विभिन्न पादप रक्षा सिद्धांत पादप विशिष्ट चयापचय के पैटर्न को समझाने के लिए महत्वपूर्ण सैद्धांतिक मार्गदर्शन प्रदान करते हैं, लेकिन उनकी प्रमुख भविष्यवाणियों का परीक्षण अभी बाकी है। यहाँ, हमने निष्पक्ष टेंडेम मास स्पेक्ट्रोमेट्री (MS/MS) विश्लेषण का उपयोग करके व्यक्तिगत पौधों से लेकर आबादी और निकट संबंधी प्रजातियों तक तंबाकू के क्षीण उपभेदों के मेटाबोलोम का व्यवस्थित रूप से अध्ययन किया, और सूचना में यौगिक स्पेक्ट्रा पर आधारित बड़ी संख्या में मास स्पेक्ट्रोमेट्रिक विशेषता सिद्धांतों को संसाधित किया। इष्टतम रक्षा (OD) और गतिशील लक्ष्य (MT) सिद्धांतों की प्रमुख भविष्यवाणियों का परीक्षण करने के लिए एक ढांचा तैयार किया गया। पादप मेटाबोलोमिक्स का सूचना घटक OD सिद्धांत के अनुरूप है, लेकिन शाकाहारी जीवों के कारण होने वाली मेटाबोलोमिक्स गतिशीलता पर MT सिद्धांत की मुख्य भविष्यवाणी का खंडन करता है। सूक्ष्म से लेकर वृहद विकासवादी पैमाने तक, जैस्मोनट संकेत को OD का मुख्य निर्धारक माना गया, जबकि एथिलीन संकेत ने MS/MS आणविक नेटवर्क द्वारा एनोटेट की गई शाकाहारी-विशिष्ट प्रतिक्रिया को ठीक करने में मदद की।
विभिन्न संरचनाओं वाले विशिष्ट मेटाबोलाइट्स, पादपों के पर्यावरण अनुकूलन में मुख्य भूमिका निभाते हैं, विशेषकर शत्रुओं से रक्षा में (1)। पादपों में पाए जाने वाले विशिष्ट चयापचय की अद्भुत विविधता ने दशकों से इसके पारिस्थितिक कार्यों के कई पहलुओं पर गहन शोध को प्रेरित किया है, और पादप रक्षा सिद्धांतों की एक लंबी सूची का निर्माण किया है, जो पादप-कीट अंतःक्रियाओं का विकासवादी और पारिस्थितिक विकास है। अनुभवजन्य शोध महत्वपूर्ण मार्गदर्शन प्रदान करता है (2)। हालांकि, ये पादप रक्षा सिद्धांत काल्पनिक निगमनात्मक तर्क के मानक मार्ग का अनुसरण नहीं करते हैं, जिसमें प्रमुख भविष्यवाणियां विश्लेषण के समान स्तर पर होती हैं (3) और सैद्धांतिक विकास के अगले चक्र को आगे बढ़ाने के लिए प्रयोगात्मक रूप से परीक्षण की जाती हैं (4)। तकनीकी सीमाएं डेटा संग्रह को विशिष्ट चयापचय श्रेणियों तक सीमित करती हैं और विशिष्ट मेटाबोलाइट्स के व्यापक विश्लेषण को रोकती हैं, इस प्रकार अंतर-श्रेणी तुलनाओं को रोकती हैं जो सैद्धांतिक विकास के लिए आवश्यक हैं (5)। व्यापक मेटाबोलॉमिक्स डेटा की कमी और विभिन्न पादप समूहों के बीच चयापचय क्षेत्र के प्रसंस्करण कार्यप्रवाह की तुलना करने के लिए एक सामान्य मानक की कमी इस क्षेत्र की वैज्ञानिक परिपक्वता में बाधा डालती है।
टैंडम मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एमएस/एमएस) मेटाबोलॉमिक्स के क्षेत्र में नवीनतम विकास किसी दिए गए सिस्टम क्लेड की प्रजातियों के भीतर और उनके बीच होने वाले चयापचय परिवर्तनों का व्यापक रूप से वर्णन कर सकते हैं, और इन जटिल मिश्रणों के बीच संरचनात्मक समानता की गणना करने के लिए कम्प्यूटेशनल विधियों के साथ संयोजित किए जा सकते हैं। रसायन विज्ञान का पूर्व ज्ञान (5) आवश्यक है। विश्लेषण और कंप्यूटिंग में उन्नत प्रौद्योगिकियों का संयोजन चयापचय विविधता के पारिस्थितिक और विकासवादी सिद्धांतों द्वारा की गई कई भविष्यवाणियों के दीर्घकालिक परीक्षण के लिए एक आवश्यक ढांचा प्रदान करता है। शैनन (6) ने 1948 में अपने मौलिक लेख में पहली बार सूचना सिद्धांत का परिचय दिया, जिससे सूचना के गणितीय विश्लेषण की नींव पड़ी, जिसका उपयोग इसके मूल अनुप्रयोग के अलावा कई अन्य क्षेत्रों में किया गया है। जीनोमिक्स में, अनुक्रम संरक्षण सूचना को मात्रात्मक रूप से निर्धारित करने के लिए सूचना सिद्धांत को सफलतापूर्वक लागू किया गया है (7)। ट्रांसक्रिप्टोमिक्स अनुसंधान में, सूचना सिद्धांत ट्रांसक्रिप्टोम में समग्र परिवर्तनों का विश्लेषण करता है (8)। ​​पिछले शोध में, हमने पौधों में ऊतक स्तर की चयापचय विशेषज्ञता का वर्णन करने के लिए मेटाबोलॉमिक्स में सूचना सिद्धांत के सांख्यिकीय ढांचे को लागू किया (9)। यहां, हम एमएस/एमएस-आधारित कार्यप्रणाली को सूचना सिद्धांत के सांख्यिकीय ढांचे के साथ जोड़ते हैं, जो सामान्य मुद्रा में चयापचय विविधता द्वारा विशेषता है, ताकि शाकाहारी जीवों द्वारा प्रेरित मेटाबोलोम के पादप रक्षा सिद्धांत की प्रमुख भविष्यवाणियों की तुलना की जा सके।
पादप रक्षा के सैद्धांतिक ढाँचे आमतौर पर परस्पर समावेशी होते हैं और इन्हें दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: वे जो रक्षा कार्यों के आधार पर पादप-विशिष्ट चयापचयों के वितरण की व्याख्या करने का प्रयास करते हैं, जैसे इष्टतम रक्षा (ओडी) (10), गतिशील लक्ष्य (एमटी) (11) और उपस्थिति (12) सिद्धांत, जबकि अन्य इस बात की यांत्रिक व्याख्याएँ चाहते हैं कि संसाधन उपलब्धता में परिवर्तन पादप वृद्धि और विशिष्ट चयापचयों के संचय को कैसे प्रभावित करते हैं, जैसे कार्बन: पोषक तत्व संतुलन परिकल्पना (13), वृद्धि दर परिकल्पना (14), और वृद्धि और विभेदन संतुलन परिकल्पना (15)। सिद्धांतों के ये दोनों समूह विश्लेषण के विभिन्न स्तरों पर हैं (4)। हालाँकि, कार्यात्मक