Variae theoriae defensionis plantarum magni momenti praecepta theoretica praebent ad explicandas rationes metabolismi specializati plantarum, sed earum praedictiones principales adhuc probandae sunt. Hic, analysi spectrometria massae tandem (MS/MS) impartiali usi sumus ad systematice explorandum metaboloma stirpium tabaci attenuatarum a plantis singulis ad populationes et species arcte cognatas, et magnum numerum theoriarum proprietatum spectrometriae massae, innixarum spectris compositis in informatione, tractavimus. Schema ad probandas praedictiones principales theoriarum defensionis optimalis (OD) et scopi mobilis (MT). Pars informationis metabolomicae plantarum cum theoria OD congruens est, sed contradicit praedictioni principali theoriae MT de dynamicis metabolomicis ab herbivoris causatis. A scala evolutionaria micro ad macro, signum iasmonatum identificatum est ut determinans principale OD, dum signum aethyleni subtilitatem responsus herbivori-specifici, a reti moleculari MS/MS annotati, praebuit.
Metabolitae speciales cum structuris diversis principales participes sunt in adaptatione plantarum ad ambitum, praesertim in defensione inimicorum (1). Mira diversificatio metabolismi specialis in plantis inventi decennia investigationis profundae in multis aspectibus functionum oecologicarum stimulavit, et longam seriem theoriarum defensionis plantarum formavit, quae sunt progressus evolutionarius et oecologicus interactionum plantarum et insectorum. Investigatio empirica praebet directionem magni momenti (2). Attamen hae theoriae defensionis plantarum non secuti sunt viam normativam rationis hypotheticae deductivae, in qua praedictiones principales in eodem gradu analysis erant (3) et experimentaliter probatae sunt ad promovendum cyclum proximum progressionis theoreticae (4). Limitationes technicae collectionem datorum ad categorias metabolicas specificas restringunt et excludunt analysin comprehensivam metabolitarum specialium, ita comparationes inter categorias impedientes quae essentiales sunt ad progressionem theoreticam (5). Carentia datorum metabolomicorum comprehensivorum et monetae communis ad comparandum fluxum laboris processus spatii metabolici inter diversos greges plantarum maturitatem scientificam campi impedit.
Progressus recentissimi in campo metabolomicae spectrometriae massae cum systemate (MS/MS) mutationes metabolicas intra et inter species datae cladae plene describere possunt, et cum methodis computationalibus coniungi possunt ad similitudinem structuralem inter has mixturas complexas calculandam. Scientia prior chemiae (5). Combinatio technologiarum provectarum in analysi et computatione structuram necessariam praebet ad probationem diuturnam multarum praedictionum factarum a theoriis oecologicis et evolutionariis diversitatis metabolicae. Shannon (6) theoriam informationis primum introduxit in articulo suo seminali anno 1948, fundamentum iaciens pro analysi mathematica informationis, quae in multis campis praeter applicationem originalem adhibita est. In genomica, theoria informationis feliciter adhibita est ad quantificandam informationem conservativam sequentiae (7). In investigatione transcriptomica, theoria informationis mutationes generales in transcriptoma analyzat (8). In investigatione priore, structuram statisticam theoriae informationis ad metabolomicam adhibuimus ad describendam peritiam metabolicam gradus textus in plantis (9). Hic, fluxum operis MS/MS fundatum cum schema statistico theoriae informationis, diversitate metabolica in moneta communi insignitum, coniungimus, ut praedictiones clavis theoriae defensionis plantarum metabolomi ab herbivoris inducti comparemus.
Formulae theoreticae defensionis plantarum plerumque inter se includunt et in duas categorias dividi possunt: ​​eae quae distributionem metabolitorum plantarum-specificorum explicare conantur secundum functiones defensivas, ut puta defensionem optimalem (OD) (10), theoriam scopi mobilis (MT) (11) et theoriam apparitionis (12), dum aliae explicationes mechanicas quaerunt quomodo mutationes in disponibilitate opum incrementum plantarum et accumulationem metabolitorum specialium afficiant, ut puta hypothesis carbonii: aequilibrii nutrimentorum (13), hypothesis celeritatis incrementi (14), et hypothesis aequilibrii incrementi et differentiationis (15). Duae theoriae series in diversis gradibus analysis sunt (4). Attamen, duae theoriae functiones defensivas in gradu functionali implicantes disputationem de defensionibus constitutivis et inducibilibus plantarum dominantur: theoria OD, quae assumit plantas in suas defensiones chemicas sumptuosas investire solum cum opus est, exempli gratia, cum ingerunt. Cum animal gramineum impetum facit, ergo, secundum possibilitatem impetus futuri, compositum cum functione defensiva assignatur (10); Hypothesis MT proponit nullum axem mutationis metaboliti directionalis exstare, sed metabolitum temere mutari, ita possibilitatem creans impediendi "scopum motus" metabolicum herbivororum aggredientium. Aliis verbis, hae duae theoriae praedictiones oppositas faciunt de reformatione metabolica quae post impetum herbivororum fit: relationem inter accumulationem unidirectionalem metabolitorum cum functione defensiva (OD) et mutationes metabolicas non directas (MT) (11).
Hypothesis OD et MT non solum mutationes inductas in metaboloma, sed etiam consequentias oecologicas et evolutionarias accumulationis horum metabolitarum, ut puta sumptus et beneficia adaptativa harum mutationum metabolicarum in specifico ambitu oecologico, comprehendunt (16). Quamquam ambae hypotheses functionem defensivam metabolitarum specialium, quae fortasse carae sunt vel non, agnoscunt, praedictio principalis quae hypotheses OD et MT distinguit in directionalitate mutationum metabolicarum inductarum iacet. Praedictio theoriae OD hactenus maximam attentionem experimentalem accepit. Hae probationes includunt studium functionum defensivarum directarum vel indirectarum diversorum textuum compositorum specificorum in tepidariis et condicionibus naturalibus, necnon mutationum in stadio evolutionis plantarum (17-19). Attamen, hactenus, propter defectum fluxus operis et structurae statisticae ad analysin globalem comprehensivam diversitatis metabolicae cuiuslibet organismi, differentia praedictionis principalis inter duas theorias (hoc est, directio mutationum metabolicarum) adhuc probanda est. Hic, talem analysin praebemus.
Una ex notis significantissimis metabolitorum plantarum-specificorum est extrema eorum diversitas structuralis in omnibus gradibus, a plantis singularibus et populationibus ad species similes (20). Multae mutationes quantitativae in metabolitis specialibus observari possunt in scala populationis, dum fortes differentiae qualitativae plerumque servantur in gradu speciei (20). Ergo, diversitas metabolica plantarum est aspectus principalis diversitatis functionalis, reflectens adaptabilitatem ad diversas nichas, praesertim eas nichas cum diversis possibilitatibus invasionis ab insectis specialibus et herbivoris communibus (21). Ex quo articulus Fraenkel (22) innovativus de causis existentiae metabolitorum plantarum-specificorum scripsit, interactiones cum variis insectis habitae sunt ut pressiones selectionis magni momenti, et hae interactiones creduntur plantas per evolutionem formasse. Via metabolica (23). Differentiae interspeciales in diversitate metabolitorum specializatorum etiam reflectere possunt aequilibrium physiologicum associatum cum defensione constitutiva et inducibili plantarum contra strategias herbivoras, cum duae species saepe negative inter se correlatae sint (24). Quamquam utile esse possit bonam defensionem omni tempore conservare, mutationes metabolicae opportunae cum defensione coniunctae clara commoda praebent, permittendo plantis ut opes pretiosas aliis impensis physiologicis allocent (19, 24), et necessitatem symbiosis vitent. Damnum collaterale (25). Praeterea, hae reorganizationes metabolitarum specialium ab insectis herbivoris causatae ad distributionem destructivam in populatione ducere possunt (26), et lectiones directas mutationum naturalium substantialium in signo acidi iasmonici (JA) reflectere possunt, quae in populatione conservari possunt. Signa JA alta et humilia sunt compromissa inter defensionem contra herbivoras et certamen cum speciebus specificis (27). Accedit quod viae biosyntheticae metabolitarum specialium celerem iacturam et transformationem per evolutionem subibunt, quod distributionem metabolicam irregularem inter species arcte cognatas efficiet (28). Hi polymorphismi celeriter constitui possunt in responsione ad mutantes exemplaria herbivora (29), quod significat fluctuationem communitatum herbivorarum esse factorem clavem heterogeneitatem metabolicam impellentem.
Hic, sequentia problemata specifice solvimus. (I) Quomodo insectum herbivorum metaboloma plantae reconfigurat? (II) Quae sunt principales partes informationis plasticitatis metabolicae quae quantificari possunt ad praedictiones theoriae defensionis longi temporis probandas? (III) Utrum metaboloma plantae modo singulari aggressori reprogrammandum sit, si ita, quod munus hormon plantae agit in adaptanda specifica responsione metabolica, et qui metaboliti ad specificitatem speciei defensionis conferunt? (IV) Cum praedictiones a multis theoriis defensionis factae per omnia gradus textuum biologicorum extendi possint, quaesivimus quam constans responsio metabolica causata sit a comparatione interna ad comparationem inter species? Ad hunc finem, metaboloma foliorum nicotini tabaci systematice investigavimus, quod est planta exemplar oecologicum cum divite metabolismo specializato, et efficax est contra larvas duorum herbivororum indigenarum, Lepidoptera Daturae (Ms) (valde aggressiva, plerumque esuta). In Solanaceis et Spodoptera littoralis (Sl), vermes gossypii quoddam "genus" sunt, cum plantis hospitibus Solanacearum et aliis hospitibus aliorum generum et familiarum "plant food". Spectrum metabolomicum MS/MS analizavimus et descriptores statisticos theoriae informationis extraximus ut theorias OD et MT compararemus. Mappas specificitatis creavimus ut identitatem metabolitorum clavium revelaret. Analysis ad populationem indigenam N. nasi et specierum tabaci arcte cognatarum extensa est ut covariantiam inter signalationem hormonum plantarum et inductionem OD ulterius investigaremus.
