Ang lain-laing mga teorya sa depensa sa tanom naghatag ug importanteng giya sa teyorya alang sa pagpasabot sa mga sumbanan sa espesyalisadong metabolismo sa tanom, apan ang ilang mga importanteng panagna kinahanglan pa nga sulayan. Dinhi, migamit kami ug unbiased tandem mass spectrometry (MS/MS) analysis aron sistematikong masusi ang metabolome sa mga strain nga nadaot sa tabako gikan sa indibidwal nga mga tanom ngadto sa mga populasyon ug suod nga may kalabutan nga mga espisye, ug giproseso ang daghang gidaghanon sa mga teorya sa mass spectrometric feature base sa compound spectra sa impormasyon. Framework aron masulayan ang mga importanteng panagna sa optimal defense (OD) ug moving target (MT) nga mga teorya. Ang component sa impormasyon sa metabolomics sa tanom nahiuyon sa teorya sa OD, apan supak sa pangunang panagna sa teorya sa MT sa dinamika sa metabolomics nga gipahinabo sa mga herbivore. Gikan sa micro hangtod sa macro evolutionary scale, ang jasmonate signal giila nga pangunang determinant sa OD, samtang ang ethylene signal naghatag ug fine-tuning sa herbivore-specific response nga gi-annotate sa MS/MS molecular network.
Ang mga espesyal nga metabolite nga adunay lain-laing mga istruktura mao ang mga nag-unang partisipante sa pagpahiangay sa tanom sa palibot, labi na sa pagdepensa sa mga kaaway (1). Ang katingalahang pagkalainlain sa espesyal nga metabolismo nga nakit-an sa mga tanom nakapadasig sa mga dekada sa lawom nga panukiduki sa daghang aspeto sa mga gimbuhaton sa ekolohiya, ug nakaporma og taas nga lista sa mga teorya sa depensa sa tanom, nga mao ang ebolusyonaryo ug ekolohikal nga pag-uswag sa mga interaksyon sa tanom-insekto. Ang empirikal nga panukiduki naghatag ug hinungdanon nga giya (2). Bisan pa, kini nga mga teorya sa depensa sa tanom wala nagsunod sa normatibo nga agianan sa hypothetical deductive reasoning, diin ang mga hinungdanon nga panagna naa sa parehas nga lebel sa pag-analisar (3) ug gisulayan sa eksperimento aron mapalambo ang sunod nga siklo sa teoretikal nga pag-uswag (4). Ang mga limitasyon sa teknikal naglimite sa pagkolekta sa datos sa piho nga mga kategorya sa metaboliko ug wala maglakip sa komprehensibo nga pag-analisar sa mga espesyal nga metabolite, sa ingon nagpugong sa mga pagtandi tali sa mga kategorya nga hinungdanon alang sa teoretikal nga pag-uswag (5). Ang kakulang sa komprehensibo nga datos sa metabolomics ug usa ka komon nga salapi aron itandi ang workflow sa pagproseso sa metabolic space tali sa lainlaing mga grupo sa tanom nakababag sa siyentipikong pagkahamtong sa natad.
Ang pinakabag-ong mga kalamboan sa natad sa tandem mass spectrometry (MS/MS) metabolomics makahimo sa pag-ila sa mga pagbag-o sa metabolismo sulod ug taliwala sa mga espisye sa usa ka gihatag nga clade sa sistema, ug mahimong iuban sa mga pamaagi sa pagkalkula aron makalkulo ang pagkaparehas sa istruktura tali niining mga komplikado nga sagol. Naunang kahibalo sa kemistri (5). Ang kombinasyon sa mga abanteng teknolohiya sa pag-analisar ug pag-compute naghatag usa ka kinahanglanon nga balangkas alang sa dugay nga pagsulay sa daghang mga panagna nga gihimo sa mga teorya sa ekolohiya ug ebolusyon sa pagkalainlain sa metabolismo. Gipaila ni Shannon (6) ang teorya sa impormasyon sa unang higayon sa iyang seminal nga artikulo kaniadtong 1948, nga nagbutang sa pundasyon alang sa pag-analisar sa matematika sa impormasyon, nga gigamit sa daghang mga natad gawas sa orihinal nga aplikasyon niini. Sa genomics, ang teorya sa impormasyon malampuson nga gigamit aron masukod ang konserbatibo nga impormasyon sa han-ay (7). Sa panukiduki sa transcriptomics, ang teorya sa impormasyon nag-analisar sa kinatibuk-ang mga pagbag-o sa transcriptome (8). Sa miaging panukiduki, among gigamit ang istatistikal nga balangkas sa teorya sa impormasyon sa metabolomics aron ihulagway ang kahanas sa metabolismo sa lebel sa tisyu sa mga tanum (9). Dinhi, among gihiusa ang MS/MS-based workflow uban sa statistical framework sa information theory, nga gihulagway sa metabolic diversity sa common currency, aron itandi ang mga importanteng prediksyon sa plant defense theory sa metabolome nga gipahinabo sa mga herbivore.
Ang mga teoretikal nga balangkas sa depensa sa tanom kasagaran inklusibo sa usag usa ug mahimong bahinon sa duha ka kategorya: kadtong naningkamot sa pagpatin-aw sa pag-apod-apod sa mga metabolite nga espesipiko sa tanom base sa mga gimbuhaton sa depensa, sama sa optimal defense (OD) (10), moving target (MT) (11) ) Ug appearance (12) nga teorya, samtang ang uban nangita og mekanikal nga mga pagpasabut kung giunsa ang mga pagbag-o sa pagkaanaa sa kahinguhaan makaapekto sa pagtubo sa tanom ug sa akumulasyon sa espesyal nga mga metabolite, sama sa carbon: nutrient balance hypothesis (13), growth rate hypothesis (14 ), ug ang growth and differentiation equilibrium hypothesis (15). Ang duha ka hugpong sa mga teorya anaa sa lainlaing lebel sa pag-analisar (4). Bisan pa, duha ka teorya nga naglambigit sa mga gimbuhaton sa depensa sa lebel sa gimbuhaton ang nagdominar sa panagsultihanay bahin sa constitutive ug inducible defenses sa tanom: OD theory, nga nagtuo nga ang mga tanom mamuhunan sa ilang mahal nga kemikal nga mga depensa lamang kung gikinahanglan, pananglitan, kung kini matulon. Kung ang usa ka hayop sa sagbot moatake, busa, sumala sa posibilidad sa umaabot nga pag-atake, ang compound nga adunay depensa nga function ang gi-assign (10); Ang MT hypothesis nagsugyot nga walay axis sa directional metabolite change, apan ang metabolite random nga mausab, busa makamugna og posibilidad nga Makababag sa metabolic "motion target" sa mga nag-atake nga herbivore. Sa ato pa, kining duha ka teorya naghimo og magkaatbang nga mga panagna bahin sa metabolic remodeling nga mahitabo human sa pag-atake sa mga herbivore: ang relasyon tali sa unidirectional accumulation sa mga metabolite nga adunay defensive function (OD) ug non-directed metabolic changes (MT) (11).
Ang mga pangagpas sa OD ug MT dili lamang naglambigit sa mga gipahinabo nga pagbag-o sa metabolome, apan lakip usab ang mga sangputanan sa ekolohiya ug ebolusyon sa akumulasyon niining mga metabolite, sama sa mga gasto sa pagpahiangay ug mga benepisyo niining mga pagbag-o sa metabolismo sa usa ka piho nga palibot sa ekolohiya (16). Bisan tuod ang duha ka pangagpas nag-ila sa depensiba nga gimbuhaton sa espesyalisadong mga metabolite, nga mahimong mahal o dili, ang pangunang panagna nga nagpalahi sa mga pangagpas sa OD ug MT anaa sa direksyon sa gipahinabo nga mga pagbag-o sa metabolismo. Ang panagna sa teorya sa OD nakadawat sa labing eksperimental nga atensyon hangtod karon. Kini nga mga pagsulay naglakip sa pagtuon sa direkta o dili direkta nga mga gimbuhaton sa depensa sa lainlaing mga tisyu sa piho nga mga compound sa mga greenhouse ug natural nga mga kondisyon, ingon man mga pagbag-o sa yugto sa paglambo sa tanum (17-19). Bisan pa, hangtod karon, tungod sa kakulang sa usa ka workflow ug statistical framework alang sa global nga komprehensibo nga pag-analisar sa pagkalainlain sa metabolismo sa bisan unsang organismo, ang panguna nga panagna sa kalainan tali sa duha ka teorya (nga mao, ang direksyon sa mga pagbag-o sa metabolismo) kinahanglan pa nga sulayan. Dinhi, naghatag kami usa ka ingon nga pag-analisar.
Usa sa labing hinungdanon nga kinaiya sa mga metabolite nga espesipiko sa tanom mao ang ilang grabe nga pagkalainlain sa istruktura sa tanan nga lebel gikan sa usa ka tanum, populasyon hangtod sa parehas nga mga espisye (20). Daghang mga pagbag-o sa kantidad sa espesyal nga mga metabolite ang maobserbahan sa sukod sa populasyon, samtang ang kusog nga mga kalainan sa kwalitatibo kasagaran gipadayon sa lebel sa espisye (20). Busa, ang pagkalainlain sa metabolismo sa tanum mao ang panguna nga aspeto sa pagkalainlain sa gimbuhaton, nga nagpakita sa pagkaangay sa lainlaing mga niche, labi na kadtong mga niche nga adunay lainlaing mga posibilidad sa pagsulong sa mga espesyal nga insekto ug kasagarang mga herbivore (21). Sukad sa groundbreaking nga artikulo ni Fraenkel (22) bahin sa mga hinungdan sa paglungtad sa mga metabolite nga espesipiko sa tanum, ang mga interaksyon sa lainlaing mga insekto giisip nga hinungdanon nga mga presyur sa pagpili, ug kini nga mga interaksyon gituohan nga nakaimpluwensya sa mga tanum sa panahon sa ebolusyon. Metabolic pathway (23). Ang mga kalainan sa interspecies sa pagkalainlain sa espesyal nga mga metabolite mahimo usab nga magpakita sa balanse sa pisyolohikal nga nalangkit sa constitutive ug inducible nga depensa sa tanum batok sa mga estratehiya sa herbivorous, tungod kay ang duha ka espisye kanunay nga negatibo nga nakig-uban sa usag usa (24). Bisan tuod mahimong mapuslanon ang pagmintinar sa maayong depensa sa tanang panahon, ang tukma sa panahon nga mga pagbag-o sa metabolismo nga nalangkit sa depensa naghatag og klaro nga mga benepisyo sa pagtugot sa mga tanom sa paggahin og bililhong mga kahinguhaan sa ubang mga pamuhunan sa pisyolohikal (19, 24), ug paglikay sa panginahanglan alang sa symbiosis. Kadaot sa kolateral (25). Dugang pa, kini nga mga reorganisasyon sa espesyalisadong mga metabolite nga gipahinabo sa mga herbivore sa insekto mahimong mosangpot sa makadaot nga pag-apod-apod sa populasyon (26), ug mahimong magpakita sa direkta nga mga pagbasa sa dakong natural nga mga pagbag-o sa signal sa jasmonic acid (JA), nga mahimong mapadayon sa populasyon. Ang taas ug ubos nga mga signal sa JA mga trade-off tali sa depensa batok sa mga herbivore ug kompetisyon sa piho nga mga espisye (27). Dugang pa, ang espesyalisadong mga agianan sa biosynthetic sa metabolite moagi sa paspas nga pagkawala ug pagbag-o sa panahon sa ebolusyon, nga moresulta sa dili parehas nga pag-apod-apod sa metabolismo taliwala sa suod nga may kalabutan nga mga espisye (28). Kini nga mga polymorphism dali nga matukod isip tubag sa nagbag-o nga mga sumbanan sa herbivore (29), nga nagpasabut nga ang pag-usab-usab sa mga komunidad sa herbivore usa ka hinungdanon nga hinungdan nga nagduso sa metabolic heterogeneity.