स्तर पर रक्षात्मक कार्यों से जुड़े दो सिद्धांत पादप संरचनात्मक और प्रेरित रक्षा के बारे में चर्चा पर हावी हैं: ओडी सिद्धांत, जो मानता है कि पौधे अपनी महंगी रासायनिक सुरक्षा में तभी निवेश करते हैं जब आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए, जब घास खाने वाले जानवर हमला करते हैं, इसलिए, भविष्य के हमले की संभावना के अनुसार, रक्षात्मक कार्य वाले यौगिक को सौंपा जाता है (10); एमटी परिकल्पना यह प्रस्तावित करती है कि दिशात्मक मेटाबोलाइट परिवर्तन का कोई अक्ष नहीं है, बल्कि मेटाबोलाइट यादृच्छिक रूप से बदलता है, जिससे आक्रमणकारी शाकाहारी जीवों के चयापचय "गति लक्ष्य" को बाधित करने की संभावना पैदा होती है। दूसरे शब्दों में, ये दोनों सिद्धांत शाकाहारी जीवों के हमले के बाद होने वाले चयापचय पुनर्निर्माण के बारे में विपरीत भविष्यवाणियां करते हैं: रक्षात्मक कार्य (ओडी) के साथ मेटाबोलाइट्स के एकदिशीय संचय और गैर-निर्देशित चयापचय परिवर्तनों (एमटी) के बीच संबंध (11)।
ओडी और एमटी परिकल्पनाओं में न केवल मेटाबोलोम में प्रेरित परिवर्तन शामिल हैं, बल्कि इन मेटाबोलाइट्स के संचय के पारिस्थितिक और विकासवादी परिणाम भी शामिल हैं, जैसे कि एक विशिष्ट पारिस्थितिक वातावरण में इन चयापचय परिवर्तनों की अनुकूली लागत और लाभ (16)। यद्यपि दोनों परिकल्पनाएं विशिष्ट मेटाबोलाइट्स के रक्षात्मक कार्य को पहचानती हैं, जो महंगे हो भी सकते हैं और नहीं भी, ओडी और एमटी परिकल्पनाओं को अलग करने वाली मुख्य भविष्यवाणी प्रेरित चयापचय परिवर्तनों की दिशात्मकता में निहित है। ओडी सिद्धांत की भविष्यवाणी पर अब तक सबसे अधिक प्रयोगात्मक ध्यान दिया गया है। इन परीक्षणों में ग्रीनहाउस और प्राकृतिक परिस्थितियों में विशिष्ट यौगिकों के विभिन्न ऊतकों के प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रक्षा कार्यों का अध्ययन, साथ ही पौधों के विकास के चरण में परिवर्तन शामिल हैं (17-19)। हालांकि, अब तक, किसी भी जीव की चयापचय विविधता के वैश्विक व्यापक विश्लेषण के लिए कार्यप्रणाली और सांख्यिकीय ढांचे की कमी के कारण, दोनों सिद्धांतों के बीच मुख्य अंतर भविष्यवाणी (अर्थात, चयापचय परिवर्तनों की दिशा) का परीक्षण किया जाना बाकी है। यहां, हम ऐसा ही एक विश्लेषण प्रस्तुत करते हैं।
पादप-विशिष्ट मेटाबोलाइट्स की सबसे महत्वपूर्ण विशेषताओं में से एक है एकल पौधों, आबादी से लेकर समान प्रजातियों तक सभी स्तरों पर उनकी अत्यधिक संरचनात्मक विविधता (20)। विशिष्ट मेटाबोलाइट्स में कई मात्रात्मक परिवर्तन आबादी स्तर पर देखे जा सकते हैं, जबकि प्रजाति स्तर पर आमतौर पर मजबूत गुणात्मक अंतर बने रहते हैं (20)। इसलिए, पादप चयापचय विविधता कार्यात्मक विविधता का मुख्य पहलू है, जो विभिन्न निकेशों के अनुकूलन को दर्शाती है, विशेष रूप से उन निकेशों को जिनमें विशेष कीटों और सामान्य शाकाहारियों द्वारा आक्रमण की विभिन्न संभावनाएं होती हैं (21)। फ्रेंकेल (22) के पादप-विशिष्ट मेटाबोलाइट्स के अस्तित्व के कारणों पर लिखे गए अभूतपूर्व लेख के बाद से, विभिन्न कीटों के साथ अंतःक्रियाओं को महत्वपूर्ण चयनात्मक दबाव माना गया है, और माना जाता है कि इन अंतःक्रियाओं ने विकास के दौरान पौधों को आकार दिया है। चयापचय मार्ग (23)। विशिष्ट मेटाबोलाइट्स की विविधता में अंतर-प्रजातिगत अंतर शाकाहारी रणनीतियों के विरुद्ध पौधों की संवैधानिक और प्रेरक रक्षा से जुड़े शारीरिक संतुलन को भी दर्शा सकते हैं, क्योंकि दोनों प्रजातियां अक्सर एक दूसरे के साथ नकारात्मक रूप से सहसंबंधित होती हैं (24)। हालांकि हर समय अच्छी रक्षा प्रणाली बनाए रखना लाभकारी हो सकता है, लेकिन रक्षा से जुड़े समयबद्ध चयापचय परिवर्तन पौधों को अन्य शारीरिक गतिविधियों में मूल्यवान संसाधनों का आवंटन करने में सक्षम बनाकर स्पष्ट लाभ प्रदान करते हैं (19, 24), और सहजीवन की आवश्यकता से बचाते हैं। इसके अतिरिक्त, कीट शाकाहारियों द्वारा उत्पन्न विशिष्ट चयापचयों का यह पुनर्गठन जनसंख्या में विनाशकारी वितरण का कारण बन सकता है (26), और यह जैस्मोनिक अम्ल (JA) संकेत में महत्वपूर्ण प्राकृतिक परिवर्तनों के प्रत्यक्ष संकेत हो सकते हैं, जो जनसंख्या में बने रह सकते हैं। उच्च और निम्न JA संकेत शाकाहारियों से रक्षा और विशिष्ट प्रजातियों के साथ प्रतिस्पर्धा के बीच संतुलन बनाते हैं (27)। इसके अतिरिक्त, विशिष्ट चयापचय जैवसंश्लेषण मार्ग विकास के दौरान तेजी से लुप्त और रूपांतरित होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप निकट संबंधी प्रजातियों के बीच असमान चयापचय वितरण होता है (28)। ये बहुरूपताएँ बदलते शाकाहारी पैटर्न के जवाब में तेजी से स्थापित हो सकती हैं (29), जिसका अर्थ है कि शाकाहारी समुदायों का उतार-चढ़ाव चयापचय विषमता को संचालित करने वाला एक प्रमुख कारक है।