Ut tabulam generalem de plasticitate et structura metabolomi foliorum tabaci herbivori capiamus, processum analysis et calculi antea elaboratum adhibuimus ut spectra MS/MS independentia altae resolutionis ex extractis plantarum (9) plene colligeremus et deconvolueremus. Haec methodus indifferentiata (MS/MS appellata) spectra compositorum non redundantia construere potest, quae deinde ad omnes analyses gradus compositorum hic descriptas adhiberi possunt. Hi metaboliti plantarum deconvoluti varii generis sunt, ex centenis ad milia metabolitorum constantes (hic circiter 500-1000-s/MS/MS). Hic, plasticitatem metabolicam in contextu theoriae informationis consideramus, et diversitatem et professionalitatem metabolomis quantificamus secundum entropiam Shannon distributionis frequentiae metabolicae. Formula antea implementata (8) utentes, seriem indicatorum computavimus quae ad quantificandam diversitatem metabolomis (indicator Hj), specializationem profili metabolici (indicator δj) et specificitatem metabolicam unius metaboliti (indicator Si) adhiberi possunt. Praeterea, Indicem Plasticitatis Distantiae Relativae (RDPI) adhibuimus ad quantificandam inducibilitatem metabolomis herbivororum (Figura 1A) (30). Intra hoc contextum statisticum, spectrum MS/MS ut unitatem informationis basicam tractamus, et abundantiam relativam MS/MS in mappam distributionis frequentiae elaboramus, deinde entropiam Shannon utimur ad diversitatem metabolomis ex ea aestimandam. Specializatio metabolomis metitur per specificitatem mediam unius spectri MS/MS. Ergo, augmentum abundantiae quarundam classium MS/MS post inductionem herbivororum in inducibilitatem spectralem, RDPI et specializationem transformatur, id est, augmentum indicis δj, quia metaboliti magis specializati producuntur et index Si altus producitur. Diminutio indicis diversitatis Hj reflectat vel numerum MS/MS generatorum reduci, vel distributionem frequentiae profili in directione minus uniformi mutari, dum incertitudinem generalem eius reducit. Per calculum indicis Si, distinguere licet quae MS/MS a certis herbivoris inducantur, quae contra, quae MS/MS inductioni non respondeant, quod index clavis est ad distinguendam praedictionem MT et OD.
(A) Descriptores statistici adhibiti pro inductibilitate datorum MS/MS herbivora (H1 ad Hx), diversitate (index Hj), specializatione (index δj) et specificitate metabolitorum (index Si). Incrementum gradus specializationis (δj) indicat, mediocriter, plures metabolitos specificos herbivoros productos iri, dum diminutio diversitatis (Hj) indicat diminutionem productionis metabolitorum vel distributionem inaequalem metabolitorum in mappa distributionis. Valor Si aestimat utrum metabolitus specificus sit conditioni datae (hic, herbivorus) an contra in eodem gradu servetur. (B) Diagramma conceptuale praedictionis theoriae defensionis utens axe theoriae informationis. Theoria OD praedicit impetum herbivorum aucturum metabolitos defensionis, ita augens δj. Simul, Hj decrescit quia profilum reorganizatur versus incertitudinem reductam informationis metabolicae. Theoria MT praedicit impetum herbivorum mutationes non-directionales in metaboloma causaturum, ita augens Hj ut indicem auctae incertitudinis informationis metabolicae et causans distributionem fortuitam Si. Proposuimus etiam exemplar mixtum, optimum MT, in quo nonnulli metaboliti cum altioribus valoribus defensivis praecipue augebuntur (altus valor Si), dum alii responsa fortuita exhibent (inferior valor Si).
Usi descriptoribus theoriae informationis, interpretamur theoriam OD ut praedicamus mutationes metabolitorum specialium ab herbivoris inductas in statu constitutivo non inducto ad (i) augmentum specificitatis metabolicae (indicem Si) ducturam esse, specificitatem metabonomicam (indicem δj) impellentem, augmentum certorum gregum metabolitorum specialium cum altiore valore defensionis, et (ii) decrementum diversitatis metabolomis (indicem Hj) propter mutationem distributionis frequentiae metabolicae ad maiorem distributionem corporis leptini. In gradu metaboliti singularis, distributio ordinata Si exspectatur, ubi metabolitus valorem Si augebit secundum valorem suum defensionis (Figura 1B). Hac linea, explicamus theoriam MT ut praedicamus excitationem ad (i) mutationes non-directionales in metabolitis ducturam esse, quae decrementum indicis δj efficiunt, et (ii) augmentum indicis Hj propter augmentum incertitudinis metabolicae, sive aleatorietatis, quae quantificari potest per entropiam Shannon in forma diversitatis generalisatae. Quod ad compositionem metabolicam attinet, theoria MT distributionem fortuitam Si praedicet. Cum metabolita quaedam sub condicionibus specificis sub condicionibus specificis sint, alia vero non sub condicionibus specificis, eorumque valor defensionis ab ambitu pendere, exemplar defensionis mixtum etiam proposuimus, in quo δj et Hj bipartite secundum Si distribuuntur. Auctum in omnibus directionibus, tantum quaedam catervae metabolitarum, qui maiores valores defensionis habent, Si praecipue augebunt, dum aliae distributionem fortuitam habebunt (Figura 1B).
Ut praedictionem theoriae defensionis redefinitae in axe descriptoris theoriae informationis probaremus, larvas herbivoras expertas (Ms) vel generalistas (Sl) in foliis Nepenthes pallens (Figura 2A) produximus. Usi analysi MS/MS, 599 spectra MS/MS non redundantia (fasciculus datorum S1) ex extractis methanolicis textus foliorum post erucam cibum collectis recuperavimus. Usi indicibus RDPI, Hj, et δj ad reconfigurationem contenti informationis in fasciculis configurationis MS/MS visualizandam, exempla curiosa revelantur (Figura 2B). Tendentia generalis est, ut a descriptore informationis descriptum est, dum erucae folia edere pergunt, gradus omnis reorganizationis metabolicae per tempus crescit: 72 horis postquam herbivorus cibum consumpsit, RDPI significanter crescit. Comparata cum exemplo integro, Hj significanter redacta est, quod ob gradum auctum specializationis profili metabolici, qui per indicem δj quantificatus est, factum est. Haec apparens inclinatio cum praedictionibus theoriae OD congruit, sed discrepat cum principalibus praedictionibus theoriae MT, quae credit mutationes fortuitas (non-directionales) in gradibus metabolitorum quasi occultationem defensivam adhiberi (Figura 1B). Quamquam contentum elicitoris secretionis oralis (OS) et modus edendi horum duorum herbivororum differunt, eorum esus directus similes mutationes in directionibus Hj et δj per periodos messis 24 horarum et 72 horarum effecit. Sola differentia 72 horis RDPI apparuit. Comparatus cum eo quod a esu Ms causatur, metabolismus generalis a esu Sl inductus altior erat.
(A) Designatio experimentalis: porci vulgares (S1) vel herbivori periti (Ms) foliis desalinis plantarum urticariarum pascuntur, dum ad herbivoram simulatam, OS Ms (W + OSMs) ad punctionem vulneris in positionibus foliorum normatis tractandam adhibetur. S1 (W + OSSl) larvae vel aqua (W + W) adhibentur. Testimonium (C) folium integrum est. (B) Index inducibilitatis (RDPI comparatus cum charta testium), diversitatis (index Hj) et specializationis (index δj) pro mappa metabolitorum specialium computati (599 MS/MS; fasciculus datorum S1). Asterisci differentias significantes inter pastionem herbivorum directam et gregem testium indicant (test t Studentis cum test t pari, *P<0.05 et ***P<0.001). ns, non magni momenti. (C) Index resolutionis temporalis spectri metabolitorum principalium (capsula caerulea, acidum amino, acidum organicum et saccharum; fasciculus datorum S2) et specialium (capsula rubra 443 MS/MS; fasciculus datorum S1) post simulatam curationem herbivoriam. Fascia colorata ad intervallum fiduciae 95% refert. Asteriscus differentiam significantem inter curationem et controlem indicat [analysis variantiae quadratica (ANOVA), secuta differentia honesta significante Tukey (HSD) pro comparationibus multiplicibus post hoc, *P<0.05, **P<0.01 et *** P <0.001]. (D) Specializatio diagrammatum dispersionis et profilum metabolitorum specialium (exempla repetita cum curationibus diversis).