Dinhi, among gisulbad ang mosunod nga mga problema. (I) Giunsa pag-reconfigure sa herbivorous insect ang plant metabolome? (Ii) Unsa ang mga nag-unang sangkap sa impormasyon sa metabolic plasticity nga mahimong masukod aron masulayan ang mga panagna sa long-term defense theory? (Iii) Kung i-reprogram ba ang plant metabolome sa paagi nga talagsaon sa tig-atake, kung mao, unsa ang papel nga gidula sa plant hormone sa pagpahaum sa usa ka piho nga metabolic response, ug unsang mga metabolite ang nakatampo sa species specificity sa depensa? (Iv) Tungod kay ang mga panagna nga gihimo sa daghang mga teorya sa depensa mahimong mapalapdan sa tanan nga lebel sa biological tissues, among gipangutana kung unsa ka makanunayon ang metabolic response nga gipahinabo gikan sa internal nga pagtandi ngadto sa interspecies nga pagtandi? Tungod niini, among sistematikong gitun-an ang leaf metabolome sa tabako nga nikotina, nga usa ka ecological model plant nga adunay dato nga espesyalisadong metabolismo, ug epektibo batok sa ulod sa duha ka lumad nga herbivore, ang Lepidoptera Datura (Ms) (Agresibo kaayo, kasagarang gikaon). Sa Solanaceae ug Spodoptera littoralis (Sl), ang mga cotton leaf worm usa ka klase sa "genus", uban ang mga tanom nga host sa Solanaceae ug uban pang mga host sa ubang genera ug pamilya nga Plant food. Among gi-parse ang MS/MS metabolomics spectrum ug gikuha ang information theory statistical descriptors aron itandi ang OD ug MT theories. Naghimo og specificity maps aron ipadayag ang identidad sa mga importanteng metabolite. Ang pag-analisa gipalapdan sa lumad nga populasyon sa N. nasi ug suod nga may kalabutan nga mga espisye sa tabako aron masusi pa ang covariance tali sa plant hormone signaling ug OD induction.
Aron makuha ang kinatibuk-ang mapa bahin sa plasticity ug istruktura sa leaf metabolome sa herbivorous tobacco, migamit kami og kaniadto naugmad nga analysis ug calculation workflow aron komprehensibo nga kolektahon ug i-deconvolute ang high-resolution data independent MS/MS spectra gikan sa plant extracts (9). Kini nga undifferentiated method (gitawag og MS/MS) makahimo og non-redundant compound spectra, nga magamit unya para sa tanang compound-level analyses nga gihulagway dinhi. Kini nga mga deconvoluted plant metabolites adunay lain-laing klase, nga gilangkoban sa gatusan ngadto sa liboan ka metabolites (mga 500-1000-s/MS/MS dinhi). Dinhi, among gikonsiderar ang metabolic plasticity sa gambalay sa information theory, ug gi-quantify ang diversity ug professionalism sa metabolome base sa Shannon entropy sa metabolic frequency distribution. Gamit ang kaniadto gipatuman nga formula (8), among gikalkulo ang usa ka set sa mga indicators nga magamit sa pag-quantify sa metabolome diversity (Hj indicator), metabolic profile specialization (δj indicator) ug metabolic specificity sa usa ka metabolite (Si indicator). Dugang pa, among gigamit ang Relative Distance Plasticity Index (RDPI) aron masukod ang inducibility sa metabolome sa mga herbivore (Figure 1A) (30). Sulod niining statistical framework, among gitratar ang MS/MS spectrum isip basic information unit, ug giproseso ang relative abundance sa MS/MS ngadto sa usa ka frequency distribution map, ug dayon gigamit ang Shannon entropy aron mabanabana ang diversity sa metabolome gikan niini. Ang espesyalisasyon sa metabolome gisukod pinaagi sa average specificity sa usa ka MS/MS spectrum. Busa, ang pagtaas sa abundance sa pipila ka MS/MS classes human sa herbivore induction giusab ngadto sa spectral inducibility, RDPI ug specialization, nga mao, ang pagtaas sa δj index, tungod kay mas espesyalisadong metabolites ang gihimo ug taas nga Si index ang gihimo. Ang pagpaubos sa Hj diversity index nagpakita nga ang gidaghanon sa namugna nga MS/MS mikunhod, o ang profile frequency distribution nag-usab sa dili kaayo pare-pareho nga direksyon, samtang gipakunhod ang kinatibuk-ang kawalay kasiguroan niini. Pinaagi sa kalkulasyon sa Si index, posible nga ipasiugda kung unsang MS/MS ang giaghat sa pipila ka mga herbivore, sa sukwahi, unsang MS/MS ang wala motubag sa induction, nga usa ka hinungdanon nga timailhan aron mailhan ang prediksyon sa MT ug OD.
(A) Mga statistical descriptor nga gigamit para sa herbivorous (H1 hangtod Hx) MS/MS data-inducibility (RDPI), diversity (Hj index), specialization (δj index) ug metabolite specificity (Si index). Ang pagtaas sa degree of specialization (δj) nagpakita nga, sa aberids, mas daghang herbivorous specific metabolites ang maprodyus, samtang ang pagkunhod sa diversity (Hj) nagpakita sa pagkunhod sa produksiyon sa mga metabolites o dili patas nga distribusyon sa mga metabolites sa distribution map. Ang Si value nag-assess kung ang metabolite espesipiko ba sa usa ka gihatag nga kondisyon (dinhi, herbivorous) o sa laing bahin gimentinar sa parehas nga lebel. (B) Conceptual diagram sa prediksyon sa teorya sa depensa gamit ang information theory axis. Ang teorya sa OD nagtagna nga ang pag-atake sa herbivore modugang sa mga defense metabolites, sa ingon modugang sa δj. Sa samang higayon, ang Hj mokunhod tungod kay ang profile gi-reorganisa padulong sa pagkunhod sa kawalay kasiguroan sa metabolic information. Ang teorya sa MT nagtagna nga ang pag-atake sa mga herbivore hinungdan sa dili direktang mga pagbag-o sa metabolome, sa ingon nagdugang sa Hj isip usa ka timailhan sa dugang nga kawalay kasiguruhan sa impormasyon sa metabolismo ug hinungdan sa usa ka random nga pag-apod-apod sa Si. Gisugyot usab namo ang usa ka sinagol nga modelo, ang labing maayo nga MT, diin ang pipila ka mga metabolite nga adunay mas taas nga mga kantidad sa depensa labi nga madugangan (taas nga kantidad sa Si), samtang ang uban nagpakita sa mga random nga tubag (mas ubos nga kantidad sa Si).
Gamit ang mga deskriptor sa teorya sa impormasyon, among gihubad ang teorya sa OD aron matagna nga ang mga pagbag-o sa espesyal nga metabolite nga gipahinabo sa herbivore sa usa ka wala gipahinabo nga constitutive state mosangpot sa (i) pagtaas sa metabolic specificity (Si index) nga nagduso sa metabonomic specificity (δj index) Ang pagtaas sa) pipila ka espesyal nga grupo sa metabolite nga adunay mas taas nga bili sa depensa, ug (ii) pagkunhod sa metabolome diversity (Hj index) tungod sa pagbag-o sa metabolic frequency distribution ngadto sa mas leptin body distribution. Sa lebel sa usa ka metabolite, gilauman ang usa ka ordered Si distribution, diin ang metabolite mopataas sa bili sa Si sumala sa bili sa depensa niini (Figure 1B). Niini nga linya, among gipasabut ang teorya sa MT aron matagna nga ang excitation mosangpot sa (i) dili-direksyon nga mga pagbag-o sa mga metabolite nga moresulta sa pagkunhod sa δj index, ug (ii) pagtaas sa Hj index tungod sa pagtaas sa metabolic uncertainty. O randomness, nga mahimong masukod pinaagi sa Shannon entropy sa porma sa generalized diversity. Mahitungod sa metabolic composition, ang teorya sa MT magtagna sa random distribution sa Si. Tungod kay ang pipila ka mga metabolite anaa ubos sa espesipikong mga kondisyon ubos sa espesipikong mga kondisyon, ug ang ubang mga kondisyon wala ubos sa espesipikong mga kondisyon, ug ang ilang bili sa depensa nagdepende sa palibot, among gisugyot usab ang usa ka mixed defense model, diin ang δj ug Hj giapod-apod sa duha ubay sa Si. Ang pagdugang sa tanang direksyon, ang pipila lang ka mga grupo sa metabolite, nga adunay mas taas nga bili sa depensa, ang partikular nga mopataas sa Si, samtang ang uban adunay random nga distribusyon (Figure 1B).
Aron masulayan ang redefined defense theory prediction sa axis sa information theory descriptor, among gipataas ang expert (Ms) o generalist (Sl) herbivore larvae sa mga dahon sa Nepenthes pallens (Figure 2A). Gamit ang MS/MS analysis, among nakuha ang 599 non-redundant MS/MS spectra (data file S1) gikan sa methanol extracts sa leaf tissue nga nakolekta human sa pagpakaon sa ulod. Ang paggamit sa RDPI, Hj, ug δj indexes aron makita ang reconfiguration sa information content sa MS/MS configuration files nagpadayag ug makapainteres nga mga pattern (Figure 2B). Ang kinatibuk-ang trend mao nga, sama sa gihulagway sa information descriptor, samtang ang mga ulod nagpadayon sa pagkaon sa mga dahon, ang degree sa tanang metabolic reorganization motaas sa paglabay sa panahon: 72 ka oras human mokaon ang herbivore, ang RDPI motaas pag-ayo. Kung itandi sa undamaged control, ang Hj mikunhod pag-ayo, nga tungod sa pagtaas sa degree sa specialization sa metabolic profile, nga gi-quantify sa δj index. Kining dayag nga uso nahiuyon sa mga panagna sa teorya sa OD, apan dili nahiuyon sa mga nag-unang panagna sa teorya sa MT, nga nagtuo nga ang random (dili-direksyon) nga mga pagbag-o sa lebel sa metabolite gigamit isip usa ka depensiba nga camouflage (Figure 1B). Bisan kung ang sulud sa oral secretion (OS) elicitor ug pamatasan sa pagkaon niining duha ka herbivore managlahi, ang ilang direkta nga pagkaon miresulta sa parehas nga mga pagbag-o sa direksyon sa Hj ug δj atol sa 24-oras ug 72-oras nga mga panahon sa pag-ani. Ang bugtong kalainan nahitabo sa 72 ka oras nga RDPI. Kung itandi sa hinungdan sa pagpakaon sa Ms, ang kinatibuk-ang metabolismo nga gipahinabo sa pagpakaon sa Sl mas taas.
(A) Eksperimental nga disenyo: ang ordinaryong baboy (S1) o eksperto (Ms) nga mga herbivore gipakaon og desalinated nga mga dahon sa pitcher plants, samtang para sa simulated herbivory, ang OS sa Ms (W + OSMs) gigamit sa pagdumala sa pagtusok sa standardized nga posisyon sa dahon. S1 (W + OSSl) larvae o tubig (W + W). Ang kontrol (C) usa ka wala madaot nga dahon. (B) Inducibility (RDPI kon itandi sa control chart), diversity (Hj index) ug specialization (δj index) index nga gikalkulo para sa special metabolite map (599 MS/MS; data file S1). Ang mga asterisk nagpakita sa mga mahinungdanong kalainan tali sa direktang pagpakaon sa herbivore ug sa control group (Student's t-test nga adunay paired t-test, *P<0.05 ug ***P<0.001). ns, dili importante. (C) Indeks sa resolusyon sa oras sa panguna (asul nga kahon, amino acid, organikong asido ug asukal; data file S2) ug espesyal nga metabolite spectrum (pula nga kahon 443 MS/MS; data file S1) pagkahuman sa simulated herbivory treatment. Ang color band nagtumong sa 95% nga confidence interval. Ang asterisk nagpakita sa hinungdanon nga kalainan tali sa pagtambal ug sa kontrol [quadratic analysis of variance (ANOVA), gisundan sa Tukey's honestly significant difference (HSD) alang sa post hoc multiple comparisons, *P<0.05, **P<0.01 Ug *** P <0.001]. (D) Espesyalisasyon sa mga scatter plot ug espesyal nga mga metabolite profile (gisubli nga mga sample nga adunay lainlaing mga pagtambal).