यहां, हमने विशेष रूप से निम्नलिखित समस्याओं का समाधान किया: (I) शाकाहारी कीट पौधे के मेटाबोलोम को कैसे पुनर्गठित करता है? (II) चयापचय संबंधी लचीलेपन के मुख्य सूचना घटक क्या हैं जिन्हें दीर्घकालिक रक्षा सिद्धांत की भविष्यवाणियों का परीक्षण करने के लिए मात्रात्मक रूप से मापा जा सकता है? (III) क्या पौधे के मेटाबोलोम को हमलावर के लिए विशिष्ट तरीके से पुन: प्रोग्राम किया जाता है, यदि हां, तो एक विशिष्ट चयापचय प्रतिक्रिया को अनुकूलित करने में पादप हार्मोन की क्या भूमिका होती है, और कौन से मेटाबोलाइट रक्षा की प्रजाति विशिष्टता में योगदान करते हैं? (IV) चूंकि कई रक्षा सिद्धांतों द्वारा की गई भविष्यवाणियों को जैविक ऊतकों के सभी स्तरों तक विस्तारित किया जा सकता है, इसलिए हमने यह पूछा कि आंतरिक तुलना से अंतर-प्रजाति तुलना तक उत्पन्न चयापचय प्रतिक्रिया कितनी सुसंगत है? इस उद्देश्य से, हमने तंबाकू निकोटीन के पत्तों के मेटाबोलोम का व्यवस्थित अध्ययन किया है। तंबाकू एक पारिस्थितिक मॉडल पौधा है जिसमें समृद्ध विशिष्ट चयापचय होता है और यह दो देशी शाकाहारी कीटों, लेपिडोप्टेरा डैटुरा (एमएस) (अत्यधिक आक्रामक, मुख्य रूप से सोलानेसी कुल का भोजन) और स्पोडोप्टेरा लिट्टोरलिस (एसएल) के लार्वा के विरुद्ध प्रभावी है। कपास के पत्तों के कृमि एक प्रकार की प्रजाति हैं, जिनके मेजबान पौधे सोलानेसी कुल के हैं और अन्य प्रजातियों और कुलों के पौधे भी इन्हें खाते हैं। हमने एमएस/एमएस मेटाबोलोमिक्स स्पेक्ट्रम का विश्लेषण किया और ओडी और एमटी सिद्धांतों की तुलना करने के लिए सूचना सिद्धांत सांख्यिकीय विवरणकों को निकाला। प्रमुख मेटाबोलाइट्स की पहचान प्रकट करने के लिए विशिष्टता मानचित्र बनाए गए। विश्लेषण को एन. नासी की देशी आबादी और निकट संबंधी तंबाकू प्रजातियों तक विस्तारित किया गया ताकि पादप हार्मोन सिग्नलिंग और ओडी प्रेरण के बीच सहसंबंध का और अधिक विश्लेषण किया जा सके।
शाकाहारी तंबाकू के पत्तों के मेटाबोलोम की प्लास्टिसिटी और संरचना का समग्र मानचित्र प्राप्त करने के लिए, हमने पहले से विकसित विश्लेषण और गणना कार्यप्रणाली का उपयोग करते हुए, पादप अर्क से प्राप्त उच्च-रिज़ॉल्यूशन डेटा स्वतंत्र MS/MS स्पेक्ट्रा को व्यापक रूप से एकत्रित और विश्लेषित किया (9)। यह अविभेदित विधि (जिसे MS/MS कहा जाता है) गैर-अनावश्यक यौगिक स्पेक्ट्रा का निर्माण कर सकती है, जिसका उपयोग यहाँ वर्णित सभी यौगिक-स्तरीय विश्लेषणों के लिए किया जा सकता है। ये विश्लेषित पादप मेटाबोलाइट्स विभिन्न प्रकार के होते हैं, जिनमें सैकड़ों से लेकर हजारों मेटाबोलाइट्स शामिल हैं (यहाँ लगभग 500-1000 s/MS/MS)। यहाँ, हम सूचना सिद्धांत के ढांचे में चयापचय प्लास्टिसिटी पर विचार करते हैं, और चयापचय आवृत्ति वितरण के शैनन एन्ट्रॉपी के आधार पर मेटाबोलोम की विविधता और व्यावसायिकता का मात्रात्मक विश्लेषण करते हैं। पूर्व में लागू किए गए सूत्र (8) का उपयोग करते हुए, हमने ऐसे संकेतकों का एक समूह तैयार किया जिनका उपयोग मेटाबोलोम विविधता (Hj संकेतक), मेटाबोलिक प्रोफाइल विशेषज्ञता (δj संकेतक) और एकल मेटाबोलाइट की मेटाबोलिक विशिष्टता (Si संकेतक) को मापने के लिए किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, हमने शाकाहारियों की मेटाबोलोम प्रेरण क्षमता को मापने के लिए सापेक्ष दूरी प्लास्टिसिटी सूचकांक (RDPI) का उपयोग किया (चित्र 1A) (30)। इस सांख्यिकीय ढांचे के भीतर, हम MS/MS स्पेक्ट्रम को मूल सूचना इकाई मानते हैं, और MS/MS की सापेक्ष प्रचुरता को आवृत्ति वितरण मानचित्र में परिवर्तित करते हैं, और फिर शैनन एन्ट्रॉपी का उपयोग करके इससे मेटाबोलोम विविधता का अनुमान लगाते हैं। मेटाबोलोम विशेषज्ञता को एकल MS/MS स्पेक्ट्रम की औसत विशिष्टता द्वारा मापा जाता है। इसलिए, शाकाहारी प्रेरण के बाद कुछ MS/MS वर्गों की प्रचुरता में वृद्धि को स्पेक्ट्रल प्रेरण क्षमता, RDPI और विशेषज्ञता में परिवर्तित किया जाता है, अर्थात् δj सूचकांक में वृद्धि, क्योंकि अधिक विशिष्ट मेटाबोलाइट्स उत्पन्न होते हैं और एक उच्च Si सूचकांक प्राप्त होता है। Hj विविधता सूचकांक में कमी यह दर्शाती है कि या तो उत्पन्न MS/MS की संख्या कम हो गई है, या प्रोफ़ाइल आवृत्ति वितरण कम एकसमान दिशा में बदल गया है, जिससे इसकी समग्र अनिश्चितता कम हो गई है। Si सूचकांक की गणना के माध्यम से, यह स्पष्ट किया जा सकता है कि कौन से MS/MS कुछ शाकाहारी जीवों द्वारा प्रेरित होते हैं, और इसके विपरीत, कौन से MS/MS प्रेरण के प्रति प्रतिक्रिया नहीं करते हैं, जो MT और OD पूर्वानुमान में अंतर करने के लिए एक महत्वपूर्ण संकेतक है।