Ut exploraremus num remodellatio metabolomi ab herbivoris inducta in gradu systematis herbivori in mutationibus in gradu singulorum metabolitorum reflectatur, primum in metabolitis antea in foliis *Nepenthes pallens* cum resistentia herbivoris comprobata investigatis intendimus. Amida phenolica sunt hydroxycinnamamidi-polyamini coniugata quae per processum herbivorium insectorum accumulantur et nota sunt actionem insectorum minuere (32). Praecursores MS/MS correspondentis investigavimus et curvas cineticas cumulativas eorum delineavimus (Figura S1). Haud mirum, derivata phenolica quae non directe in defensione contra herbivora implicantur, ut acidum chlorogenicum (CGA) et rutina, post herbivorium deminuuntur. Contra, herbivora phenolamida valde potentes reddere possunt. Continua pastio duorum herbivorum fere eundem spectrum excitationis phenolamidarum effecit, et hoc exemplum praesertim manifestum erat pro synthesi *de novo* phenolamidarum. Idem phaenomenon observabitur cum via 17-hydroxygeranyl nonanediol diterpenorum glycosidorum (17-HGL-DTGs) exploratur, quae magnum numerum diterpenorum acyclicorum cum functionibus anti-herbivoris efficacibus producit (33), quorum Ms Feeding with Sl similem expressionis formam excitavit (Figura S1)).
Incommodum fortasse experimentorum pascendi herbivoris directi est differentia in ratione consumptionis foliorum et tempore pascendi herbivororum, quae difficile reddit eliminare effectus herbivoris specificos a vulneribus et herbivoris causatos. Ut melius solveretur specificitas speciei herbivorae responsus metabolici folii inducti, pascendi larvarum Ms et Sl simulavimus statim applicando OS recens collectum (OSM et OSS1) puncturae normali W positionum foliorum constantium. Haec ratio appellatur tractatio W + OS, et inductionem standardizat per accurate tempus initii responsi ab herbivoro elicitae sine effectibus confundentibus differentiarum in ratione vel quantitate amissionis textus (Figura 2A) (34). Usi analysi et canali calculi MS/MS, recuperavimus 443 spectra MS/MS (fasciculus datorum S1), quae cum spectris antea collectis ex experimentis pascendi directi congruebant. Analysis theoriae informationis huius copiae datorum MS/MS demonstravit reprogrammationem metabolomatum foliis specializatorum per simulationem herbivororum inductiones OS specificas demonstravisse (Figura 2C). Praesertim, comparatione facta cum curatione OSS1, OSM augmentum specializationis metabolomi post horas quattuor effecit. Notandum est, comparatione facta cum experimentis de cibo herbivoro directo, cineticam metabolicam in spatio bidimensionali visualizatam utens coordinatis Hj et δj et directionalitatem specializationis metabolomi in responsione ad simulatam curationem herbivororum per tempus constantem incrementorum demonstravisse (Figura 2D). Simul, contentum aminoacidorum, acidorum organicorum et saccharorum (fasciculus datorum S2) quantificavimus ut investigaremus utrum hoc augmentum destinatum in peritia metabolomi debeatur reconfigurationi metabolismi carbonis centralis in responsione ad simulatas herbivoras (Figura S2). Ut hoc exemplum melius explicaremus, cineticam accumulationis metabolicae viarum phenolamidi et 17-HGL-DTG antea tractatarum ulterius observavimus. Inductio herbivororum specifica OS in exemplum rearrangementi differentialis intra metabolismum phenolamidi transformatur (Figura S3). Amidae phenolicae, cum coumarino et caffeoylis, ab OSS1 praecipue inducuntur, dum OSM inductionem specificam coniugatorum ferulyli incitant. Pro via 17-HGL-DTG, inductio OS differentialis per malonylationem deinceps et producta dimalonylationis detecta est (Figura S3).
Deinde, plasticitatem transcriptomicam ab OS inductam investigavimus, utens collectione microarray temporis, quae usum OSM ad folia plantarum rosettae in herbivoris tractanda simulat. Cinetica sampling fere congruit cum cinetica in hoc studio metabolomico adhibita (35). Comparata cum reconfiguratione metabolomica in qua plasticitas metabolica per tempus praecipue augetur, eruptiones transcriptionis transitorias in foliis ab Ms inductas observamus, ubi inducibilitas transcriptomica (RDPI) et specializatio (δj) ad 1 sunt. Incrementum significans horarum et diversitatis (Hj) hoc tempore observatum est, expressio BMP1 significanter redacta est, deinde relaxatio specializationis transcriptomicae secuta est (Figura S4). Familiae genorum metabolicorum (ut P450, glycosyltransferasis, et BAHD acyltransferasis) in processu assemblandi metabolita specialia ex unitatibus structuralibus a metabolismo primario derivatis participant, sequentes exemplar praecedens altae specializationis. Ut studium casus, via phenylalanini analysata est. Analysis confirmavit genes centrales in metabolismo phenolamidi in herbivoris, comparatis cum plantis non attractis, valde ab OS induci, et in exemplaribus expressionis arcte congruere. Factor transcriptionis MYB8 et genes structurales PAL1, PAL2, C4H, et 4CL in parte superiore huius viae initium transcriptionis praecox ostenderunt. Acyltransferases quae partes agunt in compositione finali phenolamidi, ut AT1, DH29, et CV86, exemplar surregulationis prolongatum exhibent (Figura S4). Observationes supradictae indicant initium praecox specializationis transcriptomi et augmentum posteriorem specializationis metabolomicae modum coniunctum esse, qui fortasse ob systema regulatorium synchronum, quod validam responsionem defensivam initiat, oritur.
Reconfiguratio in signalatione hormonum plantarum agit quasi stratum regulatorium quod informationem herbivoram integrat ad physiologiam plantarum reprogrammandam. Post simulationem herbivorae, dynamicam cumulativam categoriarum clavium hormonum plantarum mensuravimus et co-expressionem temporalem inter eas visualizavimus [coefficiens correlationis Pearson (PCC) > 0.4] (Figura 3A). Ut expectatum, hormona plantarum ad biosynthesis pertinentia intra rete co-expressionis hormonum plantarum conexa sunt. Praeterea, specificitas metabolica (index Si) huic reti mappatur ad hormona plantarum a diversis curationibus inducta illustranda. Duae areae principales responsus specifici herbivori delineantur: una est in grege JA, ubi JA (forma eius biologice activa JA-Ile) et alia derivata JA summum gradum Si ostendunt; altera est ethylenum (ET). Gibberellinum tantum moderatum augmentum in specificitate herbivora ostendit, dum alia hormona plantarum, ut cytokininum, auxinum, et acidum abscisicum, specificitatem inductionis humilem pro herbivoris habebant. Comparata cum usu W + W solo, amplificatio valoris maximi derivatorum JA per applicationem OS (W + OS) in indicem specificum validum JA transformari potest. Inopinato, OSM et OSS1 cum diverso contento elicitoris similem accumulationem JA et JA-Ile causare nota sunt. Contra OSS1, OSM specifice et fortiter ab OSM inducitur, dum OSS1 responsionem vulnerum basalium non amplificat (Figura 3B).
(A) Analysis retium co-expressionis innixa computationi PCC simulationis cineticae accumulationis hormonum plantarum herbivoris inductae. Nodus singulum hormon plantarum repraesentat, et magnitudo nodi indicem Si specificum hormoni plantarum inter curationes repraesentat. (B) Accumulatio JA, JA-Ile et ET in foliis causata a curationibus diversis coloribus diversis indicata: malum Armeniacum, W + OSM; caeruleus, W + OSSl; niger, W + W; griseus, C (control). Asterisci differentias significantes inter curationem et control indicant (ANOVA bidirectionalis secuta comparatione multiplici post hoc Tukey HSD, *** P <0.001). Analysis theoriae informationis (C)697 MS/MS (fasciculus datorum S1) in biosynthesi JA et spectro perceptionis imminutae (irAOC et irCOI1) et (D)585 MS/MS (fasciculus datorum S1) in ETR1 cum signo ET imminuto. Duae curationes herbivoris simulatae lineas plantarum et plantas control vehiculi vacuae (EV) excitaverunt. Asterisci differentias significantes inter curationem W+OS et comparationem integram indicant (ANOVA bidirectionalis secuta comparatione multiplici post hoc Tukey HSD, *P<0.05, **P<0.01 et ***P<0.001). (E) Graphica dispersa oppositionis dispersae ad specializationem. Colores diversas stirpes genetice modificatas repraesentant; symbola diversas methodos curationis repraesentant: triangulum, W + OSS1; rectangulum, W + OSM; circulus C.
Deinde, stirpem Nepenthes attenuatae (irCOI1 et sETR1) genetice modificatam in gradibus clavis biosynthesis JA et ET (irAOC et irACO) et perceptionis (irCOI1 et sETR1) utimur ad metabolismum horum duorum hormonum plantarum in herbivoris analysandum. Contributio relativa reprogrammationis. Congruenter cum experimentis prioribus, inductionem herbivori-OS in plantis vectoribus vacuis (EV) (Figura 3, C ad D) et decrementum generale indicis Hj ab OSM causatum confirmavimus, dum index δj augetur. Responsio clarior est quam responsio ab OSS1 incitata. Graphium bilineale Hj et δj ut coordinatas utens deregulationem specificam ostendit (Figura 3E). Tendentia manifestissima est quod in stirpibus signo JA carentibus, diversitas metabolomis et mutationes specializationis ab herbivoris causatae fere omnino eliminantur (Figura 3C). Contra, perceptio silens ET in plantis sETR1, quamquam effectus generalis in mutationes metabolismi herbivori multo minor est quam effectus signalationis JA, differentiam in indicibus Hj et δj inter excitationes OSM et OSS1 attenuat (Figura 3D et Figura S5). Hoc indicat, praeter functionem principalem transductionis signi JA, transductionem signi ET etiam ut subtilitatem responsus metabolici speciei-specifici herbivororum inservire. Congruenter cum hac functione subtilitatis, nulla mutatio in inducibilitate metabolomi generali in plantis sETR1 observata est. Ex altera parte, comparatae cum plantis sETR1, plantae irACO similes amplitudines generales mutationum metabolicarum ab herbivoris causatarum induxerunt, sed indices Hj et δj inter provocationes OSM et OSS1 significanter differentes ostenderunt (Figura S5).