Aron masusi kung ang herbivore-induced remodeling sa lebel sa metabolome makita ba sa mga pagbag-o sa lebel sa indibidwal nga mga metabolite, una namong gipunting ang mga metabolite nga gitun-an kaniadto sa mga dahon sa Nepenthes pallens nga adunay napamatud-an nga resistensya sa herbivore. Ang phenolic amides mga hydroxycinnamamide-polyamine conjugates nga natipon sa panahon sa proseso sa herbivory sa mga insekto ug nahibal-an nga makapakunhod sa performance sa insekto (32). Gisusi namo ang mga precursor sa katugbang nga MS/MS ug gi-plot ang ilang cumulative kinetic curves (Figure S1). Dili ikatingala, ang mga phenol derivatives nga wala direktang nalambigit sa depensa batok sa mga herbivore, sama sa chlorogenic acid (CGA) ug rutin, gipaubos human sa herbivory. Sa kasukwahi, ang mga herbivore makahimo sa phenol amides nga kusgan kaayo. Ang padayon nga pagpakaon sa duha ka herbivore miresulta sa halos parehas nga excitation spectrum sa mga phenolamide, ug kini nga sumbanan labi ka klaro alang sa de novo synthesis sa mga phenolamide. Ang parehas nga panghitabo maobserbahan kung susihon ang 17-hydroxygeranyl nonanediol diterpene glycosides (17-HGL-DTGs) pathway, nga nagpatunghag daghang acyclic diterpenes nga adunay epektibo nga anti-herbivore functions (33), diin ang Ms Feeding uban sa Sl nagpahinabo sa parehas nga expression profile (Figure S1)).
Ang posibleng disbentaha sa direktang mga eksperimento sa pagpakaon sa mga herbivore mao ang kalainan sa gikusgon sa pagkonsumo sa dahon ug oras sa pagpakaon sa mga herbivore, nga nagpalisod sa pagwagtang sa mga epekto nga espesipiko sa herbivore nga gipahinabo sa mga samad ug mga herbivore. Aron mas masulbad ang espesipiko sa herbivore species sa gipahinabo nga metabolic response sa dahon, among gisundog ang pagpakaon sa mga larvae sa Ms ug Sl pinaagi sa pag-apply dayon sa bag-ong nakolekta nga OS (OSM ug OSS1) sa standard nga puncture W sa makanunayon nga posisyon sa dahon. Kini nga pamaagi gitawag nga W + OS treatment, ug kini nag-standardize sa induction pinaagi sa tukma nga pag-time sa pagsugod sa tubag nga gipahinabo sa herbivore nga wala hinungdan sa mga epekto sa confounding sa mga kalainan sa rate o gidaghanon sa pagkawala sa tisyu (Figure 2A) (34). Gamit ang MS/MS analysis ug calculation pipeline, among nakuha ang 443 MS/MS spectra (data file S1), nga nagsapaw sa spectra nga kaniadto gitigom gikan sa direktang mga eksperimento sa pagpakaon. Ang pag-analisa sa teorya sa impormasyon niining MS/MS data set nagpakita nga ang pag-reprogram sa mga leaf-specialized metabolomes pinaagi sa pag-simulate sa mga herbivore nagpakita sa mga OS-specific inducement (Figure 2C). Ilabi na, kon itandi sa pagtambal sa OSS1, ang OSM hinungdan sa pag-uswag sa espesyalisasyon sa metabolome sa 4 ka oras. Angayan nga matikdan nga kon itandi sa direktang pagpakaon sa herbivore sa eksperimento nga datos, ang metabolic kinetics nga makita sa duha ka dimensyon nga wanang gamit ang Hj ug δj isip mga koordinasyon ug ang direksyon sa espesyalisasyon sa metabolome isip tubag sa simulated herbivore treatment sa paglabay sa panahon Nagkadaghan ang makanunayon (Figure 2D). Sa samang higayon, among gi-quantify ang sulod sa mga amino acid, organic acid ug asukar (data file S2) aron imbestigahan kung kini nga target nga pagtaas sa kahanas sa metabolome tungod ba sa reconfiguration sa central carbon metabolism isip tubag sa simulated herbivore (Figure S2). Aron mas masabtan kini nga sumbanan, among gimonitor pa ang metabolic accumulation kinetics sa nahisgutan kaniadto nga phenolamide ug 17-HGL-DTG pathways. Ang OS-specific induction sa mga herbivore giusab ngadto sa usa ka differential rearrangement pattern sulod sa metabolismo sa phenolamide (Figure S3). Ang mga phenolic amide nga adunay coumarin ug caffeoyl moieties mas giaghat sa OSS1, samtang ang mga OSM nag-trigger sa usa ka piho nga induction sa ferulyl conjugates. Para sa 17-HGL-DTG pathway, nakita ang differential OS induction pinaagi sa downstream malonylation ug dimalonylation products (Figure S3).
Sunod, among gitun-an ang OS-induced transcriptome plasticity gamit ang time-course microarray data set, nga nagsundog sa paggamit sa mga OSM aron matambalan ang mga dahon sa mga dahon sa rosette plant sa mga herbivore. Ang sampling kinetics halos nagsapaw sa kinetics nga gigamit niining metabolomics study (35). Kon itandi sa metabolome reconfiguration diin ang metabolic plasticity labi nga nadugangan sa paglabay sa panahon, among naobserbahan ang transient transcription bursts sa mga dahon nga gipahinabo sa Ms, diin ang transcriptome inducibility (RDPI) ug specialization (δj) anaa sa 1. Adunay dakong pagtaas sa mga oras, ug diversity (Hj) niining panahona, ang expression sa BMP1 mikunhod pag-ayo, gisundan sa pagrelaks sa transcriptome specialization (Figure S4). Ang mga metabolic gene families (sama sa P450, glycosyltransferase, ug BAHD acyltransferase) miapil sa proseso sa pag-assemble sa mga espesyal nga metabolite gikan sa mga structural unit nga nakuha gikan sa primary metabolism, nga nagsunod sa nahisgutang early high-specialization model. Isip usa ka case study, ang phenylalanine pathway gisusi. Gikumpirma sa pagtuki nga ang mga core gene sa metabolismo sa phenolamide taas og OS-induced sa mga herbivore kon itandi sa mga tanom nga wala madani, ug suod nga nahan-ay sa ilang mga expression pattern. Ang transcription factor MYB8 ug structural genes nga PAL1, PAL2, C4H ug 4CL sa upstream niini nga pathway nagpakita og sayo nga pagsugod sa transcription. Ang mga Acyltransferase nga adunay papel sa katapusang pag-assemble sa phenolamide, sama sa AT1, DH29, ug CV86, nagpakita og dugay nga upregulation pattern (Figure S4). Ang mga obserbasyon sa ibabaw nagpakita nga ang sayo nga pagsugod sa transcriptome specialization ug ang ulahi nga pagpaayo sa metabolomics specialization usa ka coupled mode, nga mahimong tungod sa synchronous regulatory system nga nagsugod sa usa ka kusgan nga defense response.
Ang reconfiguration sa plant hormone signaling nagsilbing regulatory layer nga nag-integrate sa herbivorous information aron ma-reprogram ang physiology sa mga tanom. Human sa herbivore simulation, among gisukod ang cumulative dynamics sa mga importanteng plant hormone categories ug gi-visualize ang temporal co-expression tali kanila [Pearson correlation coefficient (PCC)> 0.4] (Figure 3A). Sama sa gilauman, ang mga plant hormone nga may kalabutan sa biosynthesis nalambigit sulod sa plant hormone co-expression network. Dugang pa, ang metabolic specificity (Si index) gi-map niini nga network aron i-highlight ang mga plant hormone nga gi-induce sa lain-laing mga treatment. Duha ka nag-unang area sa herbivorous specific response ang gidrowing: ang usa naa sa JA cluster, diin ang JA (ang biologically active form niini nga JA-Ile) ug uban pang JA derivatives nagpakita sa pinakataas nga Si score; ang lain mao ang ethylene (ET). Ang Gibberellin nagpakita lamang og kasarangan nga pagtaas sa herbivore specificity, samtang ang ubang plant hormone, sama sa cytokinin, auxin, ug abscisic acid, adunay ubos nga induction specificity para sa mga herbivore. Kon itandi sa paggamit sa W + W lamang, ang pagpadako sa peak value sa mga JA derivatives pinaagi sa OS application (W + OS) mahimong mausab ngadto sa usa ka lig-on nga espesipikong timailhan sa mga JA. Sa wala damha, ang OSM ug OSS1 nga adunay lain-laing elicitor content nahibal-an nga hinungdan sa parehas nga akumulasyon sa JA ug JA-Ile. Sukwahi sa OSS1, ang OSM espesipiko ug kusog nga giaghat sa mga OSM, samtang ang OSS1 wala magpadako sa tubag sa mga basal nga samad (Figure 3B).
(A) Pag-analisa sa co-expression network base sa kalkulasyon sa PCC sa herbivore-induced plant hormone accumulation kinetics simulation. Ang node nagrepresentar sa usa ka plant hormone, ug ang gidak-on sa node nagrepresentar sa Si index nga espesipiko sa plant hormone taliwala sa mga pagtambal. (B) Pag-akumulate sa JA, JA-Ile ug ET sa mga dahon nga gipahinabo sa lainlaing mga pagtambal nga gipakita sa lainlaing mga kolor: apricot, W + OSM; asul, W + OSSl; itom, W + W; abohon, C (kontrol). Ang mga asterisk nagpakita sa hinungdanon nga mga kalainan tali sa pagtambal ug kontrol (two-way ANOVA gisundan sa Tukey HSD post hoc multiple comparison, *** P <0.001). Pag-analisa sa teorya sa impormasyon sa (C)697 MS/MS (data file S1) sa JA biosynthesis ug impaired perception spectrum (irAOC ug irCOI1) ug (D)585 MS/MS (data file S1) sa ETR1 nga adunay impaired ET signal Duha ka simulated herbivore treatments ang nag-trigger sa plant lines ug empty vehicle (EV) control plant. Ang mga asterisk nagpakita sa mga dakong kalainan tali sa pagtambal sa W+OS ug sa wala madaot nga kontrol (two-way ANOVA gisundan sa Tukey HSD post hoc multiple comparison, *P<0.05, **P<0.01 ug ***P<0.001). (E) Nagkatag nga mga graph sa nagkatag nga oposisyon sa espesyalisasyon. Ang mga kolor nagrepresentar sa lain-laing genetically modified strains; ang mga simbolo nagrepresentar sa lain-laing mga pamaagi sa pagtambal: triangle, W + OSS1; rectangle, W + OSM; circle C
Sunod, among gigamit ang genetically modified strain sa attenuated Nepenthes (irCOI1 ug sETR1) sa mga importanteng lakang sa JA ug ET biosynthesis (irAOC ug irACO) ug perception (irCOI1 ug sETR1) aron analisahon ang metabolismo niining duha ka plant hormone sa mga herbivore. Ang relatibong kontribusyon sa reprogramming. Nahiuyon sa nangaging mga eksperimento, among gikumpirma ang induction sa herbivore-OS sa mga empty carrier (EV) nga mga tanom (Figure 3, C hangtod D) ug ang kinatibuk-ang pagkunhod sa Hj index nga gipahinabo sa OSM, samtang ang δj index misaka. Ang tubag mas klaro kay sa tubag nga gipahinabo sa OSS1. Ang duha ka linya nga graph nga naggamit sa Hj ug δj isip mga coordinate nagpakita sa espesipikong deregulation (Figure 3E). Ang labing klaro nga trend mao nga sa mga strain nga kulang sa JA signal, ang metabolome diversity ug specialization changes nga gipahinabo sa mga herbivore halos hingpit nga nawala (Figure 3C). Sa kasukwahi, ang hilom nga ET perception sa mga tanom nga sETR1, bisan tuod ang kinatibuk-ang epekto sa mga pagbag-o sa herbivorous metabolism mas ubos kay sa JA signaling, nagpahuyang sa kalainan sa Hj ug δj indices tali sa OSM ug OSS1 excitations (Figure 3D ug Figure S5). Kini nagpakita nga dugang pa sa kinauyokan nga function sa JA signal transduction, ang ET signal transduction nagsilbi usab nga fine-tuning sa species-specific metabolic response sa mga herbivore. Subay niining fine-tuning function, walay pagbag-o sa kinatibuk-ang metabolome inducibility sa mga tanom nga sETR1. Sa laing bahin, kon itandi sa mga tanom nga sETR1, ang mga tanom nga irACO nag-induce sa parehas nga kinatibuk-ang amplitudes sa mga pagbag-o sa metabolismo nga gipahinabo sa mga herbivore, apan nagpakita og dakong kalainan sa Hj ug δj scores tali sa OSM ug OSS1 challenges (Figure S5).