(A) शाकाहारी (H1 से Hx) MS/MS डेटा के लिए प्रयुक्त सांख्यिकीय विवरण - प्रेरणशीलता (RDPI), विविधता (Hj सूचकांक), विशिष्टता (δj सूचकांक) और मेटाबोलाइट विशिष्टता (Si सूचकांक)। विशिष्टता (δj) की डिग्री में वृद्धि यह दर्शाती है कि औसतन अधिक शाकाहारी विशिष्ट मेटाबोलाइट्स का उत्पादन होगा, जबकि विविधता (Hj) में कमी मेटाबोलाइट्स के उत्पादन में कमी या वितरण मानचित्र में मेटाबोलाइट्स के असमान वितरण को दर्शाती है। Si मान यह आकलन करता है कि मेटाबोलाइट किसी दी गई स्थिति (यहाँ, शाकाहारी) के लिए विशिष्ट है या इसके विपरीत समान स्तर पर बना रहता है। (B) सूचना सिद्धांत अक्ष का उपयोग करके रक्षा सिद्धांत भविष्यवाणी का वैचारिक आरेख। OD सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि शाकाहारी हमले से रक्षा मेटाबोलाइट्स में वृद्धि होगी, जिससे δj में वृद्धि होगी। साथ ही, Hj में कमी आती है क्योंकि प्रोफाइल को चयापचय संबंधी जानकारी की कम अनिश्चितता की ओर पुनर्गठित किया जाता है। एमटी सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि शाकाहारी जीवों के हमले से मेटाबोलोम में गैर-दिशात्मक परिवर्तन होंगे, जिससे एचजे में वृद्धि होगी जो चयापचय संबंधी जानकारी की अनिश्चितता में वृद्धि का सूचक है और एसआई का यादृच्छिक वितरण होगा। हमने एक मिश्रित मॉडल, सर्वोत्तम एमटी, भी प्रस्तावित किया है, जिसमें उच्च रक्षात्मक मूल्यों वाले कुछ मेटाबोलाइट्स में विशेष रूप से वृद्धि होगी (उच्च एसआई मान), जबकि अन्य यादृच्छिक प्रतिक्रियाएँ प्रदर्शित करेंगे (निम्न एसआई मान)।
सूचना सिद्धांत वर्णकों का उपयोग करते हुए, हम ओडी सिद्धांत की व्याख्या करते हुए भविष्यवाणी करते हैं कि अप्रभावित संवैधानिक अवस्था में शाकाहारी-प्रेरित विशेष मेटाबोलाइट परिवर्तन से (i) मेटाबोनामिक विशिष्टता (δj सूचकांक) में वृद्धि होगी, जिससे उच्च रक्षा मूल्य वाले कुछ विशेष मेटाबोलाइट समूहों की मेटाबोनामिक विशिष्टता (δj सूचकांक) में वृद्धि होगी, और (ii) मेटाबोलोम विविधता (Hj सूचकांक) में कमी आएगी, क्योंकि मेटाबोला आवृत्ति वितरण में लेप्टिन बॉडी वितरण अधिक हो जाएगा। एकल मेटाबोलाइट के स्तर पर, एक क्रमबद्ध Si वितरण की अपेक्षा की जाती है, जहाँ मेटाबोलाइट अपने रक्षा मूल्य के अनुसार Si मान बढ़ाएगा (चित्र 1B)। इसी क्रम में, हम एमटी सिद्धांत की व्याख्या करते हुए भविष्यवाणी करते हैं कि उत्तेजना से (i) मेटाबोलाइट्स में गैर-दिशात्मक परिवर्तन होंगे, जिसके परिणामस्वरूप δj सूचकांक में कमी आएगी, और (ii) मेटाबोलिक अनिश्चितता या यादृच्छिकता में वृद्धि के कारण Hj सूचकांक में वृद्धि होगी, जिसे शैनन एन्ट्रॉपी द्वारा सामान्यीकृत विविधता के रूप में मापा जा सकता है। चयापचय संरचना के संदर्भ में, एमटी सिद्धांत Si के यादृच्छिक वितरण की भविष्यवाणी करेगा। यह ध्यान में रखते हुए कि कुछ चयापचयक विशिष्ट परिस्थितियों में होते हैं, जबकि अन्य विशिष्ट परिस्थितियों में नहीं होते, और उनका रक्षा मूल्य पर्यावरण पर निर्भर करता है, हमने एक मिश्रित रक्षा मॉडल भी प्रस्तावित किया है, जिसमें δj और Hj Si वृद्धि के साथ दो दिशाओं में वितरित होते हैं। केवल कुछ चयापचयक समूह, जिनका रक्षा मूल्य अधिक होता है, Si में विशेष रूप से वृद्धि करेंगे, जबकि अन्य का वितरण यादृच्छिक होगा (चित्र 1B)।
सूचना सिद्धांत वर्णनकर्ता के अक्ष पर पुनर्परिभाषित रक्षा सिद्धांत की भविष्यवाणी का परीक्षण करने के लिए, हमने नेपेंथेस पैलेंस (चित्र 2A) की पत्तियों पर विशेषज्ञ (Ms) या सामान्यवादी (Sl) शाकाहारी लार्वा पाले। MS/MS विश्लेषण का उपयोग करके, हमने कैटरपिलर के भोजन के बाद एकत्रित पत्ती ऊतक के मेथनॉल अर्क से 599 गैर-अतिव्यापी MS/MS स्पेक्ट्रा (डेटा फ़ाइल S1) प्राप्त किए। MS/MS कॉन्फ़िगरेशन फ़ाइलों में सूचना सामग्री के पुनर्गठन को देखने के लिए RDPI, Hj और δj सूचकांकों का उपयोग करने से रोचक पैटर्न सामने आते हैं (चित्र 2B)। समग्र प्रवृत्ति यह है कि, जैसा कि सूचना वर्णनकर्ता द्वारा वर्णित है, जैसे-जैसे कैटरपिलर पत्तियां खाते रहते हैं, सभी चयापचय पुनर्गठन की डिग्री समय के साथ बढ़ती जाती है: शाकाहारी के खाने के 72 घंटे बाद, RDPI में उल्लेखनीय वृद्धि होती है। अप्रभावित नियंत्रण की तुलना में, Hj में उल्लेखनीय कमी आई, जो चयापचय प्रोफ़ाइल की विशेषज्ञता की बढ़ी हुई डिग्री के कारण थी, जिसे δj सूचकांक द्वारा मापा गया था। यह स्पष्ट प्रवृत्ति OD सिद्धांत की भविष्यवाणियों के अनुरूप है, लेकिन MT सिद्धांत की मुख्य भविष्यवाणियों के विपरीत है, जो मानता है कि चयापचय स्तरों में यादृच्छिक (गैर-दिशात्मक) परिवर्तन रक्षात्मक छलावरण के रूप में उपयोग किए जाते हैं (चित्र 1B)। यद्यपि इन दोनों शाकाहारियों की मुखीय स्राव (OS) उत्तेजक सामग्री और भोजन व्यवहार भिन्न हैं, फिर भी उनके प्रत्यक्ष भोजन के परिणामस्वरूप 24 घंटे और 72 घंटे की कटाई अवधि के दौरान Hj और δj की दिशाओं में समान परिवर्तन हुए। एकमात्र अंतर RDPI के 72 घंटों में देखा गया। Ms भोजन के कारण होने वाले चयापचय की तुलना में, Sl भोजन द्वारा प्रेरित समग्र चयापचय अधिक था।