Ut metabolitas specializatos, qui contributiones magnas ad responsum speciei-specificum herbivororum habent, identificaremus et eorum productionem per signa ET subtiliter temperaremus, methodum structuralem MS/MS antea evolutam adhibuimus. Haec methodus methodo bi-clustering innititur ad familiam metabolicam ex fragmentis MS/MS [productum punctarium normalizatum (NDP)] et indice similitudinis secundum iacturam neutram (NL) denuntiandam. Series datorum MS/MS, per analysin stirpium transgenicarum ET constructa, 585 MS/MS produxit (fasciculus datorum S1), quae per congregationem in septem modulos MS/MS principales (M) resoluta est (Figura 4A). Nonnulli ex his modulis dense referti sunt metabolitis specialibus antea descriptis: exempli gratia, M1, M2, M3, M4 et M7 divites sunt variis derivatis phenolicorum (M1), glycosidis flavonoidis (M2), saccharis acylicis (M3 et M4), et 17-HGL-DTG (M7). Praeterea, informatio metabolica specifica (index Si) unius metaboliti in quoque modulo computatur, et eius distributio Si intuitive videri potest. Breviter, spectra MS/MS exhibentia magnam herbivoriam et genotypi specificitatem altis valoribus Si notantur, et statistica kurtosis distributionem pilorum in angulo dextro caudae indicant. Una talis distributio colloidum macra in M1 detecta est, in qua phenolamidum maximam fractionem Si ostendit (Figura 4B). 17-HGL-DTG herbivora inducibilis in M7, antea memorata, moderatum Si gradum ostendit, moderatum regulationis differentialis inter duos typos OS indicans. Contra, plerique metaboliti specializati constitutive producti, ut rutina, CGA, et saccharum acylicum, inter infimos Si gradus sunt. Ut melius complexitas structuralis et distributio Si inter metabolitos speciales explorarentur, rete moleculare pro quoque modulo constructum est (Figura 4B). Praedictio magni momenti theoriae OD (in Figura 1B summatim descripta) est reorganizationem metabolitorum specialium post herbivoram mutationes unidirectionales in metabolitis cum alto valore defensionis ducere debere, praesertim per augendam specificitatem eorum (contra distributionem fortuitam). Modus metabolitorum defensivus praedictus a theoria MT. Pleraque derivata phenolica in M1 accumulata functionaliter cum declinatione actionis insectorum coniunguntur (32). Cum valores Si in metabolitis M1 inter folia inducta et folia constituentia plantarum EV moderatrices post 24 horas comparamus, observavimus specificitatem metabolicam multorum metabolitorum post insecta herbivora significantem inclinationem crescentis habere (Figura 4C). Incrementum specificum valoris Si tantum in phenolammidis defensivis detectum est, sed nullum augmentum valoris Si detectum est in aliis phenolis et metabolitis ignotis in hoc modulo coexistentibus. Hoc est exemplar specializatum, quod ad theoriam OD pertinet. Praedictiones principales mutationum metabolicarum ab herbivoris causatarum congruunt. Ut exploraremus num haec peculiaritas spectri phenolamidi ab ET OS-specifico inducta esset, indicem metaboliti Si delineavimus et valorem expressionis differentialem inter OSM et OSS1 in genotypis EV et sETR1 effecimus (Figura 4D). In sETR1, differentia a phenamido inducta inter OSM et OSS1 magnopere redacta est. Methodus bi-clustering etiam ad data MS/MS collecta in stirpibus cum JA insufficienti adhibita est ad principales modulos MS/MS cum specializatione metabolica JA-regulata pertinentes inferendos (Figura S6).
(A) Resultata coacervationis 585 MS/MS, secundum fragmenta communia (similitudinem NDP) et iacturam neutram communem (similitudinem NL), efficiunt ut modulus (M) congruat cum familia compositorum nota, vel per compositionem Metaboliti ignotam vel male metabolizati. Iuxta quemque modulum, distributio specifica metaboliti (MS/MS) (Si) ostenditur. (B) Rete moleculare modulare: Nodi MS/MS et margines repraesentant, NDP (rubrum) et NL (caeruleum) MS/MS valores (limes, > 0.6). Index specificitatis metaboliti gradatus (Si) coloratus secundum modulum (sinistra) et mappatus reti molecularis (dextra). (C) Modulus M1 plantae EV in statu constitutivo (control) et inducto (herbivorus simulatus) post 24 horas: diagramma reti molecularis (valor Si est magnitudo nodi, phenolamidum defensivum caeruleo colore illustratur). (D) Diagramma reti molecularis M1 lineae spectri sETR1 cum perceptione EV et ET impedita: compositum phenolicum a nodo circuli viridis repraesentatum, et differentia significativa (valor P) inter curationes W + OSM et W + OSS1 ut magnitudo Nodi. CP, N-caffeoyl-tyrosinum; CS, N-caffeoyl-spermidinum; FP, acidum N-ferulicum ester-uricum; FS, N-ferulyl-spermidinum; CoP, N', N”-Coumarolyl-tyrosinum; DCS, N', N”-dicaffeoyl-spermidinum; CFS, N', N”-caffeoyl, feruloyl-spermidinum; Lycium barbarum in *lycium berry*; Nick. O-AS, O-acyl saccharum.
Analysin ulterius extendimus ab uno genotypo Nepenthes attenuato ad populationes naturales, ubi mutationes intraspecificae fortes in gradibus JA herbivoris et gradibus metabolitorum specificorum antea descriptae sunt in populationibus naturalibus (26). Hoc datum adhibitum est ad 43 germoplasmata comprehendenda. Haec germoplasmata constant ex 123 speciebus plantarum ex N. pallens. Hae plantae sumptae sunt ex seminibus collectis in diversis habitationibus indigenis in Utah, Nevada, Arizona, et California (Figura S7), diversitatem metabolomis (hic appellatum gradum populationis) β diversitas) et specializationem ab OSM causatam calculavimus. Congruenter cum studiis prioribus, amplam varietatem mutationum metabolicarum secundum axes Hj et δj observavimus, indicantes germoplasmata differentias significantes in plasticitate responsionum metabolicarum ad herbivora habere (Figura S7). Haec organizatio observationes priores de amplitudine dynamica mutationum JA ab herbivoris causatarum reminiscitur, et valorem altissimum in una populatione servavit (26, 36). Adhibendo JA et JA-Ile ad correlationem generalem inter Hj et δj examinandam, invenimus correlationem positivam significantem inter JA et indicem diversitatis et specializationis metabolomi β (Figura S7). Hoc suggerit heterogeneitatem in inductione JA ab herbivoris inductam, quae in gradu populationis detecta est, fortasse deberi polymorphismo metabolico clavis, a selectione ex insectis herbivoris causato.
Studia priora demonstraverunt genera tabaci magnopere differre genere et relativa dependentia a defensionibus metabolicis inductis et constitutivis. Creditur has mutationes in transductione signorum anti-herbivororum et facultatibus defensionis regi pressione populationis insectorum, cyclo vitae plantarum, et sumptibus productionis defensionis in loco ubi data species crescit. Constantiam remodellationis metabolomatis foliorum inductae ab herbivoris sex specierum Nicotianae indigenarum Americae Septentrionalis et Americae Meridionalis studuimus. Hae species arcte cognatae sunt Nepenthei Americae Septentrionalis, nempe Nicolas Bociflo. La, N. nicotinis, Nicotiana n. attenuated grass, Nicotiana tabacum, tabacum lineare, Nicotiana spegazzinii et Nicotiana obtusifolia (Figura 5A) (37). Sex harum specierum, inclusa specie bene characterizata N. please, sunt plantae annuae cladi petuniae, et N. obtusifolia sunt perennes cladi sororis Trigonophyllae (38). Deinde, inductio W + W, W + OSM et W + OSS1 in his septem speciebus peracta est ad transpositionem metabolicam insectorum pascendi ad gradum speciei investigandam.
(A) Arbor phylogenetica bootstrap secundum maximam probabilitatem [pro synthesi glutamini nuclearis (38)] et distributionem geographicam septem specierum Nicotianae arcte cognatarum (coloribus diversis) (37). (B) Diagramma dispersionis diversitatis specializatae pro profilibus metabolicis septem specierum Nicotianae (939 MS/MS; fasciculus datorum S1). In gradu speciei, diversitas metabolomi negative correlata est cum gradu specializationis. Analysis correlationis in gradu speciei inter diversitatem metabolicam et specializationem et accumulationem JA in Figura 2. S9 ostenditur. Color, genera diversa; triangulum, W + OSS1; rectangulum, W + OSM; (C) Dynamica JA Nicotianae et JA-Ile secundum amplitudinem excitationis OS ordinantur (ANOVA bidirectionalis et comparatio post-multiplem Tukey HSD, * P <0.05, ** P <0.01 et * ** Pro comparatione W + OS et W + W, P <0.001). Diagramma capsulare (D) diversitatis et (E) specializationis cuiusque speciei post simulationem JA herbivorae et methylicae (MeJA). Asteriscus differentiam significantem inter W + OS et W + W vel lanolinum plus W (Lan + W) vel Lan plus MeJA (Lan + MeJa) et Lan comparationem (analysis variantiae bidirectionalis, secuta comparatione multiplici post hoc Tukey HSD, *P<0.05, **P<0.01 et ***P<0.001) indicat.
