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擬南芥中生長素代謝如何調(diào)控代謝組學(xué)的特異性分析

瀏覽次數(shù):1686 發(fā)布日期:2021-6-30  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
生長素作為一個形態(tài)發(fā)生器,調(diào)節(jié)植物關(guān)鍵的生長和發(fā)育過程,研究者們認(rèn)為生長素幾乎影響植物生長發(fā)育的各個方面;有豐富的遺傳學(xué)證據(jù)表明,生長素的合成和降解存在多種途徑,而這些代謝途徑的復(fù)雜性使得我們很難清楚地了解在發(fā)育過程中特定代謝途徑的相對重要性,吲哚-3-乙酸水平是如何通過多重降解和可逆或不可逆共軛途徑調(diào)控的,我們知道的也很少。能夠精確定量各代謝途徑上關(guān)鍵物質(zhì)對于了解植物生長發(fā)育過程起著關(guān)鍵作用。今天給大家分享一篇發(fā)表在The Plant Journal(IF= 6.141)上的關(guān)于生長素的文章:Tissue-specific profiling of the Arabidopsis thaliana auxin metabolome。
生長素通常是在細(xì)胞質(zhì)中合成,而且是經(jīng)由色氨酸代謝產(chǎn)生,公認(rèn)的擬南芥中生長素合成和降解通路如下圖1:

圖1 公認(rèn)的擬南芥中生長素合成和降解通路

吲哚-3-乙酸代謝物的化學(xué)差異性過大,一些方法只能測定很少的代謝產(chǎn)物,作者采用SPE一步純化方法與靈敏度高、選擇性好的液相色譜-多反應(yīng)監(jiān)測-質(zhì)譜(LC-MRM-MS)相結(jié)合,能夠精確測量21種化合物。

1.方法開發(fā)過程

 

1. 實(shí)驗(yàn)部分

  • 穩(wěn)定性

作者測試了吲哚-3-乙酸代謝產(chǎn)物在不同溶液中的穩(wěn)定性,最終得出大部分IAA代謝物或者結(jié)合物在比較寬的PH范圍條件下都比較穩(wěn)定,吲哚-3-丙酮酸、吲哚乙醛肟極不穩(wěn)定,同時(shí)作者還測試了不同的濃縮方法:真空濃縮、氮?dú)獯蹈,最后得出在真空條件下色氨酸和吲哚-3-乙醛會降低10%-30%。各物質(zhì)穩(wěn)定性結(jié)果如下圖2:

圖2 各物質(zhì)穩(wěn)定性結(jié)果
 

  • 衍生

 

對于容易降解的兩個物質(zhì)吲哚-3-乙醛、吲哚-3-丙酮酸,作者采用了衍生的方法,使用衍生試劑巰基乙胺,此衍生劑的衍生產(chǎn)物對比其他衍生產(chǎn)物靈敏度更高;作者在一半的提取液中加入3ml,0.25M的巰基乙胺(PH=8),常溫反應(yīng)1h,然后過SPE柱,純化。反應(yīng)原理及子離子圖如下圖3:

圖3 吲哚-3-乙醛、吲哚-3-丙酮酸衍生原理


 
  • 提取試劑

作者測試了四種不同的提取液:80%甲醇溶液、70%丙酮溶液、異丙醇/磷酸鈉緩沖液(PH=7)=2:3、磷酸鈉緩沖液(PH=7),在提取后使用研磨儀25HZ研磨3min,使用Oasis HLB (30 mg) SPE 小柱純化,對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)幾種提取液提取效率一樣,但是不含有機(jī)試劑的緩沖液能夠較少地提取色素、脂質(zhì)等對接下來分析有影響的物質(zhì),所以提取液作者選擇的是磷酸鈉緩沖液。

 

  • 純化

對于SPE柱,作者測試了硅膠填料的SPE柱(C8)和高分子聚合物填料的SPE柱(HLB),因?yàn)?span style="box-sizing:border-box !important; margin:0px; max-width:100%; overflow-wrap:break-word !important; padding:0px">HLB的回收率更高,對極性化合物保留效果更好,作者選取了HLB小柱,之后作者優(yōu)化了SPE萃取小柱的上樣溶液的PH值,發(fā)現(xiàn)在酸性條件下,生長素類代謝物回收率更好,對于基質(zhì)效應(yīng),作者經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)在0mg、10mg、20mg樣本的提取效率分別是85%、60%、50%。最終實(shí)驗(yàn)過程如下圖4:


圖4 實(shí)驗(yàn)流程圖

 

2. 儀器部分

作者采用MRM正離子采集模式,結(jié)合超高效液相色譜與KinetexTM色譜柱分離條件,在13min色譜梯度下完成對生長素21個物質(zhì)的檢測,作者同時(shí)評估了方法的精密度和準(zhǔn)確度,方法精密度0.3-16.5%,方法準(zhǔn)確度-23.8-19.3%。具體色譜分離情況如下圖5:圖5 所有物質(zhì)色譜分離圖
 

2.方法驗(yàn)證

 

1. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 

為了驗(yàn)證方法的有效性,作者通過評估3個野生型擬南芥(Col-0, Ws and Ler)和3個生長素高產(chǎn)變異型(35S:YUC1 ,sur1-3,sur2-1)中的生長素代謝物的水平,發(fā)現(xiàn)生長素高產(chǎn)株系sur1-3和sur2-1與Col-0株系相比具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,在3個突變系中,iasp、IAGlu和oxIAA水平均顯著升高,表明IAA結(jié)合和IAA分解代謝均在這3個突變系中發(fā)生。IAA在根和芽的代謝模式與之前發(fā)表的野生型Col-0和IAA過度產(chǎn)生突變株的代謝模式一致,野生型和突變型的IAA水平也與先前報(bào)道的生長素高產(chǎn)突變株35S:YUC1 (Stepanova et al., 2011)、sur1-3 (Boerjan et al., 1995)和sur2-1 (Barlier et al., 2000)的結(jié)果一致。具體結(jié)果如圖6:

圖6 擬南芥中生長素類物質(zhì)在野生型和突變型的代謝分析
 

2. 數(shù)據(jù)分析

 

為了結(jié)果可視化,作者做了基于PCA的biplots圖,如下圖7、8,結(jié)果顯示了三種生態(tài)型的根和芽有明顯的代謝物差異,組織之間差異性不明顯,同樣,在模型中,突變系是根據(jù)基因型而不是組織類型分離的;總的來說,該分析表明,代謝物數(shù)據(jù)的無監(jiān)督多變量建模是數(shù)據(jù)分析和可視化的重要輔助工具。綜上所述,誘導(dǎo)IAA高產(chǎn)突變株系對干擾植物的IAA代謝是非常有用的,可以作為更好地了解植物的代謝過程的一種途徑。


圖7 PCA圖(1)

圖8 PCA圖(2)

 

本篇文章作者開發(fā)了一種具有高靈敏度敏感和高選擇性的方法來對IAA及其前體和代謝產(chǎn)物進(jìn)行定量,使得在少量的擬南芥組織中分析IAA代謝及其相關(guān)代謝物成為可能。通過對野生型和IAA高產(chǎn)株系的分析,結(jié)合多變量數(shù)據(jù)分析,驗(yàn)證了該方法,表明作者開發(fā)的技術(shù)有可能提供更深入了解生長素代謝是如何調(diào)控的。

 
來源:上海百趣生物醫(yī)學(xué)科技有限公司
聯(lián)系電話:021-61531195
E-mail:chengyichun@biotree.cn

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