Aron mailhan ang mga espesyalisadong metabolite nga adunay importanteng kontribusyon sa species-specific response sa mga herbivore ug ma-fine-tune ang ilang produksiyon pinaagi sa ET signals, among gigamit ang kaniadto naugmad nga structural MS/MS method. Kini nga pamaagi nagsalig sa bi-clustering method aron i-reinfer ang metabolic family gikan sa MS/MS fragments [normalized dot product (NDP)] ug similarity score base sa neutral loss (NL). Ang MS/MS data set nga gihimo pinaagi sa pag-analisa sa ET transgenic lines nakamugna og 585 MS/MS (data file S1), nga gi-resolve pinaagi sa pag-cluster niini ngadto sa pito ka main MS/MS modules (M) (Figure 4A). Ang uban niini nga mga modules puno sa kaniadto gihulagway nga mga espesyal nga metabolite: pananglitan, ang M1, M2, M3, M4 ug M7 dato sa lain-laing phenol derivatives (M1), flavonoid glycosides (M2), acyl sugars (M3 Ug M4), ug 17-HGL-DTG (M7). Dugang pa, ang metabolic specific information (Si index) sa usa ka metabolite sa matag module gikalkulo, ug ang Si distribution niini makita nga intuitively. Sa laktod nga pagkasulti, ang MS/MS spectra nga nagpakita og taas nga herbivory ug genotype specificity gihulagway sa taas nga Si values, ug ang kurtosis statistics nagpakita sa distribution sa fur sa tuo nga ikog. Usa sa maong lean colloid distribution ang nakita sa M1, diin ang phenol amide nagpakita sa pinakataas nga Si fraction (Figure 4B). Ang nahisgotan na nga herbivorous inducible 17-HGL-DTG sa M7 nagpakita og moderate Si score, nga nagpakita og moderate degree sa differential regulation tali sa duha ka OS types. Sa kasukwahi, kadaghanan sa constitutively produced specialized metabolites, sama sa rutin, CGA, ug acyl sugars, lakip sa pinakaubos nga Si scores. Aron mas masusi ang structural complexity ug Si distribution tali sa special metabolites, usa ka molecular network ang gitukod para sa matag module (Figure 4B). Usa ka importanteng panagna sa teorya sa OD (gisumada sa Figure 1B) mao nga ang pag-reorganisa sa mga espesyal nga metabolite pagkahuman sa herbivory kinahanglan nga mosangpot sa one-way nga mga pagbag-o sa mga metabolite nga adunay taas nga kantidad sa depensa, labi na pinaagi sa pagdugang sa ilang espesipiko (sukwahi sa random nga distribution) Mode) Defensive metabolite nga gitagna sa teorya sa MT. Kadaghanan sa mga phenol derivatives nga natipon sa M1 adunay functionally related sa pagkunhod sa performance sa insekto (32). Kung itandi ang mga kantidad sa Si sa mga metabolite sa M1 taliwala sa giaghat nga mga dahon ug ang mga constituent nga dahon sa mga planta sa kontrol sa EV sa 24 oras, among naobserbahan nga ang metabolic specificity sa daghang mga metabolite pagkahuman sa mga insekto sa herbivory adunay usa ka hinungdanon nga pagtaas sa uso (Figure 4C). Ang piho nga pagtaas sa kantidad sa Si nakita lamang sa mga defensive phenolamides, apan walay pagtaas sa kantidad sa Si nga nakita sa ubang mga phenol ug wala mailhi nga mga metabolite nga nag-uban niini nga module. Kini usa ka espesyal nga modelo, nga may kalabutan sa teorya sa OD. Ang mga nag-unang panagna sa mga pagbag-o sa metabolismo nga gipahinabo sa mga herbivore makanunayon. Aron masulayan kung kini nga partikularidad sa phenolamide spectrum na-induce ba sa OS-specific ET, among gi-plot ang metabolite Si index ug hinungdan sa usa ka differential expression value tali sa OSM ug OSS1 sa EV ug sETR1 genotypes (Figure 4D). Sa sETR1, ang phenamide-induced nga kalainan tali sa OSM ug OSS1 mikunhod pag-ayo. Ang bi-clustering method gigamit usab sa MS/MS data nga nakolekta sa mga strain nga adunay dili igo nga JA aron mahibal-an ang mga nag-unang MS/MS modules nga may kalabotan sa JA-regulated metabolic specialization (Figure S6).
(A) Ang mga resulta sa clustering sa 585 MS/MS base sa shared fragment (NDP similarity) ug shared neutral loss (NL similarity) miresulta sa module (M) nga nahiuyon sa nailhan nga compound family, o pinaagi sa wala mailhi o dili maayo nga na-metabolize nga komposisyon sa Metabolite. Sunod sa matag module, gipakita ang metabolite (MS/MS) specific (Si) distribution. (B) Modular molecular network: Ang mga node nagrepresentar sa MS/MS ug mga ngilit, NDP (pula) ug NL (asul) MS/MS scores (cut-off, > 0.6). Ang graded metabolite specificity index (Si) gikolor base sa module (wala) ug gimapa sa molecular network (tuo). (C) Module M1 sa EV plant sa constitutive (control) ug induced state (simulated herbivore) sa 24 oras: molecular network diagram (Ang bili sa Si mao ang gidak-on sa node, ang defensive phenolamide gi-highlight sa asul). (D) Ang M1 molecular network diagram sa spectrum line sETR1 nga adunay impaired EV ug ET perception: ang phenolic compound nga girepresentahan sa green circle node, ug ang significant difference (P value) tali sa W + OSM ug W + OSS1 treatments isip Node size. CP, N-caffeoyl-tyrosine; CS, N-caffeoyl-spermidine; FP, N-ferulic acid ester-uric acid; FS, N-ferulyl-spermidine; CoP, N', N “-Coumarolyl-tyrosine; DCS, N', N”-dicaffeoyl-spermidine; CFS, N', N”-caffeoyl, feruloyl-spermidine; Lycium barbarum sa wolfberry Son; Nick. O-AS, O-acyl sugar.
Among gipalapdan pa ang pag-analisar gikan sa usa ka attenuated Nepenthes genotype ngadto sa natural nga mga populasyon, diin ang kusog nga intraspecific nga mga pagbag-o sa herbivorous JA levels ug specific metabolite levels gihulagway na kaniadto sa natural nga mga populasyon (26). Gamita kini nga data set aron matabonan ang 43 ka germplasms. Kini nga mga germplasm gilangkoban sa 123 ka klase sa mga tanom gikan sa N. pallens. Kini nga mga tanom gikuha gikan sa mga liso nga nakolekta sa lain-laing lumad nga mga puy-anan sa Utah, Nevada, Arizona, ug California (Figure S7), among gikalkulo ang metabolome diversity (gitawag dinhi nga population level) β diversity) ug ang espesyalisasyon nga gipahinabo sa OSM. Nahiuyon sa nangaging mga pagtuon, among naobserbahan ang usa ka halapad nga mga pagbag-o sa metabolismo ubay sa Hj ug δj axes, nga nagpakita nga ang mga germplasm adunay hinungdanon nga mga kalainan sa plasticity sa ilang metabolic responses sa mga herbivore (Figure S7). Kini nga organisasyon nahisama sa nangaging mga obserbasyon bahin sa dynamic range sa mga pagbag-o sa JAs nga gipahinabo sa mga herbivore, ug nagmintinar sa usa ka taas kaayo nga kantidad sa usa ka populasyon (26, 36). Pinaagi sa paggamit sa JA ug JA-Ile aron pagsulay sa kinatibuk-ang lebel sa korelasyon tali sa Hj ug δj, among nakita nga adunay usa ka hinungdanon nga positibo nga korelasyon tali sa JA ug sa metabolome β diversity ug specialization index (Figure S7). Kini nagsugyot nga ang herbivore-induced heterogeneity sa JAs induction nga nakita sa lebel sa populasyon mahimong tungod sa mga importanteng metabolic polymorphism nga gipahinabo sa pagpili gikan sa mga herbivore sa insekto.
Ang mga nangaging pagtuon nagpakita nga ang mga klase sa tabako managlahi kaayo sa klase ug relatibong pagsalig sa gipahinabo ug constitutive metabolic defenses. Gituohan nga kini nga mga pagbag-o sa anti-herbivore signal transduction ug mga kapabilidad sa depensa gi-regulate sa pressure sa populasyon sa insekto, siklo sa kinabuhi sa tanom, ug gasto sa produksiyon sa depensa sa niche diin motubo ang usa ka gihatag nga espisye. Gitun-an namo ang pagkamakanunayon sa leaf metabolome remodeling nga gipahinabo sa mga herbivore sa unom ka espisye sa Nicotiana nga lumad sa North America ug South America. Kini nga mga espisye suod nga may kalabutan sa Nepenthes North America, nga mao ang Nicolas Bociflo. La, N. nicotinis, Nicotiana n. attenuated grass, Nicotiana tabacum, linear tobacco, tobacco (Nicotiana spegazzinii) ug tobacco leaf tobacco (Nicotiana obtusifolia) (Figure 5A) (37). Unom niini nga mga espisye, lakip ang maayo nga nailhan nga espisye nga N. palihug, mga tinuig nga tanom sa petunia clade, ug ang obtusifolia N. mga perennial sa sister clade nga Trigonophyllae (38). Sunod niini, gihimo ang W + W, W + OSM ug W + OSS1 induction niining pito ka espisye aron tun-an ang metabolic rearrangement sa pagpakaon sa insekto sa lebel sa espisye.
(A) Usa ka bootstrap phylogenetic tree nga gibase sa maximum likelihood [para sa nuclear glutamine synthesis (38)] ug ang geographical distribution sa pito ka suod nga may kalabutan nga Nicotiana species (lainlaing kolor) (37). (B) Usa ka scatter plot sa specialized diversity para sa metabolic profiles sa pito ka Nicotiana species (939 MS/MS; data file S1). Sa lebel sa species, ang metabolome diversity negatibo nga nakig-correlate sa degree sa specialization. Ang pag-analisa sa species-level correlation tali sa metabolic diversity ug specialization ug JA accumulation gipakita sa Figure 2. S9. Kolor, lain-laing klase; triangle, W + OSS1; rectangle, W + OSM; (C) Ang Nicotiana JA ug JA-Ile dynamics gi-rank sumala sa OS excitation amplitude (two-way ANOVA ug Tukey HSD post-multiple comparison, * P <0.05, ** P <0.01 ug * ** Para sa pagtandi sa W + OS ug W + W, P <0.001). Box plot sa (D) diversity ug (E) espesyalisasyon sa matag espisye human sa pag-simulate sa herbivorous ug methyl JA (MeJA). Ang asterisk nagpakita sa dakong kalainan tali sa W + OS ug W + W o lanolin plus W (Lan + W) o Lan plus MeJA (Lan + MeJa) ug Lan control (two-way analysis of variance, gisundan sa Tukey's HSD post hoc multiple comparison, *P<0.05, **P<0.01 ug ***P<0.001).