Usi methodo duplici gregis, novem modulos ex 939 MS/MS (fasciculus datorum S1) identificavimus. Compositio MS/MS per varias curationes reconfiguratae inter modulos varios inter species magnopere variat (Figura S8). Visualizatio Hj (hic appellata γ-diversitas ad gradum speciei) et δj revelat species diversas in greges valde diversos in spatio metabolico aggregari, ubi divisio ad gradum speciei plerumque magis prominet quam excitatio. Exceptis N. linear et N. obliquus, latam dynamicam seriem effectuum inductionis exhibent (Figura 5B). Contra, species ut N. purpurea et N. obtusifolia responsum metabolicum minus manifestum ad curationem habent, sed metaboloma magis diversum est. Distributio specifica secundum speciem responsi metabolici inducti correlationem negativam significantem inter specializationem et diversitatem gamma effecit (PCC = -0.46, P = 4.9×10-8). Mutationes in gradibus JAs ab OS inductae positive cum specializatione metabolomi correlatae sunt, et negative cum diversitate gamma metabolica ab unaquaque specie exhibita (Figura 5B et Figura S9). Notandum est species, quae vulgo "speciebus responsis signorum" in Figura 5C appellantur, ut Nepenthes nematodes, Nepenthes nepenthes, Nepenthes acuta, et Nepenthes attenuata, signa significativa post 30 minuta effecisse. Recentes eruptiones JA et JA-Ile OS-specificae, dum aliae bacteriae "signo non responsivae" appellatae, ut Nepenthes mills, Nepenthes pulverulenta, et N. obtusifolia, tantum inductionem JA-Ile Edge sine ulla specificitate OS ostendunt (Figura 5C). In gradu metabolico, ut supra dictum est, pro Nepenthe attenuata, substantiae signo responsivae specificitatem OS ostenderunt et δj significanter auxerunt, dum Hj minuebant. Hic effectus praeparationis OS-specificus non detectus est in speciebus classificatis ut species signo non reactivae (Figura 5, D et E). Metabolitae OS-specificae saepius inter species signalibus respondentes communicantur, et hae coetus signorum cum speciebus cum signalibus debilioribus congregantur, dum species cum signalibus debilioribus minorem interdependentiam ostendunt (Figura S8). Hoc resultat indicat inductionem JAs OS-specificam et reconfigurationem OS-specificam metabolomis subsequentis in gradu speciei coniungi.
Deinde, pastam lanolinicam methylatum acetabulinum (MeJA) continentem ad plantas tractandas usi sumus, ut investigaremus num hi modi copulationis a copia acetabulini (JA) ab JA exogeno applicati, quod in cytoplasmate plantarum erit, restringantur. Celeris deesterificatio est JA. Eandem inclinationem mutationis gradualis a speciebus signo respondentibus ad species signo non respondentes, a continua copia JA causatam, invenimus (Figura 5, D et E). Breviter, curatio MeJA metabolomata nematodorum linearum, N. obliquus, N. aquaticus, N. pallens, et N. mikimotoi, fortiter reprogrammavit, quod ad augmentum significantem in δj et decrementum in Hj duxit. N. purpurea tantum augmentum in δj ostendit, sed non in Hj. N. obtusifolia, quae antea demonstrata est gradus JA infimos accumulare, etiam male curationi MeJA respondet quoad reconfigurationem metabolomi. Haec eventa indicant productionem JA vel transductionem signi physiologice restrictam esse in speciebus signo non respondentibus. Ad hanc hypothesim probandam, quattuor species (N. pallens, N. mills, N. pink et N. microphylla) a W + W, W + OSM et W + OSS1 Transcriptoma inductas (39) studuimus. Congruenter cum exemplo remodellationis metabolomis, species bene separatae sunt in spatio transcriptomis, inter quas N. attenuated maximum RDPI OS-inductum ostendit, dum N. gracilis minimum habuit (Figura 6A). Attamen, inventum est diversitatem transcriptomis a N. oblonga inductam minimam esse inter quattuor species, contra maximam diversitatem metabonomicam N. oblongae antea in septem speciebus demonstratam. Studia priora demonstraverunt seriem genorum ad prima signa defensionis pertinentium, inter quae signa JA, specificitatem primarum responsorum defensionis ab elicitoribus herbivoris-relatorum in speciebus Nicotianae inductorum explicare (39). Comparatio viarum signalationis JA inter has quattuor species exemplum interesting revelavit (Figura 6B). Pleraque gena in hac via, ut AOC, OPR3, ACX et COI1, inductionis gradus relative altos in his quattuor speciebus ostenderunt. Attamen, gen clavis, JAR4, JA in formam biologice activam transcriptionum JA-Ile accumulatorum convertit, et gradus transcriptionis eius valde humilis est, praesertim in N. mills, Nepenthes pieris et N. microphylla. Praeterea, solum transcriptio alterius geni AOS in N. bifidum non detecta est. Hae mutationes in expressione genorum fortasse responsabiles sunt pro phaenotypis extremis inductis a productione JA humili in speciebus signalibus anergicis et inductione N. gracilis.
(A) Analysis theoriae informationis reprogrammationis responsionum transcriptionalium primaevarum quattuor specierum tabaci arcte cognatarum, collectae post inductionem herbivoram triginta minutis. RDPI computatur comparando folia inducta ab OS herbivoro cum vulnere testigo. Colores species diversas indicant, et symbola methodos curationis diversas. (B) Analysis expressionis genorum in viis signalationis JA inter quattuor species. Via JA simplificata iuxta diagramma arcae ostenditur. Colores diversi methodos processus diversas indicant. Asteriscus indicat differentiam significantem esse inter curationem W + OS et testigonium W + W (pro probatione t Studentis pro differentiis binis, *P<0.05, **P<0.01 et ***P<0.001). OPDA, acidum 12-oxophytodienoicum; OPC-8: acidum 0,3-oxo-2(2′(Z)-pentenyl)-cyclopentane-1-octanoicum.
In parte ultima, studuimus quomodo metabolomis variarum specierum plantarum, secundum species insectorum, remodelandio secundum species resistere possit herbivoris. Investigationes priores genus Nicotianae illustraverunt. Resistentia earum ad Ms et larvas valde differt (40). Hic, nexum inter hoc exemplar et plasticitatem metabolicam earum investigavimus. Quattuor speciebus tabaci supradictis utentes, et correlationem inter diversitatem et specializationem metabolomis ab herbivoris causatam et resistentiam plantarum ad Ms et Sl probantes, invenimus resistentiam, diversitatem et specializationem ad Sl generalistam positive correlatas esse, dum correlatio inter resistentiam ad feminas expertas et specializationem debilis est, et correlatio cum diversitate non significativa (Figura S10). Quod ad resistentiam S1 attinet, et N. chinensis et N. gracilis attenuatae, quae antea et gradus transductionis signi JA et plasticitatem metabolomis exhibere demonstratae sunt, responsiones ad inductionem herbivorum valde diversas habuerunt, et etiam similem resistentiam altam demonstraverunt. Sexus.
Per sexaginta annos proximos, theoria defensionis plantarum structuram theoreticam praebuit, qua investigatores numerum considerabilem evolutionis et functionum metabolitorum plantarum specializatorum praedixerunt. Pleraeque harum theoriarum processum normalem conclusionum fortium non sequuntur (41). Praedictiones principales (3) in eodem gradu analysis proponunt. Cum probatio praedictionum principalium permittit analysin theoriarum specificarum, hoc faciet ut campus progreditur. Sustineatur, sed aliae reiiciantur (42). Potius, nova theoria praedictiones in diversis gradibus analysis facit et novum stratum considerationum descriptivarum addit (42). Attamen, duae theoriae in gradu functionali propositae, MT et OD, facile explicari possunt ut praedictiones magni momenti mutationum metabolicarum specializatarum a herbivoris causatarum: Theoria OD credit mutationes in "spatio" metabolico specializato valde directionales esse. Theoria MT credit has mutationes non directionales et temere in spatio metabolico locatas fore, et metabolitos magni valoris defensionis habere solere. Examinationes priores praedictionum OD et MT probatae sunt utens angusto grege compositorum "defensionis" a priori. Hae probationes metabolitis-centricae facultatem excludunt analysin extensionis et trajectoriae reconfigurationis metabolomis durante herbivoria, nec permittunt probationes intra constantem structuram statisticam requirere praedictiones clavis quae in toto considerari possunt ad quantificandas mutationes in metabolomis plantarum. Hic, technologiam innovativam in metabolomica innixam MS computationali usi sumus et analysin MS deconvolutionalem in generali usu descriptorum theoriae informationis perfecimus ad distinctionem inter duos propositos in gradu metabolomicae globalis probandam. Praedictio clavis huius theoriae. Theoria informationis in multis campis adhibita est, praesertim in contextu investigationis biodiversitatis et fluxus nutrimentorum (43). Attamen, quantum scimus, haec est prima applicatio adhibita ad describendum spatium informationis metabolicae plantarum et solvenda problemata oecologica ad mutationes metabolicas temporales in responsione ad signa environmentalia pertinentia. Praesertim, facultas huius methodi in facultate sua iacet comparandi exempla intra et inter species plantarum ad examinandum quomodo herbivora ex diversis speciebus ad exempla macroevolutionaria inter-speciem in diversis gradibus evolutionis evoluta sint. Metabolismus.