(A) प्रायोगिक डिज़ाइन: सामान्य सूअर (S1) या विशेषज्ञ (Ms) शाकाहारी जीवों को घड़े के पौधों की लवणरहित पत्तियों से खिलाया जाता है, जबकि अनुकरणित शाकाहार के लिए, Ms (W + OSMs) के OS का उपयोग मानकीकृत पत्ती स्थानों पर घाव करने के लिए किया जाता है। S1 (W + OSSl) लार्वा या पानी (W + W)। नियंत्रण (C) एक अक्षतिग्रस्त पत्ती है। (B) विशेष मेटाबोलाइट मानचित्र (599 MS/MS; डेटा फ़ाइल S1) के लिए प्रेरणशीलता (नियंत्रण चार्ट के साथ RDPI की तुलना), विविधता (Hj सूचकांक) और विशेषज्ञता (δj सूचकांक) की गणना की गई। तारांकन चिह्न प्रत्यक्ष शाकाहारी भोजन और नियंत्रण समूह के बीच महत्वपूर्ण अंतर दर्शाते हैं (युग्मित t-परीक्षण के साथ स्टूडेंट का t-परीक्षण, *P<0.05 और ***P<0.001)। ns, महत्वपूर्ण नहीं। (C) कृत्रिम शाकाहार उपचार के बाद मुख्य (नीला बॉक्स, अमीनो एसिड, कार्बनिक एसिड और शर्करा; डेटा फ़ाइल S2) और विशेष मेटाबोलाइट स्पेक्ट्रम (लाल बॉक्स 443 MS/MS; डेटा फ़ाइल S1) का समय संकल्प सूचकांक। रंगीन पट्टी 95% विश्वास अंतराल को दर्शाती है। तारांकन चिह्न उपचार और नियंत्रण के बीच महत्वपूर्ण अंतर को इंगित करता है [द्विघात विश्लेषण (ANOVA), इसके बाद पोस्ट हॉक बहु तुलनाओं के लिए ट्यूकी का ईमानदारी से महत्वपूर्ण अंतर (HSD), *P<0.05, **P<0.01 और *** P <0.001]। (D) प्रकीर्णन प्लॉट और विशेष मेटाबोलाइट प्रोफाइल का विशिष्टीकरण (विभिन्न उपचारों के साथ दोहराए गए नमूने)।
यह पता लगाने के लिए कि क्या शाकाहारी जीवों द्वारा प्रेरित मेटाबोलोम स्तर पर होने वाले बदलाव व्यक्तिगत मेटाबोलाइट्स के स्तर में परिवर्तन को दर्शाते हैं, हमने सबसे पहले नेपेंथेस पैलेंस की पत्तियों में पहले से अध्ययन किए गए मेटाबोलाइट्स पर ध्यान केंद्रित किया, जिनमें शाकाहारी जीवों के प्रति प्रतिरोधक क्षमता सिद्ध हो चुकी है। फेनोलिक एमाइड्स हाइड्रॉक्सीसिनामामाइड-पॉलीएमीन संयुग्म हैं जो कीटों द्वारा शाकाहार की प्रक्रिया के दौरान जमा होते हैं और कीटों के प्रदर्शन को कम करने के लिए जाने जाते हैं (32)। हमने संबंधित MS/MS के अग्रदूतों की खोज की और उनके संचयी गतिज वक्रों को प्लॉट किया (चित्र S1)। आश्चर्य की बात नहीं है कि फेनोल व्युत्पन्न जो शाकाहारी जीवों के खिलाफ रक्षा में सीधे तौर पर शामिल नहीं होते हैं, जैसे कि क्लोरोजेनिक एसिड (CGA) और रूटीन, शाकाहार के बाद कम हो जाते हैं। इसके विपरीत, शाकाहारी जीव फेनोल एमाइड्स को अत्यधिक शक्तिशाली बना सकते हैं। दो शाकाहारी जीवों के निरंतर भोजन के परिणामस्वरूप फिनोलामाइड्स का उत्तेजना स्पेक्ट्रम लगभग समान था, और यह पैटर्न विशेष रूप से फिनोलामाइड्स के डी नोवो संश्लेषण के लिए स्पष्ट था। 17-हाइड्रॉक्सीगेरानिल नोनेनेडियोल डाइटरपीन ग्लाइकोसाइड्स (17-HGL-DTGs) मार्ग का अध्ययन करते समय भी यही घटना देखी जाएगी, जो प्रभावी शाकाहारी-विरोधी कार्यों वाले बड़ी संख्या में अचक्रीय डाइटरपीन का उत्पादन करता है (33), जिनमें से Ms को Sl के साथ खिलाने पर एक समान अभिव्यक्ति प्रोफ़ाइल (चित्र S1) प्राप्त हुई।
शाकाहारी जीवों द्वारा सीधे भोजन कराने के प्रयोगों का संभावित नुकसान यह है कि शाकाहारी जीवों द्वारा पत्तियों की खपत दर और भोजन का समय अलग-अलग होता है, जिससे घावों और शाकाहारी जीवों के कारण होने वाले शाकाहारी-विशिष्ट प्रभावों को दूर करना मुश्किल हो जाता है। प्रेरित पत्ती चयापचय प्रतिक्रिया की शाकाहारी प्रजाति विशिष्टता को बेहतर ढंग से समझने के लिए, हमने मानक पत्ती स्थितियों के मानक छिद्र W पर तुरंत ताज़ा एकत्रित OS (OSM और OSS1) लगाकर Ms और Sl लार्वा के भोजन का अनुकरण किया। इस प्रक्रिया को W + OS उपचार कहा जाता है, और यह ऊतक हानि की दर या मात्रा में अंतर के भ्रामक प्रभावों के बिना शाकाहारी जीव द्वारा उत्पन्न प्रतिक्रिया की शुरुआत के समय को सटीक रूप से निर्धारित करके प्रेरण को मानकीकृत करता है (चित्र 2A) (34)। MS/MS विश्लेषण और गणना पाइपलाइन का उपयोग करके, हमने 443 MS/MS स्पेक्ट्रा (डेटा फ़ाइल S1) प्राप्त किए, जो पहले से प्रत्यक्ष भोजन प्रयोगों से एकत्रित स्पेक्ट्रा के साथ ओवरलैप करते थे। इस MS/MS डेटा सेट के सूचना सिद्धांत विश्लेषण से पता चला कि शाकाहारी जीवों का अनुकरण करके पत्ती-विशिष्ट चयापचयों के पुनर्प्रोग्रामिंग से OS-विशिष्ट प्रोत्साहन प्राप्त हुए (चित्र 2C)। विशेष रूप से, OSS1 उपचार की तुलना में, OSM ने 4 घंटे में चयापचय विशेषज्ञता में वृद्धि की। यह ध्यान देने योग्य है कि प्रत्यक्ष शाकाहारी भोजन प्रयोगात्मक डेटा सेट की तुलना में, Hj और δj को निर्देशांक के रूप में उपयोग करके द्वि-आयामी स्थान में दृश्यीकृत चयापचय गतिकी और समय के साथ अनुकरणित शाकाहारी उपचार के जवाब में चयापचय विशेषज्ञता की दिशात्मकता में लगातार वृद्धि देखी गई (चित्र 2D)। साथ ही, हमने अमीनो एसिड, कार्बनिक एसिड और शर्करा की मात्रा निर्धारित की (डेटा फ़ाइल S2) यह जांचने के लिए कि क्या चयापचय विशेषज्ञता में यह लक्षित वृद्धि अनुकरणित शाकाहारी जीवों के जवाब में केंद्रीय कार्बन चयापचय के पुनर्गठन के कारण है (चित्र S2)। इस पैटर्न को बेहतर ढंग से समझाने के लिए, हमने पहले चर्चा किए गए फिनोलामाइड और 17-HGL-DTG मार्गों की चयापचय संचय गतिकी का आगे अध्ययन किया। शाकाहारी जीवों द्वारा OS-विशिष्ट प्रेरण फिनोलामाइड चयापचय के भीतर एक विभेदक पुनर्व्यवस्था पैटर्न में परिवर्तित हो जाता है (चित्र S3)। कौमारिन और कैफीओइल अंशों वाले फिनोलिक एमाइड्स को OSS1 द्वारा प्राथमिकता से प्रेरित किया जाता है, जबकि OSM फेरुलिल संयुग्मों के विशिष्ट प्रेरण को ट्रिगर करते हैं। 17-HGL-DTG मार्ग के लिए, अनुप्रवाह मैलोनिलेशन और डाइमैलोनिलेशन उत्पादों द्वारा विभेदक OS प्रेरण का पता लगाया गया (चित्र S3)।
