data-src="/wp-content/themes/yootheme/cache/we-are-bio-logo-6dbe9055.png"
data-src="/wp-content/themes/yootheme/cache/we-are-bio-logo-47f703ad.png"

МЕТАБОЛОМИКА И ЕЕ ПОТЕНЦИАЛ ДЛЯ ПОНИМАНИЯ СПОСОБА ДЕЙСТВИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ БИОСТИМУЛЯТОРОВ

По: Луиджи Лючини, Католический университет Пьяченцы, Италия - e-mail: luigi.lucini@unicatt.it

 

data-src="/wp-content/themes/yootheme/cache/AdobeStock_298001163-scaled-3d930b52.jpeg"

Несмотря на большое количество литературы, подтверждающей преимущества, связанные с использованием биостимуляторов, молекулярные механизмы, лежащие в основе таких положительных эффектов, все еще плохо изучены. Тем не менее, понимание способа действия, посредством которого биостимуляторы проявляют свою активность, может дать полезную информацию для лучшего определения цели (целей) с точки зрения культур, требований, сельскохозяйственной практики и времени применения. Более того, недавние нормативные акты, принятые ЕС, дают возможность понять процессы в сельскохозяйственных культурах, на которые влияет биостимулятор, чтобы поддержать желаемые заявления на нормативном уровне.

Исходя из этого, мы можем отметить, что удовлетворение вышеупомянутого запроса является критической задачей. Это обусловлено, главным образом, двумя причинами: (i) сложностью биохимических процессов растений, некоторые из которых еще не полностью изучены; (ii) изменчивостью генотипического ответа, а не от сорта к сорту, и ключевой моделирующей ролью, которую оказывают как окружающая среда, так и агрономические методы.

Будучи привязанными к почве, растения должны были развить огромное разнообразие биохимических процессов, чтобы реагировать на абиотические и биотические стрессы; биостимуляторы растений часто направлены на эти процессы. Чтобы пролить свет на биохимические изменения, вызванные внешними факторами, такими как использование биостимуляторов на сельскохозяйственных культурах, можно использовать несколько подходов. Среди них следует рекомендовать нецелевые подходы, поскольку они не требуют априорных гипотез, что позволяет использовать их в сложных сценариях. Омические науки (например, геномика, транскриптомика, протеомика и метаболомика) относятся к профилю генов, транскриптов, белков и метаболитов в биологической системе и относятся к нецелевым подходам. Среди различных омических методов метаболомика наиболее близка к генотипу и была эффективно предложена для изучения способа действия биостимуляторов растений. Действительно, наряду с модуляцией экспрессии генов мы можем иметь посттрансляционную модификацию белков, что в конечном итоге приводит к фактическому профилю метаболитов. Последние достижения в аналитическом оборудовании, таком как масс-спектрометрия высокого разрешения, доступность баз данных и управление данными (включая многомерный статистический анализ и биоинформационные инструменты для интерпретации данных) способствовали внедрению метаболомики в сельскохозяйственные науки. Соответственно, различия в метаболомных сигнатурах были предложены для идентификации процессов в растениях, на которые влияют внешние факторы, такие как абиотические стрессы (засоление, засуха, затопление, высокие температуры и т.д.), взаимодействие растений с микробами и патогенами, а также биостимуляторы (рис. 1).

data-src="/wp-content/themes/yootheme/cache/Fig.-1-3283b33a.jpeg"

Рисунок 1. Нецелевая метаболомика - это комплексный анализ всех измеряемых метаболитов в образце, включая химически неизвестные, а целевая метаболомика - измерение определенных групп химически охарактеризованных и биохимически аннотированных метаболитов.