Analysis principalis componentium (PCA) seriem datorum multivariatarum in spatium reductionis dimensionalitatis convertit, ut inclinatio principalis datorum explicari possit, itaque plerumque ut technica exploratoria ad seriem datorum resolvendam adhibetur, ut puta metaboloma deconvolutionis. Attamen reductio dimensionalitatis partem informationis contentae in serie datorum amittet, et PCA informationem quantitativam de notis quae ad theoriam oecologicam pertinent praebere non potest, ut: quomodo herbivora diversitatem in campis specialibus (exempli gratia, divitiae, distributio et abundantia) metabolitas reconfigurant? Qui metabolitae praedictores status inducti herbivori dati sunt? Ex prospectu specificitatis, diversitatis et inducibilitatis, contenta informationis profile metaboliti folii specifici decomponitur, et invenitur esum herbivororum metabolismum specificum excitare posse. Inopinato, observavimus, ut in indicatoribus theoriae informationis adhibitis descriptum est, condicionem metabolicam resultantem magnam congruentiam habere post impetus duorum herbivororum (generalistae nocturno pasti Sl) et expertae Solanacearum Ms., quamquam eorum mores pascendi et concentratio significanter differunt. Initiator acidi pinguis-aminoacidi coniugati (FAC) in OS (31). Usu OS herbivori ad curandas vulnera puncturata normata, curatio herbivora simulata etiam similem inclinationem ostendit. Haec ratio normata ad simulandam responsionem plantarum ad impetus herbivorum factores confundentes a mutationibus in moribus edendi herbivorum causatos eliminat, qui ad varios gradus damni diversis temporibus ducunt (34). FAC, quae nota est esse causa principalis OSM, JAS et alias responsiones hormonum plantarum in OSS1 minuit, dum OSS1 centies minuit (31). Attamen, OSS1 similia gradus accumulationis JA comparata cum OSM causavit. Ante demonstratum est responsionem JA in Nepenthe attenuata valde sensibilem esse ad OSM, ubi FAC activitatem suam conservare potest etiam si 1:1000 cum aqua diluitur (44). Ergo, comparata cum OSM, quamquam FAC in OSS1 valde humilis est, sufficit ad sufficientem eruptionem JA inducendam. Studia priora demonstraverunt proteinas porino similes (45) et oligosaccharidas (46) ut indicia molecularia ad responsa defensionis plantarum in OSS1 excitanda adhiberi posse. Attamen, adhuc incertum est utrum hi elicitores in OSS1 accumulationem JA in studio praesenti observatam responsabiles sint.
Quamquam pauca studia exstant quae vestigia metabolica differentialia describunt quae ex applicatione herbivororum diversorum vel JA vel SA (acidi salicylici) exogeni causantur (47), nemo perturbationem specificam speciei herbivororum in reticulo graminis plantae eiusque effectus in informationes personales specificas perturbavit. Impetus totus metabolismi systematice investigatur. Haec analysis porro confirmavit nexum retium hormonum internum cum aliis hormonibus plantarum praeter JA specificitatem reorganizationis metabolicae ab herbivoris causatae formare. Praesertim, deprehendimus ET ab OSM causatum significanter maiorem esse quam eum ab OSS1 causatum. Hic modus congruit cum maiori contento FAC in OSM, quae condicio necessaria et sufficiens est ad eruptionem ET incitandam (48). In contextu interactionis inter plantas et herbivora, functio signalationis ET in dynamica metabolitorum plantae specifica adhuc sporadica est et tantum unum gregem compositorum petit. Praeterea, pleraque studia applicationem exogenam ET vel praecursorum eius vel variorum inhibitorum ad regulationem ET studendam usurpaverunt, inter quae hae applicationes chemicae exogenae multos effectus secundarios non specificos producent. Quantum sciamus, hoc studium primam magnae scalae examinationem systematicam muneris ET in usu ET ad producendas et percipiendas plantas transgenicas impeditas ad coordinandam dynamicam metabolomi plantarum repraesentat. Inductio ET specifica herbivoris responsionem metabolomi tandem moderari potest. Significantissima est manipulatio transgenica genorum biosynthesis ET (ACO) et perceptionis (ETR1) quae accumulationem de novo phenolamidorum specificam herbivoris revelavit. Ante demonstratum est ET accumulationem nicotini ab JA inductam subtiliter moderari posse per regulationem putrescini N-methyltransferasis (49). Attamen, ex prospectu mechanico, non liquet quomodo ET inductionem phenamidi subtiliter moderatur. Praeter functionem transductionis signalis ET, fluxus metabolicus etiam ad S-adenosyl-1-methioninum derivari potest ad moderandam collocationem in polyaminophenol amidis. S-adenosyl-1-methioninum est ET et intermedium commune viae biosyntheticae polyamini. Mechanismus quo signum ET gradum phenolamidi regulat ulteriore studio eget.
Diu, propter magnum numerum metabolitorum specialium structurae ignotae, intensa attentio ad categorias metabolicas specificas non potuit stricte aestimare mutationes temporales diversitatis metabolicae post interactiones biologicas. In praesenti, secundum analysin theoriae informationis, praecipuum eventum acquisitionis spectri MS/MS in metabolitis impartiis fundatam est quod herbivora herbivora edentes vel simulantes diversitatem metabolicam generalem metabolomi foliorum minuere pergunt, dum gradum specializationis eius augent. Haec temporaria auctio specificitatis metabolomi ab herbivoris causata cum synergistico incremento specificitatis transcriptomi coniungitur. Proprietas quae maxime ad hanc maiorem specializationem metabolomi confert (valorem Si altiorem habens) est metabolitus specialis cum functione herbivora antea descripta. Hoc exemplar congruit cum praedictione theoriae OD, sed praedictio MT ad aleatorietatem reprogrammationis metabolomi relata non congruit. Attamen, haec data etiam congruunt cum praedictione exemplaris mixti (optimum MT; Figura 1B), quia alii metaboliti non descripti cum functionibus defensionis ignotis adhuc distributionem Si fortuitam sequi possunt.
Exemplum notabile, quod hac investigatione porro comprehenditur, est hoc: a gradu microevolutionis (una planta et populatione tabaci) ad maiorem scalam evolutionariam (speciebus tabaci arcte cognatis), diversi gradus organizationis evolutionariae "in optima defensione" sunt. Differentia significativa in facultatibus herbivororum exstat. Moore et al. (20) et Kessler et Kalske (1) independenter proposuerunt ut tres gradus functionales biodiversitatis, quos Whittaker (50) primum distinxerat, in mutationes temporales constitutivas et inductas diversitatis chemicae converterent; hi auctores neque summatim descripserunt. Rationes collectionis datorum metabolomatum magnae scalae etiam non delineant quomodo diversitatem metabolicam ex his datis computare. In hoc studio, adaptationes minores classificationis functionalis Whittakeri diversitatem α-metabolicam ut diversitatem spectrorum MS/MS in data planta, et diversitatem β-metabolicam ut metabolismum intraspecificum basicum coetus populationum considerabunt, et diversitas γ-metabolicam erit extensio analysis specierum similium.
Signum JA essentiale est ad amplam varietatem responsorum metabolicorum herbivororum. Attamen, desunt probationes quantitativae rigorosae contributionis regulationis intraspecificae biosynthesis JA ad diversitatem metabolomi, et utrum signum JA sit locus generalis diversificationis metabolicae a stressu inductae in scala macroevolutionaria altiore adhuc difficile est determinare. Observavimus naturam herbivoram Nepenthes herbivorae specialisationem metabolomi inducere et variationem specializationis metabolomi intra populationem specierum Nicotianae et inter species Nicotianae arcte cognatas systematice positive correlatam esse cum signalatione JA. Praeterea, cum signum JA impeditur, specificitas metabolica a genotypo herbivoro singulari inducta tollitur (Figura 3, C et E). Cum mutationes spectri metabolici populationum Nepenthes naturaliter attenuatarum plerumque quantitativae sint, mutationes in diversitate et specificitate β metabolica in hac analysi plerumque causari possunt ab excitatione forti categoriarum compositorum metabolitis divitum. Hae classes compositorum partem profili metabolomi dominantur et ad correlationem positivam cum signis JA ducunt.
Quia rationes biochemicae specierum tabaci, quae ei arcte cognatae sunt, valde differunt, metabolitae in aspectu qualitativo specifice identificantur, itaque res magis analytica est. Processus theoriae informationis de profilo metabolico capto revelat inductionem herbivoram compromissum inter diversitatem gamma metabolicam et specializationem exacerbare. Signum JA (aroma oxygenii) partes centrales in hoc compromisso agit. Incrementum specializationis metabolomis cum praedictione principali depositionis olei (OD) congruit et positive cum signo JA correlatum est, dum signum JA negative cum diversitate gamma metabolica correlatum est. Haec exempla indicant capacitatem OD plantarum praecipue a plasticitate JA determinari, sive in scala microevolutionaria sive in scala evolutionaria maiori. Experimenta applicationis JA exogena, quae defectus biosynthesis JA circumveniunt, porro revelant species tabaci arcte cognatas distingui posse in species signo-responsivas et signo-non-responsivas, sicut modus JA et plasticitas metabolomis ab herbivoris inducta. Species signo-non-responsivae respondere non possunt propter incapacitatem suam producendi JA endogenum et ideo limitibus physiologicis subiectae sunt. Hoc fortasse mutationibus in quibusdam genis clavibus in via signalis JA (AOS et JAR4 in N. crescenti) oritur. Hoc resultat demonstrat has macroevolutionarias rationes interspeciarum fortasse praecipue mutationibus in perceptione et responsione hormonum internorum moveri.
