Les dades originals de seqüenciació d'ARN (RNA-seq) de les espècies de Nicotiana es van recuperar dels NCBI Short Reading Archives (SRA), el número de projecte és PRJNA301787, que va ser publicat per Zhou et al. (39) i es va procedir tal com es descriu a (56). Les dades en brut processades per W + W, W + OSM i W + OSS1 corresponents a les espècies de Nicotiana es van seleccionar per a l'anàlisi en aquest estudi i es van processar de la manera següent: Primer, les lectures en brut de RNA-seq es van convertir al format FASTQ. HISAT2 converteix FASTQ a SAM i SAMtools converteix els fitxers SAM en fitxers BAM ordenats. StringTie s'utilitza per calcular l'expressió gènica i el seu mètode d'expressió és que hi ha fragments per cada mil fragments de bases per cada milió de fragments de transcripció seqüenciats.
La columna cromatogràfica Acclaim (150 mm x 2,1 mm; mida de partícula 2,2 μm) utilitzada en l'anàlisi i la columna de guarda de 4 mm x 4 mm estan fetes del mateix material. El següent gradient binari s'utilitza en el sistema de cromatografia líquida d'ultra alt rendiment (UHPLC) Dionex UltiMate 3000: de 0 a 0,5 minuts, 90% d'A isocràtic [aigua desionitzada, 0,1% (v/v) d'acetonitril i 0,05% d'àcid fòrmic], 10% de B (acetonitril i 0,05% d'àcid fòrmic); de 0,5 a 23,5 minuts, la fase de gradient és de 10% d'A i 90% de B, respectivament; de 23,5 a 25 minuts, 10% d'A i 90% de B isocràtic. El cabal és de 400 μl/min. Per a totes les anàlisis de MS, injecteu l'eluent de la columna en un analitzador quadrupol i de temps de vol (qTOF) equipat amb una font d'electroaspersió que funciona en mode d'ionització positiva (tensió capil·lar, 4500 V; sortida capil·lar 130 V; temperatura d'assecat 200 °C; flux d'aire d'assecat 10 litres/min).
Realitzeu una anàlisi de fragments MS/MS (d'ara endavant, MS/MS) que sigui irrellevant o indistingible de les dades per obtenir informació estructural sobre el perfil metabòlic detectable general. El concepte del mètode MS/MS indiscriminat es basa en el fet que el quadrupol té una finestra d'aïllament de massa molt gran [per tant, considereu tots els senyals de relació massa-càrrega (m/z) com a fragments]. Per aquest motiu, com que l'instrument Impact II no va poder crear una inclinació CE, es van realitzar diverses anàlisis independents utilitzant valors d'energia de col·lisió (CE) de dissociació induïda per col·lisió augmentats. En resum, primer analitzeu la mostra mitjançant ionització UHPLC-electrospray/qTOF-MS utilitzant el mode d'espectrometria de masses única (condicions de baixa fragmentació generades per fragmentació a la font), escanejant de m/z 50 a 1500 a una freqüència de repetició de 5 Hz. Utilitzeu nitrogen com a gas de col·lisió per a l'anàlisi MS/MS i realitzeu mesures independents als quatre voltatges de dissociació induïts per col·lisió diferents següents: 20, 30, 40 i 50 eV. Durant tot el procés de mesura, el quadrupol té la finestra d'aïllament de massa més gran, de m/z 50 a 1500. Quan l'experiment d'amplada d'aïllament i m/z del cos frontal s'estableix a 200, el rang de massa s'activa automàticament mitjançant el programari operatiu de l'instrument i 0 Da. Escaneja fragments de massa com en el mode de massa única. Utilitza formiat de sodi (50 ml d'isopropanol, 200 μl d'àcid fòrmic i 1 ml de solució aquosa 1M de NaOH) per al calibratge de massa. Utilitzant l'algoritme de calibratge d'alta precisió de Bruker, el fitxer de dades es calibra després d'executar l'espectre mitjà en un període de temps determinat. Utilitza la funció d'exportació del programari Data Analysis v4.0 (Brook Dalton, Bremen, Alemanya) per convertir els fitxers de dades en brut al format NetCDF. El conjunt de dades MS/MS s'ha desat a la base de dades oberta de metabolòmica MetaboLights (www.ebi.ac.uk) amb el número d'accés MTBLS1471.