Gamit ang dual cluster method, among nailhan ang 9 ka modules nga adunay 939 ka MS/MS (data file S1). Ang komposisyon sa MS/MS nga gi-reconfigure sa lain-laing mga treatment managlahi kaayo taliwala sa lain-laing mga module taliwala sa mga species (Figure S8). Ang pag-visualize sa Hj (gitawag dinhi nga species-level γ-diversity) ug δj nagpakita nga ang lain-laing mga species nag-assemble ngadto sa lain-laing mga grupo sa metabolic space, diin ang species-level division kasagaran mas prominente kaysa excitation. Gawas sa N. linear ug N. obliquus, sila nagpakita og halapad nga dynamic range sa induction effects (Figure 5B). Sa kasukwahi, ang mga species sama sa N. purpurea ug N. obtusifolia adunay dili kaayo klaro nga metabolic response sa treatment, apan ang metabolome mas lainlain. Ang species-specific distribution sa induced metabolic response miresulta sa usa ka significant negative correlation tali sa specialization ug gamma diversity (PCC = -0.46, P = 4.9×10-8). Ang mga pagbag-o nga gipahinabo sa OS sa lebel sa JAs positibo nga may kalabutan sa espesyalisasyon sa metabolome, ug negatibo nga may kalabutan sa metabolic gamma diversity nga gipakita sa matag espisye (Figure 5B ug Figure S9). Angayan nga matikdan nga ang espisye nga gitawag nga "signal response" nga espisye sa Figure 5C, sama sa Nepenthes nematodes, Nepenthes nepenthes, Nepenthes acute, ug Nepenthes attenuated, hinungdan sa mga hinungdanon nga timailhan sa 30 minuto. Ang bag-o nga OS-specific JA ug JA-Ile outbreaks, samtang ang ubang bakterya nga gitawag nga "signal unresponsive", sama sa Nepenthes mills, Nepenthes powdery ug N. obtusifolia nagpakita lamang sa JA-Ile Edge induction nga walay bisan unsang OS specificity (Figure 5C). Sa metabolic level, sama sa nahisgotan sa ibabaw, alang sa attenuated Nepenthes, ang mga signal-responsive substance nagpakita sa OS specificity ug miusbaw pag-ayo sa δj, samtang gipakunhod ang Hj. Kini nga OS-specific priming effect wala nakita sa mga espisye nga giklasipikar nga signal non-reactive species (Figure 5, D ug E). Ang mga metabolite nga espesipiko sa OS mas kanunay nga gipaambit tali sa mga espisye nga motubag sa signal, ug kini nga mga pungpong sa signal nagpundok uban sa mga espisye nga adunay mas huyang nga mga tubag sa signal, samtang ang mga espisye nga adunay mas huyang nga mga tubag sa signal nagpakita og gamay nga pagsalig sa usag usa (Figure S8). Kini nga resulta nagpakita nga ang OS-specific induction sa mga JA ug ang OS-specific reconfiguration sa downstream metabolome konektado sa lebel sa espisye.
Sunod, migamit mig lanolin paste nga adunay methyl JA (MeJA) aron matambalan ang mga tanom aron imbestigahan kung kini nga mga coupling mode limitado ba sa pagkaanaa sa JA nga gigamit sa exogenous JA, nga naa sa cytoplasm sa mga tanom. Ang paspas nga deesterification mao ang JA. Nakita namo ang parehas nga uso sa hinay-hinay nga pagbag-o gikan sa signal-responsive species ngadto sa signal-non-responsive species nga gipahinabo sa padayon nga suplay sa JA (Figure 5, D ug E). Sa laktod nga pagkasulti, ang pagtambal sa MeJA kusganong nag-reprogram sa mga metabolome sa linear nematodes, N. obliquus, N. aquaticus, N. pallens, ug N. mikimotoi, nga miresulta sa usa ka hinungdanon nga pagtaas sa δj ug usa ka pagkunhod sa Hj. Ang N. purpurea nagpakita lamang og pagtaas sa δj, apan dili ang Hj. N. obtusifolia, nga kaniadto gipakita nga nagtipon sa hilabihan ka ubos nga lebel sa JAs, dili usab maayo nga motubag sa pagtambal sa MeJA sa mga termino sa metabolome reconfiguration. Kini nga mga resulta nagpakita nga ang produksiyon sa JA o signal transduction limitado sa pisyolohikal sa mga signal-unresponsive species. Aron masulayan kini nga hypothesis, among gitun-an ang upat ka species (N. pallens, N. mills, N. pink ug N. microphylla) nga gi-induce sa W + W, W + OSMs ug W + OSS1 Transcriptome (39). Subay sa pattern sa metabolome remodeling, ang mga species maayo nga nagkabulag sa transcriptome space, diin ang N. attenuated nagpakita sa pinakataas nga OS-induced RDPI, samtang ang N. gracilis adunay pinakagamay (Figure 6A). Bisan pa, nakit-an nga ang transcriptome diversity nga gi-induce sa N. oblonga mao ang pinakagamay taliwala sa upat ka species, sukwahi sa pinakataas nga metabonomic diversity sa N. oblonga nga gipakita kaniadto sa pito ka species. Ang mga nangaging pagtuon nagpakita nga ang usa ka hugpong sa mga gene nga may kalabutan sa sayo nga mga signal sa depensa, lakip ang mga signal sa JA, nagpatin-aw sa pagka-specificity sa sayo nga mga tubag sa depensa nga gi-induce sa mga herbivore-related elicitor sa mga species sa Nicotiana (39). Ang pagtandi sa mga JA signaling pathway tali niining upat ka species nagpadayag usa ka makapaikag nga pattern (Figure 6B). Kadaghanan sa mga gene niini nga agianan, sama sa AOC, OPR3, ACX ug COI1, nagpakita og medyo taas nga lebel sa induction niining upat ka espisye. Bisan pa, ang usa ka importanteng gene, ang JAR4, nag-convert sa JA ngadto sa biologically active nga porma sa JA-Ile accumulated transcripts, ug ang lebel sa transcription niini ubos kaayo, labi na sa N. mills, Nepenthes pieris ug N. microphylla. Dugang pa, ang transcript sa laing gene nga AOS lamang ang wala nakita sa N. bifidum. Kini nga mga pagbag-o sa gene expression mahimong responsable sa grabeng mga phenotype nga gipahinabo sa ubos nga produksiyon sa JA sa signal anergic species ug sa induction sa N. gracilis.
(A) Pag-analisa sa teorya sa impormasyon sa pag-reprogram sa sayo nga mga tubag sa transkripsyon sa upat ka suod nga may kalabutan nga mga espisye sa tabako nga gisample 30 minuto pagkahuman sa herbivory induction. Ang RDPI gikalkulo pinaagi sa pagtandi sa mga dahon nga gi-induce sa herbivore OS sa kontrol sa samad. Ang mga kolor nagpakita sa lainlaing mga espisye, ug ang mga simbolo nagpakita sa lainlaing mga pamaagi sa pagtambal. (B) Pag-analisa sa ekspresyon sa gene sa mga agianan sa signaling sa JA taliwala sa upat ka espisye. Ang gipasimple nga agianan sa JA gipakita tupad sa kahon sa kahon. Ang lainlaing mga kolor nagpakita sa lainlaing mga pamaagi sa pagproseso. Ang asterisk nagpakita nga adunay usa ka hinungdanon nga kalainan tali sa pagtambal sa W + OS ug sa kontrol sa W + W (para sa t-test sa Student para sa mga kalainan sa pares, *P<0.05, **P<0.01 ug ***P<0.001). OPDA, 12-oxophytodienoic acid; OPC-8: 0,3-oxo-2(2′(Z)-pentenyl)-cyclopentane-1-octanoic acid.
Sa katapusang bahin, among gitun-an kung giunsa ang pagbag-o sa metabolome sa lainlaing mga klase sa tanom nga espesipiko sa mga insekto mahimong makasugakod sa mga herbivore. Ang nangaging panukiduki nagpasiugda sa genus sa Nicotiana. Ang ilang resistensya sa Ms ug larvae managlahi kaayo (40). Dinhi, among gitun-an ang koneksyon tali niini nga modelo ug sa ilang metabolic plasticity. Gamit ang upat ka klase sa tabako sa ibabaw, ug pagsulay sa korelasyon tali sa diversity ug espesyalisasyon sa metabolome nga gipahinabo sa mga herbivore ug ang resistensya sa mga tanom sa Ms ug Sl, among nakita nga ang resistensya, diversity ug espesyalisasyon sa generalist Sl All positibo nga may kalabutan, samtang ang korelasyon tali sa resistensya sa mga eksperto nga babaye ug espesyalisasyon huyang, ug ang korelasyon sa diversity dili hinungdanon (Figure S10). Mahitungod sa resistensya sa S1, ang parehong attenuated N. chinensis ug N. gracilis, nga kaniadto gipakita nga nagpakita sa parehas nga lebel sa JA signal transduction ug metabolome plasticity, adunay lahi kaayo nga mga tubag sa herbivore induction, ug nagpakita usab sila og parehas nga taas nga resistensya. Sekso.
Sa miaging saysenta ka tuig, ang teorya sa depensa sa tanom naghatag ug usa ka teoretikal nga balangkas, nga gibase sa mga tigdukiduki nga nagtagna sa daghang gidaghanon sa ebolusyon ug mga gimbuhaton sa mga espesyalisadong metabolite sa tanom. Kadaghanan niini nga mga teorya wala nagsunod sa naandan nga pamaagi sa lig-on nga mga konklusyon (41). Nagsugyot sila og mga importanteng panagna (3) sa parehas nga lebel sa pag-analisar. Kung ang pagsulay sa mga importanteng panagna nagtugot sa pag-analisar sa mga piho nga teorya, kini makahimo sa uma nga mouswag. Suportahi, apan isalikway ang uban (42). Hinuon, ang bag-ong teorya naghimo og mga panagna sa lainlaing lebel sa pag-analisar ug nagdugang usa ka bag-ong layer sa mga deskriptibo nga konsiderasyon (42). Bisan pa, ang duha ka teorya nga gisugyot sa lebel sa pag-andar, MT ug OD, dali nga ipasabut isip hinungdanon nga mga panagna sa espesyalisadong mga pagbag-o sa metabolismo nga gipahinabo sa mga herbivore: Ang teorya sa OD nagtuo nga ang mga pagbag-o sa espesyalisadong "espasyo" sa metabolismo taas kaayo nga direksyon. Ang teorya sa MT nagtuo nga kini nga mga pagbag-o dili direksyon ug random nga nahimutang sa wanang sa metabolismo, ug lagmit adunay taas nga kantidad sa mga metabolite sa depensa. Ang nangaging mga eksaminasyon sa mga panagna sa OD ug MT gisulayan gamit ang usa ka pig-ot nga hugpong sa mga a priori nga "depensa" nga mga compound. Kining mga metabolite-centric nga mga pagsulay nagpugong sa abilidad sa pag-analisar sa gilapdon ug trajectory sa metabolome reconfiguration atol sa herbivory, ug wala magtugot sa pagsulay sulod sa usa ka makanunayon nga statistical framework nga magkinahanglan og mga importanteng panagna nga mahimong isipon nga usa ka kinatibuk-an. I-quantify ang mga pagbag-o sa plant metabolome. Dinhi, among gigamit ang inobatibong teknolohiya sa metabolomics base sa computational MS ug gihimo ang deconvolution MS analysis sa kinatibuk-ang currency sa information theory descriptors aron masulayan ang kalainan tali sa duha nga gisugyot sa global metabolomics level. Ang importanteng panagna niini nga teorya. Ang information theory gigamit sa daghang mga natad, labi na sa konteksto sa biodiversity ug nutrient flow research (43). Bisan pa, sa among nahibal-an, kini ang una nga aplikasyon nga gigamit sa paghulagway sa metabolic information space sa mga tanom ug pagsulbad sa mga problema sa ekolohiya nga may kalabotan sa temporaryo nga mga pagbag-o sa metabolismo agig tubag sa mga cues sa kalikopan. Sa partikular, ang abilidad niini nga pamaagi anaa sa abilidad niini sa pagtandi sa mga sumbanan sulod ug taliwala sa mga espisye sa tanom aron masusi kung giunsa ang mga herbivore nag-uswag gikan sa lainlaing mga espisye ngadto sa inter-species macroevolutionary patterns sa lainlaing lebel sa ebolusyon. Metabolismo.