Praeter interactionem inter plantas et herbivora, exploratio diversitatis metabolicae cum omnibus progressibus theoreticis magni momenti in investigatione adaptationis biologicae ad ambitum et evolutionis proprietatum phaenotypicarum complexarum coniungitur. Cum incremento copiae notitiarum ab instrumentis MS modernis acquirendarum, probationes hypothesium de diversitate metabolica nunc differentias metabolitorum individualium/categoriarum transcendere et analyses globales perficere possunt ut exempla inopinata revelent. In processu analysis magnae scalae, metaphora magni momenti est idea concipiendi mappas significantes quae ad exploranda notitia adhiberi possunt. Ergo, eventus magni momenti ex hodierna combinatione metabolomicae MS/MS impartialis et theoriae informationis est quod praebet mensuram simplicem quae adhiberi potest ad construendas mappas ad diversitatem metabolicam in diversis scalis taxonomicis perscrutandam. Hoc est requisitum fundamentale huius methodi. Studium evolutionis micro/macro et oecologiae communitatis.
In gradu macroevolutionis, nucleus theoriae coevolutionis plantarum et insectorum ab Ehrlich et Raven (51) propositae est praedicere variationem diversitatis metabolicae inter species causam esse diversificationis stirpium plantarum. Attamen, quinquaginta annis post publicationem huius operis seminalis, haec hypothesis raro probata est (52). Hoc maxime debetur proprietatibus phylogeneticis comparabilium proprietatum metabolicarum per stirpes plantarum longas distantias. Raritas adhiberi potest ad ancorandas methodos analysis scoporum. Modus operandi MS/MS hodiernus, a theoria informationis processus, similitudinem structuralem MS/MS metabolitorum ignotorum (sine priore selectione metabolitorum) quantificat et haec MS/MS in seriem MS/MS convertit, ita in metabolismo professionali haec exemplaria macroevolutionaria in scala classificationis comparantur. Indicatores statistici simplices. Processus similis est analysi phylogeneticae, quae ordinationem sequentiae ad quantificandam rationem diversificationis vel evolutionis characterum sine priore praedictione uti potest.
In gradu biochemico, hypothesis examinationis Firn et Jones (53) demonstrat diversitatem metabolicam in diversis gradibus conservari ut materiae primae praebeantur ad actiones biologicas metabolitorum antea non cognatorum vel substitutorum exercendas. Methodi theoriae informationis structuram praebent in qua hae transitiones evolutionariae metabolitis-specificae, quae durante specializatione metabolitorum fiunt, quantificari possunt ut pars processus examinationis evolutionariae propositi: adaptatio biologice activa a specificitate humili ad specificitatem altam. Metabolitae inhibitae dati ambitus.
Summa summarum, in primis diebus biologiae molecularis, magni momenti theoriae defensionis plantarum evolutae sunt, et methodi deductivae hypothesibus impulsae late habentur sola via progressus scientifici. Hoc maxime debetur limitibus technicis totius metabolomi mensurandi. Quamquam methodi hypothesibus impulsae praecipue utiles sunt in eligendis aliis mechanismis causalibus, earum facultas ad promovendam nostram intelligentiam retium biochemicarum magis limitata est quam methodi computationales quae nunc in scientia contemporanea multis datis utuntur. Ergo, theoriae quae praedici non possunt longe ultra fines datorum praesto sunt, ita formula hypothetica/cyclus probationis progressus in campo investigationis aboliri non potest (4). Praevidimus fluxum computationalem metabolomicae hic introductum posse renovare studium in recentioribus (quomodo) et finalibus (cur) quaestionibus diversitatis metabolicae, et conferre ad novam aetatem scientiae datorum theoretice directae. Haec aetas denuo examinavit theorias importantes quae generationes priores inspiraverunt.
Alendis herbivoris directis, larva secundi stadis vel larvae Sl in uno folio plantae urceae pallide coloratae unius plantae rosae florentis educatur, cum decem exemplaribus per plantam. Larvae insectorum forcipibus praepressae sunt, et reliquum textum folii post horas 24 et 72 post infectionem collectum et cito congelatum, et metabolitae extracti sunt.
Simula curationem herbivoram modo valde synchrono. Methodus est ut rotis exemplaribus textilibus utantur ad tres ordines spinarum pungendos in utroque latere costae mediae trium foliorum plene expansorum plantae durante stadio crescentiae serti textili, et statim applicare MS dilutum 1:5. Vel digitis chirothecis uteris ad inserendum S1 OS in vulnus punctum. Collige et tracta folium sicut supra descriptum est. Utere methodo antea descripta ad metabolitas primarios et hormona plantarum extrahendos (54).
Ad applicationes JA exogenas, tria folia petiolata singulorum sex plantarum rosarum florentium cuiusque speciei 20μl pastae lanolinicae continentis 150μg MeJA (Lan + MeJA), et 20μl lanolini cum curatione vulnerum (Lan + W) tractantur, vel 20μl lanolini puri ut experimentum adhibentur. Folia post 72 horas a curatione collecta, in nitrogenio liquido subito congelata, et ad -80°C usque ad usum conservata sunt.
Quattuor stirpes transgenicae JA et ET, scilicet irAOC (36), irCOI1 (55), irACO et sETR1 (48), in nostro grege investigationis identificatae sunt. irAOC significanter ostendit decrementum in gradibus JA et JA-Ile, dum irCOI1 non erat sensibilis ad JA. Comparata cum EV, accumulatio JA-Ile aucta est. Similiter, irACO productionem ET minuet, et comparata cum EV, sETR1, quae insensibilis est ad ET, productionem ET augebit.
Spectrometrum lasericum photoacusticum (Sensor Sense ETD-300 sensor ET temporis realis) ad mensuram ET sine invasivitate perficiendam adhibetur. Statim post curationem, dimidia pars foliorum secta et in ampullam vitream sigillatam 4 ml translata est, et spatium superius intra 5 horas accumulari permissum est. Per mensurationem, quaeque ampulla aeris puri fluxu 2 litrorum/horae per 8 minuta abluta est, qui antea per catalysatorem a Sensor Sense provisum ad CO2 et aquam removendas transierat.
Data microarray primum in (35) divulgata et in National Center for Biotechnology Information (NCBI) Gene Expression Comprehensive Database (numero accessionis GSE30287) servata sunt. Data foliis a curatione W + OSMs effectis et testi incolumi respondentia, pro hoc studio extracta sunt. Intensitas cruda est log2. Ante analysin statisticisticam, linea basalis conversa et ad percentilem 75 normalizata est, programmate R utens.
Data originalia de RNA sequentiatione (RNA-seq) specierum Nicotianae ex NCBI Short Reading Archives (SRA) recepta sunt, numerus propositi PRJNA301787, quod a Zhou et al. (39) relatum est et proceditur ut in (56) descriptum est. Data cruda a W + W, W + OSM et W + OSS1, speciebus Nicotianae correspondentibus, processa ad analysin in hoc studio selecta sunt, et hoc modo processa sunt: ​​Primo, lectiones crudae RNA-seq in formam FASTQ conversae sunt. HISAT2 FASTQ in SAM convertit, et SAMtools fasciculos SAM in fasciculos BAM ordinatos convertit. StringTie ad expressionem genorum calculandam adhibetur, et eius methodus expressionis est fragmenta per mille fragmenta basium per decies centena milia fragmentorum transcriptionis sequentiatorum esse.
Columna chromatographica Acclaim (150 mm x 2.1 mm; magnitudo particularum 2.2μm) in analysi adhibita et columna custos 4 mm x 4 mm ex eadem materia constant. Sequens gradiens binarius in systemate Dionex UltiMate 3000 Ultra High Performance Liquid Chromatography (UHPLC) adhibetur: 0 ad 0.5 minuta, isocraticum 90% A [aqua deionizata, 0.1% (v/v) acetonitrilum et 0.05% acidum formicum], 10% B (Acetonitrilum et 0.05% acidum formicum); 0.5 ad 23.5 minuta, phasis gradientis est 10% A et 90% B, respective; 23.5 ad 25 minuta, isocraticum 10% A et 90% B. Fluxus est 400μl/min. Ad omnes analysis MS, eluens columnae in analysatorem quadrupolicum et temporis volatus (qTOF) instructum fonte electrospray operante in modo ionizationis positivae (tensio capillaris, 4500 V; exitus capillaris 130 V; temperatura siccationis 200°C; fluxus aëris siccationis 10 litri/min) iniiciatur.