इसके बाद, हमने समय-क्रम माइक्रोएरे डेटा सेट का उपयोग करके ओएस-प्रेरित ट्रांसक्रिप्टोम प्लास्टिसिटी का अध्ययन किया, जो शाकाहारी जीवों में रोसेट पौधे की पत्तियों के उपचार के लिए ओएसएम के उपयोग का अनुकरण करता है। नमूनाकरण गतिकी मूल रूप से इस मेटाबोलॉमिक्स अध्ययन (35) में उपयोग की गई गतिकी के साथ मेल खाती है। मेटाबोलोम पुनर्गठन की तुलना में, जिसमें चयापचय प्लास्टिसिटी विशेष रूप से समय के साथ बढ़ती है, हम एमएस द्वारा प्रेरित पत्तियों में क्षणिक प्रतिलेखन विस्फोट देखते हैं, जहां ट्रांसक्रिप्टोम प्रेरणशीलता (आरडीपीआई) और विशेषज्ञता (δj) 1 घंटे पर होती है, और विविधता (एचजे) में इस समय बिंदु पर काफी वृद्धि हुई, बीएमपी1 की अभिव्यक्ति में काफी कमी आई, जिसके बाद ट्रांसक्रिप्टोम विशेषज्ञता में शिथिलता आई (चित्र एस4)। चयापचय जीन परिवार (जैसे पी450, ग्लाइकोसिलट्रांसफेरेज और बीएएचडी एसिलट्रांसफेरेज) प्राथमिक चयापचय से प्राप्त संरचनात्मक इकाइयों से विशेष मेटाबोलाइट्स को इकट्ठा करने की प्रक्रिया में भाग लेते हैं, उपर्युक्त प्रारंभिक उच्च-विशेषज्ञता मॉडल का अनुसरण करते हुए। एक केस स्टडी के रूप में, फेनिलएलनिन मार्ग का विश्लेषण किया गया। विश्लेषण से पुष्टि हुई कि फेनोलमाइड चयापचय में मुख्य जीन, अप्रभावित पौधों की तुलना में शाकाहारी जीवों में अत्यधिक ओएस-प्रेरित होते हैं, और उनके अभिव्यक्ति पैटर्न में निकटता से संरेखित होते हैं। इस मार्ग के ऊपरी भाग में स्थित प्रतिलेखन कारक MYB8 और संरचनात्मक जीन PAL1, PAL2, C4H और 4CL ने प्रतिलेखन की शीघ्र शुरुआत दिखाई। फेनोलमाइड के अंतिम संयोजन में भूमिका निभाने वाले एसिलट्रांसफरेज, जैसे कि AT1, DH29 और CV86, एक दीर्घकालिक अपरेगुलेशन पैटर्न प्रदर्शित करते हैं (चित्र S4)। उपरोक्त अवलोकन इंगित करते हैं कि ट्रांसक्रिप्टोम विशेषज्ञता की शीघ्र शुरुआत और मेटाबोलॉमिक्स विशेषज्ञता का बाद में बढ़ना एक युग्मित प्रक्रिया है, जो एक शक्तिशाली रक्षा प्रतिक्रिया को आरंभ करने वाली समकालिक नियामक प्रणाली के कारण हो सकती है।
पादप हार्मोन सिग्नलिंग में होने वाला पुनर्गठन एक नियामक परत के रूप में कार्य करता है जो शाकाहारी जीवों की जानकारी को एकीकृत करके पौधों की शारीरिक क्रिया को पुनर्व्यवस्थित करता है। शाकाहारी जीव सिमुलेशन के बाद, हमने प्रमुख पादप हार्मोन श्रेणियों की संचयी गतिशीलता को मापा और उनके बीच अस्थायी सह-अभिव्यक्ति को दर्शाया [पियर्सन सहसंबंध गुणांक (PCC)> 0.4] (चित्र 3A)। जैसा कि अपेक्षित था, जैवसंश्लेषण से संबंधित पादप हार्मोन, पादप हार्मोन सह-अभिव्यक्ति नेटवर्क के भीतर जुड़े हुए हैं। इसके अतिरिक्त, विभिन्न उपचारों द्वारा प्रेरित पादप हार्मोनों को उजागर करने के लिए इस नेटवर्क पर चयापचय विशिष्टता (Si सूचकांक) को मैप किया गया है। शाकाहारी जीवों की विशिष्ट प्रतिक्रिया के दो मुख्य क्षेत्र दर्शाए गए हैं: एक JA समूह में है, जहाँ JA (इसका जैविक रूप से सक्रिय रूप JA-Ile) और अन्य JA व्युत्पन्न उच्चतम Si स्कोर दर्शाते हैं; दूसरा एथिलीन (ET) है। जिबरेलिन ने शाकाहारी जीवों के प्रति विशिष्टता में केवल मामूली वृद्धि दिखाई, जबकि साइटोकिनिन, ऑक्सिन और एब्सिसिक एसिड जैसे अन्य पादप हार्मोनों में शाकाहारी जीवों के लिए कम प्रेरण विशिष्टता थी। केवल W + W के उपयोग की तुलना में, OS अनुप्रयोग (W + OS) के माध्यम से JA व्युत्पन्नों के शिखर मान का प्रवर्धन मूल रूप से JA के एक मजबूत विशिष्ट संकेतक में परिवर्तित हो सकता है। अप्रत्याशित रूप से, विभिन्न उत्प्रेरक सामग्री वाले OSM और OSS1, JA और JA-Ile के समान संचय का कारण बनते हैं। OSS1 के विपरीत, OSM, OSM द्वारा विशेष रूप से और दृढ़ता से प्रेरित होता है, जबकि OSS1 आधारभूत घावों की प्रतिक्रिया को प्रवर्धित नहीं करता है (चित्र 3B)।
(A) शाकाहारी जीवों द्वारा प्रेरित पादप हार्मोन संचय गतिकी अनुकरण के पीसीसी गणना पर आधारित सह-अभिव्यक्ति नेटवर्क विश्लेषण। नोड एक एकल पादप हार्मोन को दर्शाता है, और नोड का आकार उपचारों के बीच पादप हार्मोन के लिए विशिष्ट Si सूचकांक को दर्शाता है। (B) विभिन्न उपचारों के कारण पत्तियों में JA, JA-Ile और ET का संचय विभिन्न रंगों द्वारा दर्शाया गया है: खुबानी, W + OSM; नीला, W + OSSl; काला, W + W; धूसर, C (नियंत्रण)। तारांकन चिह्न उपचार और नियंत्रण के बीच महत्वपूर्ण अंतर दर्शाते हैं (टू-वे ANOVA के बाद ट्यूकी HSD पोस्ट हॉक मल्टीपल तुलना, *** P <0.001)। (C) जेए जैवसंश्लेषण और बिगड़े हुए बोध स्पेक्ट्रम (irAOC और irCOI1) में 697 MS/MS (डेटा फ़ाइल S1) और (D) बिगड़े हुए ET सिग्नल के साथ ETR1 में 585 MS/MS (डेटा फ़ाइल S1) का सूचना सिद्धांत विश्लेषण। दो नकली शाकाहारी उपचारों ने पौधों की किस्मों और खाली वाहन (EV) नियंत्रण पौधों को प्रेरित किया। तारांकन चिह्न W+OS उपचार और अक्षतिग्रस्त नियंत्रण के बीच महत्वपूर्ण अंतर दर्शाते हैं (दो-तरफ़ा ANOVA के बाद ट्यूकी HSD पोस्ट हॉक बहु तुलना, *P<0.05, **P<0.01 और ***P<0.001)। (E) विशेषज्ञता के लिए बिखरे हुए विरोध के बिखरे हुए ग्राफ़। रंग विभिन्न आनुवंशिक रूप से संशोधित उपभेदों का प्रतिनिधित्व करते हैं; प्रतीक विभिन्न उपचार विधियों का प्रतिनिधित्व करते हैं: त्रिभुज, W + OSS1; आयत, W + OSM; वृत्त C