Ang Principal component analysis (PCA) nag-convert sa usa ka multivariate data set ngadto sa usa ka dimensionality reduction space aron ang pangunang trend sa data mahimong ipasabut, mao nga kini kasagaran gigamit isip usa ka exploratory technique aron ma-parse ang data set, sama sa deconvolution metabolome. Bisan pa, ang dimensionality reduction mawad-an sa bahin sa impormasyon nga sulod sa data set, ug ang PCA dili makahatag og quantitative nga impormasyon bahin sa mga kinaiya nga labi ka may kalabutan sa ecological theory, sama sa: giunsa pag-reconfigure sa mga herbivore ang diversity sa espesyal nga mga natad (pananglitan, richness, distribution) Ug abundance) metabolites? Unsang mga metabolites ang mga predictor sa induced state sa usa ka gihatag nga herbivore? Gikan sa perspektibo sa specificity, diversity ug inducibility, ang impormasyon nga sulod sa leaf-specific metabolite profile madugta, ug nakita nga ang pagkaon sa mga herbivore makapaaktibo sa piho nga metabolismo. Wala damha, among naobserbahan nga, sama sa gihulagway sa mga indicator sa information theory nga gipatuman, ang resulta nga metabolic situation adunay dako nga overlap human sa mga pag-atake sa duha ka herbivore (ang night-fed generalist nga si Sl) ug ang Solanaceae expert nga si Ms. Bisan tuod ang ilang feeding behavior ug concentration managlahi kaayo. Fatty acid-amino acid conjugate (FAC) initiator sa OS (31). Pinaagi sa paggamit sa herbivore OS aron matambalan ang standardized nga mga samad sa tusok, ang simulated herbivore treatment nagpakita usab og susamang trend. Kini nga standardized nga pamaagi alang sa pag-simulate sa tubag sa mga tanom sa mga pag-atake sa herbivore nagwagtang sa mga hinungdan nga hinungdan sa mga pagbag-o sa pamatasan sa pagkaon sa mga herbivore, nga mosangpot sa lainlaing lebel sa kadaot sa lainlaing mga oras (34). Ang FAC, nga nailhan nga panguna nga hinungdan sa OSM, nagpamenos sa JAS ug uban pang mga tubag sa hormone sa tanom sa OSS1, samtang ang OSS1 nagpamenos sa gatusan ka beses (31). Bisan pa, ang OSS1 hinungdan sa parehas nga lebel sa akumulasyon sa JA kon itandi sa OSM. Napamatud-an na kaniadto nga ang tubag sa JA sa nadaot nga Nepenthes sensitibo kaayo sa OSM, diin ang FAC makapadayon sa kalihokan niini bisan kung lasaw sa 1:1000 sa tubig (44). Busa, kon itandi sa OSM, bisan kung ang FAC sa OSS1 ubos kaayo, kini igo na aron maaghat ang igo nga pag-ulbo sa JA. Ang mga nangaging pagtuon nagpakita nga ang mga porin-like protein (45) ug oligosaccharides (46) mahimong magamit isip mga molekular nga timailhan aron ma-trigger ang mga tubag sa depensa sa tanom sa OSS1. Bisan pa, dili pa klaro kung kini nga mga elicitor sa OSS1 ang responsable sa akumulasyon sa JA nga naobserbahan sa kasamtangang pagtuon.
Bisan tuod diyutay ra ang mga pagtuon nga naghulagway sa lain-laing metabolic fingerprints nga gipahinabo sa paggamit sa lain-laing mga herbivore o exogenous JA o SA (salicylic acid) (47), walay nakabalda sa herbivore species-specific perturbation sa plant grass network ug ang mga epekto niini sa espesipikong personal nga impormasyon. Kini nga pag-analisa dugang nga nagpamatuod nga ang koneksyon sa internal hormone network sa ubang mga hormone sa tanom gawas sa JAs naghulma sa espesipisidad sa metabolic reorganization nga gipahinabo sa mga herbivore. Sa partikular, among nakita nga ang ET nga gipahinabo sa OSM mas dako kay sa gipahinabo sa OSS1. Kini nga mode nahiuyon sa dugang nga sulud sa FAC sa OSM, nga usa ka kinahanglanon ug igo nga kondisyon alang sa pag-trigger sa usa ka ET burst (48). Sa konteksto sa interaksyon tali sa mga tanom ug mga herbivore, ang signaling function sa ET sa plant-specific metabolite dynamics kay sporadic gihapon ug nagtumong lamang sa usa ka compound group. Dugang pa, kadaghanan sa mga pagtuon migamit ug exogenous nga aplikasyon sa ET o sa mga precursor niini o lain-laing mga inhibitor aron tun-an ang regulasyon sa ET, diin kini nga mga exogenous nga aplikasyon sa kemikal makahatag ug daghang dili espesipikong mga epekto. Sa among nahibaloan, kini nga pagtuon nagrepresentar sa unang dako nga sistematikong pagsusi sa papel sa ET sa paggamit sa ET aron makahimo ug makakita sa mga nadaot nga transgenic nga tanom aron ma-coordinate ang plant metabolome dynamics. Ang Herbivore-specific ET induction sa katapusan maka-modulate sa metabolome response. Ang labing importante mao ang transgenic manipulation sa ET biosynthesis (ACO) ug perception (ETR1) genes nga nagpadayag sa herbivore-specific de novo accumulation sa phenolamides. Gipakita kaniadto nga ang ET maka-fine-tune sa JA-induced nicotine accumulation pinaagi sa pag-regulate sa putrescine N-methyltransferase (49). Bisan pa, gikan sa mekanikal nga punto sa panglantaw, dili klaro kung giunsa pag-fine-tune sa ET ang induction sa phenamide. Gawas sa function sa signal transduction sa ET, ang metabolic flux mahimo usab nga ibalhin ngadto sa S-adenosyl-1-methionine aron ma-regulate ang investment sa polyaminophenol amides. Ang S-adenosyl-1-methionine mao ang ET ug Common intermediate sa polyamine biosynthetic pathway. Ang mekanismo kung giunsa sa ET signal ang pag-regulate sa lebel sa phenolamide kinahanglan pa nga tun-an.
Sa dugay nga panahon, tungod sa daghang gidaghanon sa mga espesyal nga metabolite nga wala mahibal-i ang istruktura, ang grabe nga atensyon sa piho nga mga kategorya sa metaboliko wala makahimo sa estrikto nga pagtimbang-timbang sa temporal nga mga pagbag-o sa pagkalainlain sa metabolismo pagkahuman sa mga interaksyon sa biyolohikal. Sa pagkakaron, base sa pag-analisar sa teorya sa impormasyon, ang panguna nga resulta sa pag-angkon sa MS/MS spectrum base sa wala’y bias nga mga metabolite mao nga ang mga herbivore nga mokaon o nagsundog sa mga herbivore nagpadayon sa pagpakunhod sa kinatibuk-ang pagkalainlain sa metabolismo sa dahon samtang nagdugang ang lebel sa espesyalisasyon niini. Kini nga temporaryo nga pagtaas sa espesipikong metabolome nga gipahinabo sa mga herbivore nalangkit sa usa ka synergistic nga pagtaas sa espesipikong transcriptome. Ang bahin nga labing nakatampo niining mas dako nga espesyalisasyon sa metabolome (nga adunay mas taas nga kantidad sa Si) mao ang espesyal nga metabolite nga adunay kaniadto gihulagway nga herbivorous function. Kini nga modelo nahiuyon sa prediksyon sa teorya sa OD, apan ang prediksyon sa MT nga may kalabotan sa randomness sa metabolome reprogramming dili makanunayon. Bisan pa, kini nga datos nahiuyon usab sa prediksyon sa mixed model (labing maayo nga MT; Figure 1B), tungod kay ang uban nga wala mailhi nga mga metabolite nga adunay wala mahibal-i nga mga function sa depensa mahimo gihapon nga mosunod sa usa ka random nga distribusyon sa Si.
Usa ka talagsaong sumbanan nga dugang nakuha niining panukiduki mao nga gikan sa lebel sa micro-evolution (usa ka tanom ug populasyon sa tabako) ngadto sa mas dako nga evolutionary scale (suod nga may kalabutan nga mga espisye sa tabako), ang lain-laing lebel sa ebolusyonaryong organisasyon anaa sa "labing maayong depensa". Adunay mga dakong kalainan sa mga abilidad sa mga herbivore. Si Moore et al. (20) ug Kessler ug Kalske (1) independente nga nagsugyot nga i-convert ang tulo ka functional levels sa biodiversity nga orihinal nga giila ni Whittaker (50) ngadto sa constitutive ug induced temporal nga mga pagbag-o sa chemical diversity; kini nga mga awtor wala magsumaryo sa mga pamaagi alang sa dako nga-scale nga pagkolekta sa datos sa metabolome wala usab naglatid kon unsaon pagkalkulo sa metabolic diversity gikan niini nga datos. Niini nga pagtuon, ang gagmay nga mga pag-adjust sa functional classification ni Whittaker magkonsiderar sa α-metabolic diversity isip ang diversity sa MS/MS spectra sa usa ka gihatag nga tanom, ug β-metabolic diversity isip ang basic intraspecific metabolism sa usa ka grupo sa mga populasyon. Ang Space, ug γ-metabolic diversity mahimong usa ka extension sa pag-analisar sa susamang mga espisye.
Ang JA signal importante para sa lain-laing metabolic responses sa mga herbivore. Apan, kulang pa ang estrikto nga quantitative testing sa kontribusyon sa intraspecific regulation sa JA biosynthesis sa metabolome diversity, ug lisod pa gihapon matino kon ang JA signal ba usa ka general site para sa stress-induced metabolic diversification sa mas taas nga macroevolutionary scale. Among naobserbahan nga ang herbivorous nature sa Nepenthes herbivorous nag-induce sa metabolome specialization ug ang variation sa metabolome specialization sulod sa populasyon sa Nicotiana species ug taliwala sa suod nga may kalabutan nga Nicotiana species sistematikong positibo nga nakig-correlate sa JA signaling. Dugang pa, kon ang JA signal madaot, ang metabolic specificity nga gipahinabo sa usa ka single genotype herbivore makanselar (Figure 3, C ug E). Tungod kay ang metabolic spectrum changes sa naturally attenuated Nepenthes populations kasagaran quantitative, ang mga pagbag-o sa metabolic β diversity ug specificity niini nga analysis mahimong tungod sa kusog nga excitation sa metabolite-rich compound categories. Kini nga mga compound classes ang nagdominar sa bahin sa metabolome profile ug mosangpot sa positibo nga correlation sa JA signals.