L'assemblatge MS/MS es pot realitzar mitjançant l'anàlisi de correlació entre els senyals de qualitat MS1 i MS/MS per a energia de col·lisió baixa i alta i regles recentment implementades. L'script R s'utilitza per realitzar l'anàlisi de correlació de la distribució del precursor al producte, i l'script C# (https://github.com/MPI-DL/indiscriminant-MS-MS-assembly-pipeline) s'utilitza per implementar les regles.
Per tal de reduir els errors falsos positius causats pel soroll de fons i la falsa correlació causada per la detecció de certes característiques m/z en només unes poques mostres, utilitzem la funció "pic omplert" del paquet R XCMS (per a la correcció del soroll de fons). S'hauria d'utilitzar per substituir la intensitat "NA" (pic no detectat). Quan s'utilitza la funció de pic omplert, encara hi ha molts valors d'intensitat "0" al conjunt de dades que afectaran el càlcul de la correlació. A continuació, comparem els resultats del processament de dades obtinguts quan s'utilitza la funció de pic omplert i quan no s'utilitza la funció de pic omplert, i calculem el valor del soroll de fons basat en el valor estimat corregit mitjà i, a continuació, substituïm aquests valors d'intensitat 0 pel valor de fons calculat. També només hem considerat les característiques la intensitat de les quals superava tres vegades el valor de fons i les hem considerat com a "pics veritables". Per als càlculs de PCC, només es consideren els senyals m/z del precursor de la mostra (MS1) i els conjunts de dades de fragments amb almenys vuit pics veritables.
Si la intensitat de la característica de qualitat del precursor a tota la mostra està significativament correlacionada amb la intensitat reduïda de la mateixa característica de qualitat que està sotmesa a una energia de col·lisió baixa o alta, i la característica no està etiquetada com a pic isotòpic per CAMERA, es pot definir més a fons. Aleshores, calculant tots els possibles parells precursor-producte en 3 s (la finestra de temps de retenció estimada per a la retenció del pic), es realitza l'anàlisi de correlació. Només quan el valor m/z és inferior al valor del precursor i la fragmentació MS/MS es produeix a la mateixa ubicació de la mostra al conjunt de dades que el precursor del qual deriva, es considera un fragment.
Basant-nos en aquestes dues regles simples, excloem els fragments especificats amb valors m/z superiors a l'm/z del precursor identificat, i basant-nos en la posició de la mostra on apareix el precursor i el fragment especificat. També és possible seleccionar les característiques de qualitat generades per molts fragments a la font generats en mode MS1 com a precursors candidats, generant així compostos MS/MS redundants. Per tal de reduir aquesta redundància de dades, si la similitud NDP dels espectres supera 0,6, i pertanyen al cromatograma "pcgroup" anotat per CAMERA, els fusionarem. Finalment, fusionem els quatre resultats CE associats amb el precursor i els fragments a l'espectre compost deconvolucionat final seleccionant el pic d'intensitat més alta entre tots els pics candidats amb el mateix valor m/z a diferents energies de col·lisió. Els passos de processament posteriors es basen en el concepte d'espectre compost i tenen en compte les diferents condicions CE necessàries per maximitzar la probabilitat de fragmentació, ja que alguns fragments només es poden detectar sota una energia de col·lisió específica.
L'RDPI (30) es va utilitzar per calcular la inductibilitat del perfil metabòlic. La diversitat de l'espectre metabòlic (índex Hj) es deriva de l'abundància de precursors de MS/MS utilitzant l'entropia de Shannon de la distribució de freqüències de MS/MS utilitzant la següent equació descrita per Martínez et al. (8). Hj = −∑i = 1mPijlog2(Pij) on Pij correspon a la freqüència relativa de l'i-èsim MS/MS en la j-èssima mostra (j = 1, 2,…, m) (i = 1, 2,…, m) t).