इसके बाद, हम आनुवंशिक रूप से संशोधित नेपेंथेस (irCOI1 और sETR1) के एक उपभेद का उपयोग करते हैं, जो JA और ET जैवसंश्लेषण (irAOC और irACO) और बोध (irCOI1 और sETR1) के प्रमुख चरणों में इन दो पादप हार्मोनों के शाकाहारी जीवों पर चयापचय का विश्लेषण करने के लिए है, ताकि पुनर्प्रोग्रामिंग के सापेक्ष योगदान का पता लगाया जा सके। पिछले प्रयोगों के अनुरूप, हमने खाली वाहक (EV) पौधों में शाकाहारी-OS के प्रेरण (चित्र 3, C से D) और OSM के कारण Hj सूचकांक में समग्र कमी की पुष्टि की, जबकि δj सूचकांक में वृद्धि हुई। यह प्रतिक्रिया OSS1 द्वारा उत्पन्न प्रतिक्रिया की तुलना में अधिक स्पष्ट है। Hj और δj को निर्देशांक के रूप में उपयोग करके बनाया गया दो-पंक्ति ग्राफ विशिष्ट अविनियमन को दर्शाता है (चित्र 3E)। सबसे स्पष्ट प्रवृत्ति यह है कि JA संकेत की कमी वाले उपभेदों में, शाकाहारी जीवों के कारण होने वाले चयापचय विविधता और विशेषज्ञता परिवर्तन लगभग पूरी तरह से समाप्त हो जाते हैं (चित्र 3C)। इसके विपरीत, sETR1 पौधों में मौन ET बोध, हालांकि शाकाहारी चयापचय में परिवर्तन पर इसका समग्र प्रभाव JA सिग्नलिंग की तुलना में काफी कम है, OSM और OSS1 उत्तेजनाओं के बीच Hj और δj सूचकांकों में अंतर को कम करता है (चित्र 3D और चित्र S5)। यह इंगित करता है कि JA सिग्नल ट्रांसडक्शन के मुख्य कार्य के अतिरिक्त, ET सिग्नल ट्रांसडक्शन शाकाहारियों की प्रजाति-विशिष्ट चयापचय प्रतिक्रिया के सूक्ष्म समायोजन के रूप में भी कार्य करता है। इस सूक्ष्म समायोजन कार्य के अनुरूप, sETR1 पौधों में समग्र मेटाबोलोम प्रेरणशीलता में कोई परिवर्तन नहीं हुआ। दूसरी ओर, sETR1 पौधों की तुलना में, irACO पौधों ने शाकाहारियों द्वारा उत्पन्न चयापचय परिवर्तनों के समान समग्र आयामों को प्रेरित किया, लेकिन OSM और OSS1 चुनौतियों के बीच Hj और δj स्कोर में महत्वपूर्ण अंतर दिखाया (चित्र S5)।
शाकाहारी जीवों की प्रजाति-विशिष्ट प्रतिक्रिया में महत्वपूर्ण योगदान देने वाले विशिष्ट मेटाबोलाइट्स की पहचान करने और ET संकेतों के माध्यम से उनके उत्पादन को बेहतर बनाने के लिए, हमने पहले से विकसित संरचनात्मक MS/MS विधि का उपयोग किया। यह विधि MS/MS खंडों [सामान्यीकृत डॉट उत्पाद (NDP)] और तटस्थ हानि (NL) पर आधारित समानता स्कोर से चयापचय परिवार का पुनः अनुमान लगाने के लिए द्वि-क्लस्टरिंग विधि पर निर्भर करती है। ET ट्रांसजेनिक लाइनों के विश्लेषण के माध्यम से निर्मित MS/MS डेटा सेट ने 585 MS/MS (डेटा फ़ाइल S1) उत्पन्न किए, जिन्हें सात मुख्य MS/MS मॉड्यूल (M) में क्लस्टर करके हल किया गया (चित्र 4A)। इनमें से कुछ मॉड्यूल पहले से पहचाने गए विशेष मेटाबोलाइट्स से सघन रूप से भरे हुए हैं: उदाहरण के लिए, M1, M2, M3, M4 और M7 विभिन्न फिनोल व्युत्पन्न (M1), फ्लेवोनोइड ग्लाइकोसाइड (M2), एसिल शर्करा (M3 और M4), और 17-HGL-DTG (M7) से समृद्ध हैं। इसके अतिरिक्त, प्रत्येक मॉड्यूल में एकल मेटाबोलाइट की चयापचय संबंधी विशिष्ट जानकारी (Si सूचकांक) की गणना की जाती है, और इसके Si वितरण को सहज रूप से देखा जा सकता है। संक्षेप में, उच्च शाकाहार और जीनोटाइप विशिष्टता प्रदर्शित करने वाले MS/MS स्पेक्ट्रा उच्च Si मानों द्वारा विशेषता रखते हैं, और कर्टोसिस सांख्यिकी दाहिनी पूंछ के कोने पर फर के वितरण को इंगित करती है। M1 में ऐसा ही एक दुबला कोलाइड वितरण पाया गया, जिसमें फिनोल एमाइड ने उच्चतम Si अंश दिखाया (चित्र 4B)। M7 में पहले उल्लेखित शाकाहारी प्रेरित 17-HGL-DTG ने मध्यम Si स्कोर दिखाया, जो दो OS प्रकारों के बीच विभेदक विनियमन की मध्यम डिग्री को दर्शाता है। इसके विपरीत, अधिकांश संवैधानिक रूप से उत्पादित विशिष्ट मेटाबोलाइट्स, जैसे कि रुटिन, CGA और एसिल शर्करा, सबसे कम Si स्कोर में से हैं। विशेष मेटाबोलाइट्स के बीच संरचनात्मक जटिलता और Si वितरण का बेहतर पता लगाने के लिए, प्रत्येक मॉड्यूल के लिए एक आणविक नेटवर्क का निर्माण किया गया (चित्र 4B)। ओडी सिद्धांत की एक महत्वपूर्ण भविष्यवाणी (चित्र 1B में संक्षेपित) यह है कि शाकाहार के बाद विशेष मेटाबोलाइट्स के पुनर्गठन से उच्च रक्षा मूल्य वाले मेटाबोलाइट्स में एकतरफा परिवर्तन होना चाहिए, विशेष रूप से उनकी विशिष्टता में वृद्धि (यादृच्छिक वितरण के विपरीत)। एमटी सिद्धांत द्वारा अनुमानित रक्षात्मक मेटाबोलाइट। एम1 में संचित अधिकांश फिनोल व्युत्पन्न कार्यात्मक रूप से कीट प्रदर्शन में गिरावट से संबंधित हैं (32)। 