Tungod kay ang mga mekanismo sa biokemikal sa mga espisye sa tabako nga suod nga nalambigit niini managlahi kaayo, ang mga metabolite espesipikong giila sa kwalitatibong aspeto, busa kini mas analitikal. Ang pagproseso sa teorya sa impormasyon sa nakuha nga metabolic profile nagpadayag nga ang herbivorous induction nagpalala sa trade-off tali sa metabolic gamma diversity ug specialization. Ang JA signal adunay hinungdanon nga papel niini nga trade-off. Ang pagtaas sa metabolome specialization nahiuyon sa panguna nga prediksyon sa OD ug positibo nga nakig-uban sa JA signal, samtang ang JA signal negatibo nga nakig-uban sa metabolic gamma diversity. Kini nga mga modelo nagpakita nga ang kapasidad sa OD sa mga tanum panguna nga gitino sa plasticity sa JA, sa microevolutionary scale man o sa mas dako nga evolutionary scale. Ang mga eksperimento sa aplikasyon sa exogenous JA nga naglikay sa mga depekto sa biosynthesis sa JA dugang nga nagpadayag nga ang suod nga nalambigit nga mga espisye sa tabako mahimong mailhan sa signal-responsive ug signal-non-responsive nga mga espisye, sama sa ilang mode sa JA ug metabolome plasticity nga gipahinabo sa mga herbivore. Ang mga signal non-responsive nga espisye dili makatubag tungod sa ilang kawalay katakus sa paghimo og endogenous JA ug busa gipailalom sa mga limitasyon sa pisyolohikal. Mahimong kini tungod sa mga mutasyon sa pipila ka importanteng gene sa JA signaling pathway (AOS ug JAR4 sa N. crescens). Kini nga resulta nagpasiugda nga kini nga mga interspecies macroevolutionary pattern mahimong panguna nga gimaneho sa mga pagbag-o sa internal nga hormone perception ug responsiveness.
Gawas pa sa interaksyon tali sa mga tanom ug mga herbivore, ang eksplorasyon sa metabolic diversity nalambigit sa tanang importanteng teoretikal nga pag-uswag sa panukiduki sa biyolohikal nga pagpahiangay sa palibot ug ang ebolusyon sa komplikado nga mga kinaiya sa phenotypic. Uban sa pagdugang sa gidaghanon sa datos nga nakuha sa modernong mga instrumento sa MS, ang pagsulay sa hypothesis sa metabolic diversity mahimo na karon nga molapas sa indibidwal/kategorya nga mga kalainan sa metabolite ug mohimo sa global nga pag-analisar aron ipadayag ang wala damha nga mga sumbanan. Sa proseso sa dako nga sukod nga pag-analisar, usa ka importanteng metapora mao ang ideya sa paghunahuna og makahuluganon nga mga mapa nga magamit sa pagsuhid sa datos. Busa, usa ka importanteng resulta sa kasamtangang kombinasyon sa walay gidapigan nga MS/MS metabolomics ug teorya sa impormasyon mao nga kini naghatag og usa ka yano nga sukdanan nga magamit sa paghimo og mga mapa aron masusi ang metabolic diversity sa lain-laing mga taxonomic scale. Kini ang sukaranan nga kinahanglanon niini nga pamaagi. Ang pagtuon sa micro/macro evolution ug community ecology.
Sa lebel sa macro-evolutionary, ang kinauyokan sa teorya sa co-evolution sa tanom ug insekto ni Ehrlich ug Raven (51) mao ang pagtagna nga ang pagkalainlain sa interspecies metabolic diversity mao ang hinungdan sa pagkalainlain sa mga linya sa tanom. Bisan pa, sa kalim-an ka tuig sukad sa pagmantala niining hinungdanon nga buhat, kini nga hypothesis talagsa ra masulayan (52). Kini tungod sa phylogenetic nga mga kinaiya sa parehas nga mga kinaiya sa metabolismo sa mga linya sa tanom nga layo sa distansya. Ang talagsaon nga pagkalainlain magamit aron ma-angkla ang mga pamaagi sa pag-analisar sa target. Ang kasamtangan nga MS/MS workflow nga giproseso sa teorya sa impormasyon nag-ihap sa pagkaparehas sa istruktura sa MS/MS sa wala mailhi nga mga metabolite (nga wala’y naunang pagpili sa metabolite) ug gibag-o kini nga mga MS/MS ngadto sa usa ka hugpong sa MS/MS, busa sa propesyonal nga metabolismo kini nga mga modelo sa macro-evolution gitandi sa sukdanan sa klasipikasyon. Yano nga mga indikasyon sa istatistika. Ang proseso parehas sa phylogenetic analysis, nga mahimong mogamit sa pag-align sa han-ay aron masukod ang rate sa pagkalainlain o ebolusyon sa kinaiya nga wala’y naunang panagna.
Sa lebel sa biokemikal, ang screening hypothesis ni Firn ug Jones (53) nagpakita nga ang metabolic diversity gipadayon sa lain-laing lebel aron makahatag og hilaw nga materyales aron magamit ang mga biyolohikal nga kalihokan sa kaniadto wala’y kalabutan o gipulihan nga mga metabolite. Ang mga pamaagi sa teorya sa impormasyon naghatag og usa ka balangkas diin kini nga mga metabolite-specific evolutionary transitions nga mahitabo sa panahon sa metabolite specialization mahimong masukod isip kabahin sa gisugyot nga proseso sa evolutionary screening: biologically active adaptation gikan sa ubos nga specificity ngadto sa taas nga specificity. Mga gipugngan nga metabolite sa usa ka gihatag nga palibot.
Sa kinatibuk-an, sa unang mga adlaw sa molecular biology, ang mga importanteng teorya sa depensa sa tanom naugmad, ug ang mga pamaagi nga gipadagan sa deduktibo nga hypothesis kay kaylap nga giisip nga mao lamang ang paagi sa pag-uswag sa siyensya. Kini tungod sa teknikal nga mga limitasyon sa pagsukod sa tibuok metabolome. Bisan tuod ang mga pamaagi nga gipadagan sa hypothesis labi ka mapuslanon sa pagpili sa ubang mga mekanismo sa hinungdan, ang ilang abilidad sa pagpalambo sa atong pagsabot sa mga biochemical network mas limitado kay sa mga pamaagi sa komputasyon nga anaa karon sa kontemporaryong siyensya nga daghan og datos. Busa, ang mga teorya nga dili matag-an layo pa sa gilapdon sa magamit nga datos, busa ang hypothetical formula/test cycle sa pag-uswag sa natad sa panukiduki dili mawagtang (4). Atong nakita nga ang computational workflow sa metabolomics nga gipaila dinhi makapabuhi pag-usab sa interes sa bag-o (unsaon) ug katapusang (ngano) nga mga isyu sa metabolic diversity, ug makatampo sa usa ka bag-ong panahon sa theoretically guided data science. Gisusi pag-usab sa panahon ang mga importanteng teorya nga nagdasig sa miaging mga henerasyon.
Ang direktang pagpakaon sa mga herbivore gihimo pinaagi sa pagpadako sa ikaduhang instar larva o Sl larva sa usa ka luspad nga kolor nga dahon sa pitcher plant sa usa ka rose blooming plant, nga adunay 10 ka replika sa tanom matag tanom. Ang mga ulod sa insekto gi-clamp gamit ang mga clamp, ug ang nahibiling tisyu sa dahon gikolekta 24 ug 72 ka oras human sa impeksyon ug dali nga gi-freeze, ug ang mga metabolite gikuha.
Simulaha ang herbivorous treatment sa usa ka highly synchronized nga paagi. Ang pamaagi mao ang paggamit sa fabric pattern wheels aron tusokon ang tulo ka laray sa mga tunok sa matag kilid sa midrib sa tulo ka hingpit nga mibukad nga mga dahon sa tanom atol sa yugto sa pagtubo sa fabric garland, ug dayon ibutang ang 1:5 Diluted Ms. O gamita ang mga tudlo nga nagsul-ob og gwantes aron isulod ang S1 OS sa samad nga tusokon. Anihon ug iproseso ang usa ka dahon sama sa gihulagway sa ibabaw. Gamita ang gihulagway nga pamaagi aron makuha ang mga primary metabolites ug mga hormone sa tanom (54).
Para sa mga exogenous nga aplikasyon sa JA, ang tulo ka dahon sa petiole sa matag usa sa unom ka tanom nga namulak og rosas sa matag espisye gitambalan og 20μl nga lanolin paste nga adunay 150μg MeJA (Lan + MeJA), ug 20μl nga lanolin plus wound treatment (Lan + W), o gamita ang 20μl nga puro nga lanolin isip kontrol. Ang mga dahon giani 72 ka oras human sa pagtambal, gi-snap-frozen sa liquid nitrogen, ug gitipigan sa -80°C hangtod gamiton.
Upat ka JA ug ET transgenic lines, nga mao ang irAOC (36), irCOI1 (55), irACO ug sETR1 (48), ang nakit-an sa among research group. Ang irAOC kusog nga nagpakita og pagkunhod sa lebel sa JA ug JA-Ile, samtang ang irCOI1 dili sensitibo sa mga JA. Kung itandi sa EV, ang akumulasyon sa JA-Ile misaka. Sa susama, ang irACO mokunhod sa produksiyon sa ET, ug kung itandi sa EV, ang sETR1, nga dili sensitibo sa ET, makadugang sa produksiyon sa ET.
Usa ka photoacoustic laser spectrometer (Sensor Sense ETD-300 real-time ET sensor) ang gigamit aron mahimo ang pagsukod sa ET nga dili invasive. Diha-diha dayon human sa pagtambal, katunga sa mga dahon giputol ug gibalhin ngadto sa usa ka 4-ml nga selyadong bildo nga vial, ug ang headspace gitugotan nga magtipun-og sulod sa 5 ka oras. Atol sa pagsukod, ang matag vial gihugasan gamit ang agos nga 2 ka litro/oras nga purong hangin sulod sa 8 ka minuto, nga kaniadto gipaagi sa usa ka catalyst nga gihatag sa Sensor Sense aron makuha ang CO2 ug tubig.
Ang datos sa microarray orihinal nga gipatik sa (35) ug gitipigan sa National Center for Biotechnology Information (NCBI) Gene Expression Comprehensive Database (accession number GSE30287). Ang datos nga katumbas sa mga dahon nga gipahinabo sa pagtambal sa W + OSMs ug sa wala madaot nga kontrol gikuha alang niini nga pagtuon. Ang hilaw nga intensidad kay log2. Sa wala pa ang statistical analysis, ang baseline gi-convert ug gi-normalize sa ika-75 nga percentile niini gamit ang R software package.
Ang orihinal nga datos sa RNA sequencing (RNA-seq) sa mga espisye sa Nicotiana gikuha gikan sa NCBI Short Reading Archives (SRA), ang numero sa proyekto kay PRJNA301787, nga gitaho ni Zhou et al. (39) ug nagpadayon sama sa gihulagway sa (56). Ang hilaw nga datos nga giproseso sa W + W, W + OSM ug W + OSS1 nga katumbas sa mga espisye sa Nicotiana gipili alang sa pag-analisar niini nga pagtuon, ug giproseso sa mosunod nga paagi: Una, ang hilaw nga pagbasa sa RNA-seq gi-convert ngadto sa FASTQ format. Ang HISAT2 nag-convert sa FASTQ ngadto sa SAM, ug ang SAMtools nag-convert sa mga SAM file ngadto sa gihan-ay nga mga BAM file. Ang StringTie gigamit sa pagkalkulo sa gene expression, ug ang pamaagi sa ekspresyon niini mao nga adunay mga fragment kada libo nga base fragment kada milyon nga sequenced transcription fragment.
Ang Acclaim chromatographic column (150 mm x 2.1 mm; particle size 2.2μm) nga gigamit sa pag-analisa ug ang 4 mm x 4 mm guard column gilangkoban sa parehas nga materyal. Ang mosunod nga binary gradient gigamit sa Dionex UltiMate 3000 Ultra High Performance Liquid Chromatography (UHPLC) system: 0 hangtod 0.5 minuto, isocratic 90% A [deionized water, 0.1% (v/v) acetonitrile ug 0.05% formic acid], 10% B (Acetonitrile ug 0.05% formic acid); 0.5 hangtod 23.5 minuto, ang gradient phase kay 10% A ug 90% B, matag usa; 23.5 hangtod 25 minuto, isocratic 10% A ug 90% B. Ang flow rate kay 400μl/min. Para sa tanang MS analyses, i-inject ang column eluent ngadto sa usa ka quadrupole ug time-of-flight (qTOF) analyzer nga adunay electrospray source nga naglihok sa positive ionization mode (capillary voltage, 4500 V; capillary outlet 130 V; Temperatura sa pagpauga 200°C; gikusgon sa pag-agos sa hangin sa pagpauga 10 ka litro/min).