Следует отметить последние достижения в многомерной статистике, где подходы к моделированию под наблюдением (например, дискриминантный анализ частичных наименьших квадратов или ортогональные проекции на латентные структуры, дискриминантный анализ, алгоритмы случайного леса) интегрировали статистику без наблюдения (например, кластерный анализ, кластеры k-means, анализ главных компонент), позволяя надлежащим образом обрабатывать данные, обеспечивая более надежную идентификацию дифференциальных метаболомных ответов (рис. 2). Это, а также наличие инструментов для интерпретации данных, таких как химическое обогащение, онтология или анализ путей, эффективно стимулировало применение метаболомики в области сельского хозяйства, включая биостимуляторы растений (рис. 3).

data-src="/wp-content/themes/yootheme/cache/Fig.-2-621867cb.jpeg"

Рисунок 2. Неконтролируемый иерархический кластерный анализ, проведенный на основе метаболомных профилей после применения выбранных белковых гидролизатов (верхний рисунок). График баллов супервизорного моделирования с использованием ортогональной проекции на латентные структуры дискриминантного анализа (OPLS-DA), проведенного на метаболомных профилях после применения выбранных белковых гидролизатов, где вариации между группами были разделены на прогностические и ортогональные компоненты (нижний рисунок).

data-src="/wp-content/themes/yootheme/cache/Fig.-3-cd5cf58c.jpeg"

Рисунок 3. Процессы биосинтеза, вовлеченные в черенках томатов при внекорневом применении гидролизатов белков растительного происхождения и стеблевом применении индол-масляной кислоты (ИБК) с использованием базального быстрого погружения в концентрированный раствор ИБК. Ось x представляет каждый набор подкатегорий, а ось y соответствует кумулятивному изменению в разах по сравнению с необработанным контролем.

Например, метаболомика позволила выявить повышенную толерантность к солености, вызванную гидролизатом белка растительного происхождения в салате; исследование показало, что смягчение окислительного стресса, накопление осмолитов и модуляция стеролов и терпенов являются специфическими механизмами в наблюдаемой повышенной толерантности к солености (Lucini et al., 2015).

Аналогичным образом, биостимулятор растительного происхождения на основе биополимеров положительно модулировал метаболический профиль корней дыни после его применения. Брассиностероиды могут быть идентифицированы как ключевые соединения, запускаемые биостимулятором, вызывая гормональный дисбаланс (с участием абсцизовой кислоты, цитокининов и соединений, связанных с гиббереллином) также в побегах (Lucini et al., 2018).

Рассматривая примеры микробных биостимуляторов, различия в метаболомных отпечатках позволили выявить повышенную устойчивость к засухе, которую обеспечивает арбускулярная микориза (AMF) в пшенице (Bernardo et al., 2019). Примечательно, что в этом исследовании было отмечено четкое взаимодействие АМФ и сорта. Хотя преимущества арбускулярной колонизации в условиях недостатка воды были более очевидны у хлебной пшеницы, сахара и липиды были положительно модулированы колонизацией AMF. Интересно, что модуляция метаболитов, связанных с окислительным стрессом, и тонкая настройка перекрестного взаимодействия фитогормонов также были продемонстрированы, причем особенно очевидна стимуляция биосинтеза брассиностероидов в корнях. В другой работе мы добавили дополнительные сведения о сложной реакции сельскохозяйственных культур на колонизацию корней, изучив различные модели экссудации корней пшеницы, навязанные арбускулярной микоризой и Trichoderma atroviride (Lucini et al., 2019). Это исследование показало, что большинство различий можно приписать фенольным соединениям и липидам, фитосидерофорам и хелатным кислотам, производным аминокислот и гормонам. Независимо от конкретного ответа, метаболомика показала, что взаимодействие между полезными грибами и корнями пшеницы вызывает сложную реакцию в плане корневой экссудации, причем большинство из них совершенно не изучено и, возможно, включает в себя еще целый каскад процессов.