L'especificitat metabòlica (índex Si) es defineix com la identitat d'expressió d'un MS/MS determinat en relació amb la freqüència entre les mostres que es consideren. L'especificitat MS/MS es calcula com a Si = 1t (∑j = 1tPijPilog2PijPi)
Utilitzeu la fórmula següent per mesurar l'índex δj específic del metaboloma de cada mostra j i la mitjana de l'especificitat MS/MS δj = ∑i = 1mPijSi
Els espectres MS/MS s'alineen per parelles i la similitud es calcula a partir de les dues puntuacions. Primer, utilitzant el mètode NDP estàndard (també conegut com a mètode de correlació del cosinus), utilitzeu l'equació següent per puntuar la similitud del segment entre els espectres NDP = (∑iS1 i S2WS1, iWS2, i) 2∑iWS1, i2∑iWS2, i2 on S1 i S2. De manera corresponent, per a l'espectre 1 i l'espectre 2, així com per a WS1, i i WS2, i representa el pes basat en la intensitat del pic, de manera que la diferència del pic comú i-èsim entre els dos espectres és inferior a 0,01 Da. El pes es calcula de la següent manera: W = [intensitat del pic] m [qualitat] n, m = 0,5, n = 2, tal com suggereix MassBank.
Es va implementar un segon mètode de puntuació, que va implicar analitzar la NL compartida entre MS/MS. Per a això, vam utilitzar les 52 llistes de NL que es troben amb freqüència durant el procés de fragmentació de MS en tàndem, i la NL més específica (fitxer de dades S1) que s'ha anotat prèviament per a l'espectre MS/MS dels metabòlits secundaris de les espècies de Nepenthes debilitades (9, 26). Creeu un vector binari d'1 i 0 per a cada MS/MS, corresponent a l'actual i inexistent d'alguna NL respectivament. Basant-se en la similitud de la distància euclidiana, es calcula la puntuació de similitud de NL per a cada parell de vectors NL binaris.
Per dur a terme una agrupació dual, vam utilitzar el paquet R DiffCoEx, que es basa en una extensió de Weighted Gene Co-expression Analysis (WGCNA). Utilitzant les matrius de puntuació NDP i NL dels espectres MS/MS, vam utilitzar DiffCoEx per calcular la matriu de correlació comparativa. L'agrupació binària es realitza establint el paràmetre "cutreeDynamic" a method = "hybrid", cutHeight = 0.9999, deepSplit = T i minClusterSize = 10. El codi font R de DiffCoEx va ser descarregat del fitxer addicional 1 per Tesson et al. (57); El paquet de programari R WGCNA requerit es pot trobar a https://horvath.genetics.ucla.edu/html/CoexpressionNetwork/Rpackages/WGCNA.
Per tal de realitzar una anàlisi de xarxes moleculars MS/MS, vam calcular la connectivitat espectral aparellada basada en els tipus de similitud NDP i NL, i vam utilitzar el programari Cytoscape per visualitzar la topologia de la xarxa mitjançant un disseny orgànic a l'aplicació d'extensió de l'algoritme de disseny yFiles de CyFilescape.
Utilitzeu la versió 3.0.1 d'R per dur a terme l'anàlisi estadística de les dades. La significació estadística es va avaluar mitjançant l'anàlisi de la variància bidireccional (ANOVA), seguida de la prova post-hoc de diferència honestament significativa (HSD) de Tukey. Per analitzar la diferència entre el tractament herbívor i el control, es va analitzar la distribució bilateral dels dos grups de mostres amb la mateixa variància mitjançant la prova t de Student.
Per a materials suplementaris per a aquest article, consulteu http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/24/eaaz0381/DC1
Aquest és un article d'accés obert distribuït sota els termes de la Llicència Creative Commons Reconeixement-NoComercial, que permet l'ús, la distribució i la reproducció en qualsevol mitjà, sempre que l'ús final no sigui amb finalitats comercials i la premissa sigui que l'obra original sigui correcta. Referència.
Nota: Només us demanem que proporcioneu la vostra adreça electrònica perquè la persona que recomaneu a la pàgina sàpiga que voleu que vegi el correu electrònic i que no és correu brossa. No capturarem cap adreça electrònica.
Aquesta pregunta s'utilitza per comprovar si sou un visitant i evitar l'enviament automàtic de correu brossa.
La teoria de la informació proporciona una moneda universal per a la comparació de metabolomes especials i la predicció de teories de defensa de proves.
La teoria de la informació proporciona una moneda universal per a la comparació de metabolomes especials i la predicció de teories de defensa de proves.
©2021 Associació Americana per a l'Avenç de la Ciència. tots els drets reservats. AAAS és soci de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef i COUNTER. ScienceAdvances ISSN 2375-2548.