Perage analysin fragmentorum MS/MS (deinceps MS/MS appellatam) quae a datis non pertinent vel indistinguibilia sunt, ut informationem structuralem de profilo metabolico detectabili generali obtineas. Conceptus methodi MS/MS indiscriminatae in eo nititur quod quadrupolum fenestram isolationis massae amplissimum habet [ergo, considera omnia signa rationis massae ad onus (m/z) ut fragmenta]. Quapropter, quia instrumentum Impact II inclinationem CE creare non potuit, plures analyses independentes peractae sunt utens valoribus energiae collisionis (CE) dissociationis collisione inductis auctis. Breviter, primum specimen per ionizationem UHPLC-electrospray/qTOF-MS analysa utens modo spectrometriae massae singularis (conditiones fragmentationis humilis generatae a fragmentatione in fonte), scrutando ab m/z 50 ad 1500 ad frequentiam repetitionis 5 Hz. Utere nitrogenio ut gas collisionis pro analysi MS/MS, et perage mensuras independentes ad sequentes quattuor diversas tensiones dissociationis collisione inductas: 20, 30, 40, et 50 eV. Per totum processum mensurationis, quadrupolum maximam fenestram isolationis massae habet, ab m/z 50 ad 1500. Cum experimentum m/z corporis anterioris et latitudinis isolationis ad 200 constituuntur, amplitudo massae automatice a programmate operativo instrumenti et 0 Da activatur. Fragmenta massae sicut in modo massae singularis explora. Formatum natrii (50 ml isopropanol, 200 μl acidi formici et 1 ml solutionis aquosae 1M NaOH) ad calibrationem massae utere. Algorithmo calibrationis altae praecisionis Bruker utens, fasciculus datorum calibratur postquam spectrum medium in dato tempore currit. Functione exportationis programmatis Data Analysis v4.0 (Brook Dalton, Brema, Germania) utere ad fasciculos datorum crudorum in formam NetCDF convertendos. Series datorum MS/MS in aperta basi datorum metabolomica MetaboLights (www.ebi.ac.uk) cum numero accessionis MTBLS1471 servata est.
Assemblatio MS/MS per analysin correlationis inter signa qualitatis MS1 et MS/MS pro energia collisionis humili et alta necnon regulis nuper implementatis fieri potest. Scriptum R ad analysin correlationis distributionis praecursoris ad productum perficiendam adhibetur, et scriptum C# (https://github.com/MPI-DL/indiscriminant-MS-MS-assembly-pipeline) ad regulas implementandas.
Ut errores falsos positivos a strepitu circumstantiali causatos et falsam correlationem a detectione quarundam proprietatum m/z in paucis tantum exemplaribus ortam minuamus, functionem "filled peak" fasciculi R XCMS (ad correctionem strepitus circumstantialis) adhibemus, quae intensitatem "NA" (non detectum) substituere debet. Cum functio "fill peak" adhibetur, multi valores intensitatis "0" in copia datorum adhuc supersunt, qui calculum correlationis afficiunt. Deinde, eventus processus datorum comparamus, cum functio "filled peak" adhibetur et cum functio "filled peak" non adhibetur, et valorem strepitus circumstantialis secundum valorem aestimatum correctum medium computamus, et deinde hos valores intensitatis 0 cum valore circumstantiali computato substituimus. Etiam tantum proprietates quarum intensitas triplo valorem circumstantiale excessit consideravimus et eas "veros cacumina" habuimus. Pro calculis PCC, sola signa m/z praecursoris exempli (MS1) et copiarum datorum fragmentorum cum saltem octo veris cacuminibus considerantur.
Si intensitas proprietatis qualitatis praecursoris in toto exemplo significanter correlata est cum intensitate reducta eiusdem proprietatis qualitatis quae energiae collisionis humili vel altae subiecta est, et proprietas non ut apex isotopi a CAMERA designatur, ulterius definiri potest. Deinde, per computationem omnium possibilium parium praecursoris-producti intra 3 s (fenestra temporis retentionis aestimatae pro retentione apicis), analysis correlationis perficitur. Tantum cum valor m/z minor est quam valor praecursoris et fragmentatio MS/MS in eodem loco exempli in collectione datorum ac praecursor ex quo derivatur occurrit, pro fragmento habetur.
His duabus regulis simplicibus innixi, fragmenta specificata cum valoribus m/z maioribus quam m/z praecursoris identificati excludimus, et innixi positione exempli ubi praecursor apparet et fragmento specificato. Etiam possibile est proprietates qualitatis a multis fragmentis in fonte generatis in modo MS1 ut praecursores candidati eligere, ita composita MS/MS redundantia generando. Ut haec redundantia datorum minuatur, si similitudo NDP spectrorum 0.6 excedit, et ad chromatogramma "pcgroup" a CAMERA annotatum pertinent, ea coniungemus. Denique, omnia quattuor resultata CE cum praecursore et fragmentis associata in spectrum compositum deconvolutum finale coniungimus, apicem maximae intensitatis inter omnes apices candidatos cum eodem valore m/z ad diversas energias collisionis eligendo. Gradus processus subsequentes in notione spectri compositi fundantur et diversas condiciones CE requisitas ad probabilitatem fragmentationis maximizandam in rationem ducunt, quia quaedam fragmenta tantum sub certa energia collisionis detegi possunt.
Ad inducibilitatem profili metabolici calculandam, RDPI (30) adhibitus est. Diversitas spectri metabolici (index Hj) ex abundantia praecursorum MS/MS derivatur, entropia Shannoniana distributionis frequentiae MS/MS utens aequatione sequenti a Martínez et al. (8) descripta. Hj = −∑i = 1mPijlog2(Pij) ubi Pij frequentiae relativae MS/MS i-i in exemplo j-i respondet (j = 1, 2,…, m) (i = 1, 2,…, m) t).
Specificitas metabolica (index Si) definitur ut identitas expressionis datae MS/MS pro frequentia inter exempla considerata. Specificitas MS/MS computatur ut Si = 1t (∑j = 1tPijPilog²PijPi).
Utere formula sequenti ad metiendum indicem δj metabolomatis specificum cuiusque exempli j, et medium specificitatis MS/MS δj = ∑i = 1mPijSi.
Spectra MS/MS paribus ordinantur, et similitudo secundum duas notas computatur. Primo, utens methodo NDP normali (etiam methodo correlationis cosinus dicta), aequatione sequenti utere ad similitudinem segmenti inter spectra aestimandam. NDP = (∑iS1 & S2, WS1, iWS2, i)²∑iWS1, i2∑iWS2, i2 ubi S1 et S2 correspondenter, pro spectro 1 et spectro 2, necnon WS1, i et WS2, i pondus repraesentat secundum intensitatem apicis ut differentia apicis communis i-i inter duo spectra minus quam 0.01 Da sit. Pondus hoc modo computatur: W = [intensitas apicis] m [qualitas] n, m = 0.5, n = 2, ut a MassBank suggeritur.
Altera methodus notationis adhibita est, quae analysin NL communis inter MS/MS implicabat. Ad hoc, 52 indices NL, saepe in processu fragmentationis MS inventos, simul et NL specificiorem (fasciculum datorum S1) qui antea pro spectro MS/MS metabolitarum secundariorum speciei Nepenthes debilitatae annotatus est (9, 26) usi sumus. Vector binarium 1 et 0 pro quolibet MS/MS crea, qui NL currenti et non existenti quarundam respective respondeat. Secundum similitudinem distantiae Euclidianae, nota similitudinis NL pro quolibet pari vectorum NL binariorum calculatur.
Ad duplicem congregationem perficiendam, fasciculum R "DiffCoEx" adhibuimus, quod in extensione Analyseos Coexpressionis Geneticae Ponderatae (WGCNA) fundatur. Matrices aestimationis NDP et NL spectrorum MS/MS utentes, DiffCoEx ad matricem correlationis comparativae calculandam adhibuimus. Congregatio binaria perficitur parametro "cutreeDynamic" ad method = "hybrid", cutHeight = 0.9999, deepSplit = T, et minClusterSize = 10 constituto. Fons programmatis R DiffCoEx ex fasciculo additionali 1 a Tesson et al. (57) receptus est; fasciculus programmatis R WGCNA requisitus inveniri potest apud https://horvath.genetics.ucla.edu/html/CoexpressionNetwork/Rpackages/WGCNA.
Ad analysin retium molecularium MS/MS perficiendam, connectivitatem spectralem parium secundum similitudines NDP et NL computavimus, et programmate Cytoscape usi sumus ad topologiam retium visualizandam, dispositione organica utentes in applicatione extensionis algorithmi dispositionis CyFilescape yFiles.
Ad analysin statisticisticam datorum peragendam, programmate R versione 3.0.1 utere. Significatio statistica per analysin variantiae bidirectionalem (ANOVA) aestimata est, deinde per probationem post-hoc differentiae honestae significantis Tukey (HSD). Ad differentiam inter curationem herbivoram et controlem investigandam, distributio bicauda duorum gregum exemplorum cum eadem variantia per probationem t Studentis analysata est.
Pro materiis supplementis ad hunc articulum, vide quaeso http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/24/eaaz0381/DC1.
Hic est articulus apertus et sub condicionibus Licentiae Creative Commons Attribution-Non-Commercial distributus, quae usum, distributionem et reproductionem in quolibet medio permittit, dummodo usus finalis non sit ad lucrum commercialem et praemissa sit opus originale rectum esse. Referentia.
Nota: Solum rogamus ut inscriptionem electronicam tuam praebeas, ut persona quam paginae commendas sciat te velle eam videre epistulam et eam non esse spam. Nullas inscriptiones electronicas capemus.
Haec quaestio adhibetur ad explorandum utrum sis visitator et ad prohibendam submissionem automaticam epistularum inutilium.
Theoria informationis monetam universalem praebet ad comparationem metabolomatum specialium et praedictionem theoriarum defensionis contra probationes.
Theoria informationis monetam universalem praebet ad comparationem metabolomatum specialium et praedictionem theoriarum defensionis contra probationes.
©2021 American Associationis ad profectum Scientiae. omnia iura reservata. AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef et CONTRA. ISSN 2375-2548.