Paghimo og MS / MS fragment analysis (dinhi gitawag nga MS / MS) nga walay kalabutan o dili mailhan gikan sa datos aron makakuha og impormasyon sa istruktura bahin sa kinatibuk-ang makita nga metabolic profile. Ang konsepto sa indiscriminate MS/MS nga pamaagi nagsalig sa kamatuoran nga ang quadrupole adunay dako kaayo nga mass isolation window [busa, hunahunaa ang tanan nga mass-to-charge ratio (m/z) signals isip mga fragment]. Tungod niini nga hinungdan, tungod kay ang instrumento sa Impact II wala makahimo og CE tilt, daghang independente nga mga pag-analisa ang gihimo gamit ang dugang nga collision-induced dissociation collision energy (CE) nga mga kantidad. Sa laktod nga pagkasulti, una nga analisaha ang sample pinaagi sa UHPLC-electrospray ionization/qTOF-MS gamit ang single mass spectrometry mode (ubos nga mga kondisyon sa fragmentation nga namugna sa in-source fragmentation), pag-scan gikan sa m/z 50 hangtod 1500 sa usa ka repetition frequency nga 5 Hz. Gamita ang nitrogen isip collision gas para sa MS/MS analysis, ug paghimo og independente nga mga pagsukod sa mosunod nga upat ka lain-laing collision-induced dissociation voltages: 20, 30, 40, ug 50 eV. Sa tibuok proseso sa pagsukod, ang quadrupole adunay pinakadako nga mass isolation window, gikan sa m/z 50 hangtod 1500. Kung ang front body m/z ug isolation width experiment gibutang sa 200, ang mass range awtomatikong ma-activate sa operating software sa instrumento ug 0 Da. I-scan ang mga mass fragment sama sa single mass mode. Gamita ang sodium formate (50 ml isopropanol, 200 μl formic acid ug 1 ml 1M NaOH aqueous solution) para sa mass calibration. Gamit ang high-precision calibration algorithm sa Bruker, ang data file gi-calibrate human sa pagpadagan sa average spectrum sa usa ka gihatag nga yugto sa panahon. Gamita ang export function sa Data Analysis v4.0 software (Brook Dalton, Bremen, Germany) aron i-convert ang raw data files ngadto sa NetCDF format. Ang MS/MS data set na-save na sa open metabolomics database nga MetaboLights (www.ebi.ac.uk) uban ang accession number. MTBLS1471.
Ang MS/MS assembly mahimong matuman pinaagi sa correlation analysis tali sa MS1 ug MS/MS quality signals para sa ubos ug taas nga collision energy ug bag-ong gipatuman nga mga lagda. Ang R script gigamit aron matuman ang correlation analysis sa distribusyon sa precursor ngadto sa produkto, ug ang C# script (https://github.com/MPI-DL/indiscriminant-MS-MS-assembly-pipeline) gigamit aron ipatuman ang mga lagda.
Aron makunhuran ang mga sayop nga positibo nga sayop nga gipahinabo sa background noise ug sayop nga korelasyon nga gipahinabo sa pag-detect sa pipila ka m/z nga mga bahin sa pipila lang ka mga sample, among gigamit ang "filled peak" function sa R ​​package XCMS (para sa background noise correction). Kini angay gamiton aron ilisan ang "NA" (undetected peak) intensity. Kung gamiton ang fill peak function, daghan pa gihapon nga "0" nga mga kantidad sa intensity sa data set nga makaapekto sa kalkulasyon sa korelasyon. Dayon, among gitandi ang mga resulta sa pagproseso sa datos nga nakuha kung gigamit ang filled peak function ug kung wala gigamit ang filled peak function, ug gikalkulo ang kantidad sa background noise base sa average nga gi-correct nga gibanabana nga kantidad, ug dayon ilisan kini nga 0 nga mga kantidad sa intensity sa gikalkulo nga kantidad sa background. Gikonsiderar usab namo ang mga bahin kansang intensity milapas sa tulo ka pilo sa kantidad sa background ug giisip kini nga "tinuod nga mga peak." Para sa mga kalkulasyon sa PCC, ang mga m/z signal lamang sa sample precursor (MS1) ug fragment data sets nga adunay labing menos walo ka tinuod nga mga peak ang gikonsiderar.
Kon ang intensity sa precursor quality feature sa tibuok sample dunay dakong kalambigitan sa pagkunhod sa intensity sa samang quality feature nga gipailalom sa ubos o taas nga collision energy, ug ang feature wala gimarkahan isip isotope peak sa CAMERA, mahimo kining dugang nga madefine. Dayon, pinaagi sa pagkalkulo sa tanang posibleng precursor-product pairs sulod sa 3 s (ang gibanabanang retention time window para sa peak retention), ang correlation analysis himuon. Kini giisip nga fragment kon ang m/z value mas ubos kay sa precursor value ug ang MS/MS fragmentation mahitabo sa samang sample location sa data set sama sa precursor diin kini gikuha.
Base niining duha ka simpleng lagda, among gi-exclude ang mga espesipikong fragment nga adunay m/z values ​​nga mas dako kay sa m/z sa giila nga precursor, ug base sa sample position diin makita ang precursor ug ang espesipikong fragment. Posible usab nga mapili ang mga quality features nga namugna sa daghang in-source fragments nga namugna sa MS1 mode isip candidate precursors, sa ingon makamugna og redundant MS/MS compounds. Aron makunhuran kini nga data redundancy, kung ang NDP similarity sa spectra molapas sa 0.6, ug sila nahisakop sa chromatogram nga "pcgroup" nga gi-annotate sa CAMERA, among i-merge kini. Sa katapusan, among i-merge ang tanang upat ka CE results nga nalangkit sa precursor ug mga fragment ngadto sa final deconvoluted composite spectrum pinaagi sa pagpili sa pinakataas nga intensity peak taliwala sa tanang candidate peaks nga adunay parehas nga m/z value sa lain-laing collision energies. Ang sunod nga mga lakang sa pagproseso gibase sa konsepto sa composite spectrum ug gikonsiderar ang lain-laing CE conditions nga gikinahanglan aron mapadako ang probabilidad sa fragmentation, tungod kay ang ubang mga fragment makita lamang ubos sa usa ka espesipikong collision energy.
Ang RDPI (30) gigamit aron makalkulo ang inducibility sa metabolic profile. Ang metabolic spectrum diversity (Hj index) gikuha gikan sa kadaghan sa MS/MS precursors gamit ang Shannon entropy sa MS/MS frequency distribution gamit ang mosunod nga equation nga gihulagway ni Martínez et al. (8). Hj = −∑i = 1mPijlog2(Pij) diin ang Pij katumbas sa relatibong frequency sa ika-i nga MS/MS sa ika-j nga sample (j = 1, 2,…, m) (i = 1, 2,…, m) t).
Ang metabolic specificity (Si index) gihubit isip ang ekspresyon nga identidad sa usa ka gihatag nga MS/MS kalabot sa frequency tali sa mga sample nga gikonsiderar. Ang MS/MS specificity gikalkulo isip Si = 1t (∑j = 1tPijPilog2PijPi)
Gamita ang mosunod nga pormula aron masukod ang metabolome-specific δj index sa matag j sample, ug ang aberids sa MS/MS specificity δj = ∑i = 1mPijSi
Ang MS/MS spectra gipares-pares, ug ang pagkaparehas gikalkulo base sa duha ka score. Una, gamit ang standard NDP (nailhan usab nga cosine correlation method), gamita ang mosunod nga equation aron i-iskor ang segment similarity tali sa spectra. NDP = (∑iS1 & S2WS1, iWS2, i) 2∑iWS1, i2∑iWS2, i2 diin ang S1 ug S2. Sa susama, para sa spectrum 1 ug spectrum 2, ingon man ang WS1, i ug WS2, ang i nagrepresentar sa gibug-aton base sa peak intensity nga ang kalainan sa i-th common peak tali sa duha ka spectra mas ubos sa 0.01 Da. Ang gibug-aton gikalkulo sama sa mosunod: W = [peak intensity] m [quality] n, m = 0.5, n = 2, sama sa gisugyot sa MassBank.
Usa ka ikaduhang pamaagi sa pag-iskor ang gipatuman, nga naglakip sa pag-analisar sa gipaambit nga NL tali sa MS/MS. Tungod niini, among gigamit ang 52 ka lista sa NL nga kanunayng masugatan atol sa proseso sa MS fragmentation nga magkauban, ug ang mas espesipikong NL (data file S1) nga kaniadto gi-annotate alang sa MS/MS spectrum sa mga secondary metabolite sa nahuyang nga Nepenthes species (9, 26). Paghimo og binary vector nga 1 ug 0 alang sa matag MS/MS, nga katumbas sa kasamtangan ug wala sa pipila ka NL matag usa. Base sa Euclidean distance similarity, ang NL similarity score gikalkulo alang sa matag pares sa binary NL vectors.
Aron mahimo ang dual clustering, among gigamit ang R package nga DiffCoEx, nga gibase sa extension sa Weighted Gene Co-expression Analysis (WGCNA). Gamit ang NDP ug NL scoring matrices sa MS/MS spectra, among gigamit ang DiffCoEx aron makalkulo ang comparative correlation matrix. Ang binary clustering gihimo pinaagi sa pag-set sa “cutreeDynamic” parameter ngadto sa method = “hybrid”, cutHeight = 0.9999, deepSplit = T, ug minClusterSize = 10. Ang R source code sa DiffCoEx gi-download gikan sa dugang nga file 1 ni Tesson et al. (57); Ang gikinahanglan nga R WGCNA software package makita sa https://horvath.genetics.ucla.edu/html/CoexpressionNetwork/Rpackages/WGCNA.
Aron mahimo ang MS/MS molecular network analysis, among gikalkulo ang gipares nga spectral connectivity base sa NDP ug NL similarity types, ug migamit sa Cytoscape software aron makita ang network topology gamit ang organic layout sa CyFilescape yFiles layout algorithm extension application.
Gamita ang R version 3.0.1 aron paghimo og statistical analysis sa datos. Ang statistical significance gisusi gamit ang two-way analysis of variance (ANOVA), gisundan sa Tukey's honestly significant difference (HSD) post-hoc test. Aron masusi ang kalainan tali sa herbivorous treatment ug sa control, ang two-tailed distribution sa duha ka grupo sa mga sample nga adunay parehas nga variance gisusi gamit ang Student's t test.
Para sa dugang nga mga materyales para niining artikulo, palihog tan-awa ang http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/24/eaaz0381/DC1
Kini usa ka open access nga artikulo nga giapod-apod ubos sa mga termino sa Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike License, nga nagtugot sa paggamit, pag-apod-apod, ug pagpatik pag-usab sa bisan unsang medium, basta ang katapusang paggamit dili alang sa komersyal nga ganansya ug ang premise mao nga ang orihinal nga buhat husto. Reperensya.
Pahinumdom: Among gihangyo lang nga ihatag nimo ang imong email address aron ang tawo nga imong girekomenda sa panid mahibalo nga gusto nimo nga makita nila ang email ug nga dili kini spam. Dili kami mokuha og bisan unsang email address.
Kini nga pangutana gigamit aron pagsulay kung ikaw usa ka bisita ug mapugngan ang awtomatikong pagsumite sa spam.
Ang teorya sa impormasyon naghatag ug unibersal nga pamaagi alang sa pagtandi sa mga espesyal nga metabolome ug sa pagtagna sa mga teorya sa depensa sa pagsulay.
Ang teorya sa impormasyon naghatag ug unibersal nga pamaagi alang sa pagtandi sa mga espesyal nga metabolome ug sa pagtagna sa mga teorya sa depensa sa pagsulay.
©2021 American Association for the Advancement of Science. ang tanan nga mga katungod gigahin. Ang AAAS kauban sa HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ug COUNTER. ScienceAdvances ISSN 2375-2548.