Как видно из этих нескольких примеров, в основе действия растительных биостимуляторов лежит большое разнообразие механизмов, при этом настройка сети перекрестного взаимодействия фитогормонов является общим (ин)прямым поворотным процессом. Для эффективного раскрытия этих процессов было бы целесообразно объединить метаболомику с другими анализами, такими как физиологические измерения (газообмен, флуоресценция хлорофилла и т.д.), активность ферментов и маркеры окислительного стресса, такие как малондиальдегид (маркер перекисного окисления липидов). Однако очень многообещающие результаты получаются, когда метаболомика сочетается с феномикой. Действительно, новые высокопроизводительные подходы к фенотипированию растений могут быть использованы либо для предварительного скрининга, либо для дополнения результатов метаболомики, таким образом подтверждая предположения, полученные на основе дифференциальных метаболитов. В качестве примера можно привести недавнюю работу по изучению томатов, обработанных гидролизатом белка растительного происхождения, в которой фенотипирование и метаболомика в сочетании подтвердили эффект смягчения засухи, выявив, что обработанные растения демонстрируют повышенную устойчивость к дисбалансу реактивных видов кислорода, вероятно, в результате скоординированного действия радикальных скавенджеров, сигнальных соединений (салициловой кислоты и гидроксикоричных амидов), а также снижения биосинтеза тетрапиррольных копропорфиринов (Paul et al., 2019a). Тот же подход (высокопроизводительное фенотипирование растений в сочетании с метаболомикой) был успешно использован для скрининга нескольких гидролизатов белков растительного происхождения на биостимулирующую активность в томате (Paul et al., 2019b).

В заключение следует отметить, что хотя метаболомика является "новорожденной" среди других омических исследований, ее потенциал для раскрытия биохимических процессов, вовлеченных в реакцию растений на различные стимулы, явно проявляется. В области биостимуляторов растений эта возможность может представлять собой ценный инструмент для отображения сложных механизмов, связанных с определением способа (способов) их действия.

Для получения дополнительной информации вам предлагается запросить доступ к следующим научным статьям:

Bernardo L., Carletti P., Badeck F.W., Rizza F., Morcia C., Ghizzoni R., Rouphael Y., Colla G., Terzi V., Lucini L. (2019). Метаболомные реакции, запускаемые арбускулярной микоризой, повышают устойчивость к водному стрессу у сортов пшеницы. Физиология и биохимия растений, 137, 203-212. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2019.02.007

Lucini L., Rouphael Y., Cardarelli M., Canaguier R., Kumar P., Colla G. (2015). Влияние биостимулятора растительного происхождения на метаболический профиль и урожайность салата-латука, выращенного в засоленных условиях. Scientia Horticulturae, 182, 124-133. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2014.11.022

Lucini L., Rouphael Y., Cardarelli M., Bonini P., Baffi C., Colla G. (2018). Биостимулятор на основе растительных биополимеров стимулировал рост корней у дыни, вызывая образование брассиностероидов и соединений, связанных со стрессом. Frontiers in Plant Science, 9:472. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00472

Lucini L., Colla G., Miras Moreno M.B., Bernardo L., Cardarelli M., Terzi V., Bonini P., Rouphael Y. (2019). Инокуляция Rhizoglomus irregulare или Trichoderma atroviride дифференциально модулирует профилирование метаболитов корневых экссудатов пшеницы. Phytochemistry, 157, 158-167. https://doi: 10.1016/j.phytochem.2018.10.033.

Paul K., Sorrentino M., Lucini L., Rouphael Y., Cardarelli M., Bonini P., Miras Moreno M.B., Reynaud H., Canaguier R., Trtílek M., Panzarová K., Colla G. (2019a). Комбинированный фенотипический и метаболомный подход для выяснения биостимулирующего действия гидролизата белка растительного происхождения на томатах, выращенных в условиях ограниченного доступа к воде. Frontiers in Plant Science 10:493. doi: 10.3389/fpls.2019.00493

Paul K., Sorrentino M., Lucini L., Rouphael Y., Cardarelli M., Bonini P., Reynaud H., Canaguier R., Trtílek M., Panzarová K., Colla G. (2019b). Понимание биостимулирующего действия гидролизатов белков растительного происхождения с помощью высокопроизводительного фенотипирования растений и метаболомики: исследование на примере томата. Frontiers in Plant Science. 10:47. doi: 10.3389/fpls.2019.00047.

ПОДПИСАТЬСЯ