24 घंटे बाद प्रेरित पत्तियों और ईवी नियंत्रण पौधों की घटक पत्तियों के बीच एम1 मेटाबोलाइट्स में Si मानों की तुलना करने पर, हमने देखा कि शाकाहार कीटों के बाद कई मेटाबोलाइट्स की चयापचय विशिष्टता में एक महत्वपूर्ण वृद्धि का रुझान है (चित्र 4C)। Si मान में विशिष्ट वृद्धि केवल रक्षात्मक फिनोलमाइड्स में पाई गई, लेकिन इस मॉड्यूल में सह-अस्तित्व वाले अन्य फिनोल और अज्ञात मेटाबोलाइट्स में Si मान में कोई वृद्धि नहीं पाई गई। यह एक विशिष्ट मॉडल है, जो ओडी सिद्धांत से संबंधित है। शाकाहारियों द्वारा उत्पन्न चयापचय परिवर्तनों की मुख्य भविष्यवाणियां सुसंगत हैं। यह जांचने के लिए कि क्या फेनोलामाइड स्पेक्ट्रम की यह विशिष्टता OS-विशिष्ट ET द्वारा प्रेरित थी, हमने मेटाबोलाइट Si इंडेक्स को प्लॉट किया और EV और sETR1 जीनोटाइप में OSM और OSS1 के बीच एक विभेदक अभिव्यक्ति मान उत्पन्न किया (चित्र 4D)। sETR1 में, OSM और OSS1 के बीच फेनोलामाइड-प्रेरित अंतर काफी कम हो गया था। JA-नियंत्रित चयापचय विशेषज्ञता से संबंधित मुख्य MS/MS मॉड्यूल का अनुमान लगाने के लिए अपर्याप्त JA वाले स्ट्रेन में एकत्रित MS/MS डेटा पर द्वि-क्लस्टरिंग विधि भी लागू की गई थी (चित्र S6)।
(A) साझा खंड (NDP समानता) और साझा तटस्थ हानि (NL समानता) के आधार पर 585 MS/MS के क्लस्टरिंग परिणामों से पता चलता है कि मॉड्यूल (M) ज्ञात यौगिक परिवार के अनुरूप है, या अज्ञात या कम मेटाबोलाइज़्ड मेटाबोलाइट संरचना के अनुरूप है। प्रत्येक मॉड्यूल के आगे, मेटाबोलाइट (MS/MS) विशिष्ट (Si) वितरण दिखाया गया है। (B) मॉड्यूलर आणविक नेटवर्क: नोड्स MS/MS का प्रतिनिधित्व करते हैं और किनारे, NDP (लाल) और NL (नीला) MS/MS स्कोर (कट-ऑफ > 0.6) का प्रतिनिधित्व करते हैं। मॉड्यूल (बाएं) के आधार पर रंगीन श्रेणीबद्ध मेटाबोलाइट विशिष्टता सूचकांक (Si) को आणविक नेटवर्क (दाएं) पर मैप किया गया है। (C) 24 घंटे पर संवैधानिक (नियंत्रण) और प्रेरित अवस्था (अनुकृत शाकाहारी) में EV पौधे का मॉड्यूल M1: आणविक नेटवर्क आरेख (Si मान नोड का आकार है, रक्षात्मक फेनोलामाइड को नीले रंग में हाइलाइट किया गया है)। (D) बिगड़ी हुई EV और ET धारणा के साथ स्पेक्ट्रम लाइन sETR1 का M1 आणविक नेटवर्क आरेख: हरे वृत्त नोड द्वारा दर्शाया गया फेनोलिक यौगिक, और नोड आकार के रूप में W + OSM और W + OSS1 उपचारों के बीच महत्वपूर्ण अंतर (P मान)। CP, N-कैफ़ेयोल-टायरोसिन; CS, N-कैफ़ेयोल-स्पर्मिडीन; FP, N-फेरुलिक एसिड एस्टर-यूरिक एसिड; FS, N-फेरुलिल-स्पर्मिडीन; CoP, N', N “-कौमारोलिल-टायरोसिन; DCS, N', N”-डाइकैफ़ेयोल-स्पर्मिडीन; CFS, N', N”-कैफ़ेयोल, फेरुलोइल-स्पर्मिडीन; Lycium barbarum in wolfberry Son; Nick. O-AS, O-एसिल शुगर।
हमने विश्लेषण को एक एकल क्षीण नेपेंथेस जीनोटाइप से आगे बढ़ाकर प्राकृतिक आबादी तक विस्तारित किया, जहाँ प्राकृतिक आबादी में शाकाहारी JA स्तरों और विशिष्ट मेटाबोलाइट स्तरों में मजबूत अंतःप्रजातीय परिवर्तन पहले ही वर्णित किए जा चुके हैं (26)। इस डेटा सेट का उपयोग 43 जर्मप्लाज्म को कवर करने के लिए किया गया। इन जर्मप्लाज्म में N. pallens के 123 पौधों की प्रजातियाँ शामिल हैं। ये पौधे यूटा, नेवादा, एरिज़ोना और कैलिफ़ोर्निया के विभिन्न मूल आवासों से एकत्रित बीजों से लिए गए थे (चित्र S7)। हमने मेटाबोलोम विविधता (यहाँ जनसंख्या स्तर β विविधता कहा जाता है) और OSM के कारण होने वाले विशिष्टीकरण की गणना की। पिछले अध्ययनों के अनुरूप, हमने Hj और δj अक्षों के साथ चयापचय परिवर्तनों की एक विस्तृत श्रृंखला देखी, जो यह दर्शाता है कि जर्मप्लाज्म में शाकाहारियों के प्रति उनकी चयापचय प्रतिक्रियाओं की प्लास्टिसिटी में महत्वपूर्ण अंतर हैं (चित्र S7)। यह संगठन शाकाहारियों के कारण होने वाले JA परिवर्तनों की गतिशील सीमा के बारे में पिछले अवलोकनों की याद दिलाता है, और एक ही आबादी में बहुत उच्च मूल्य बनाए रखा है (26, 36)। एचजे और δजे के बीच समग्र सहसंबंध स्तर का परीक्षण करने के लिए जेए और जेए-आईएलई का उपयोग करके, हमने पाया कि जेए और मेटाबोलोम β विविधता और विशेषज्ञता सूचकांक के बीच एक महत्वपूर्ण सकारात्मक सहसंबंध है (चित्र एस7)। यह दर्शाता है कि जनसंख्या स्तर पर पाए गए जेए प्रेरण में शाकाहारी-प्रेरित विषमता कीट शाकाहारियों द्वारा चयन के कारण होने वाले प्रमुख चयापचय बहुरूपता के कारण हो सकती है।
पिछले अध्ययनों से पता चला है कि तंबाकू की किस्में प्रेरित और संवैधानिक चयापचय सुरक्षा के प्रकार और सापेक्ष निर्भरता में बहुत भिन्न होती हैं। ऐसा माना जाता है कि शाकाहारी-विरोधी संकेत संचरण और रक्षा क्षमताओं में ये परिवर्तन कीट जनसंख्या दबाव, पौधे के जीवन चक्र और उस स्थान पर रक्षा उत्पादन लागत द्वारा नियंत्रित होते हैं जहां कोई विशेष प्रजाति उगती है। हमने उत्तरी अमेरिका और दक्षिण अमेरिका की मूल निवासी छह निकोटियाना प्रजातियों के शाकाहारी जीवों द्वारा प्रेरित पत्ती मेटाबोलोम रीमॉडलिंग की स्थिरता का अध्ययन किया। ये प्रजातियाँ नेपेंथेस नॉर्थ अमेरिका से निकटता से संबंधित हैं, अर्थात् निकोलस बोसिफ्लो. ला, एन. निकोटीनिस, निकोटियाना एन. एटिन्यूएटेड ग्रास, निकोटियाना टैबाकम, लीनियर टोबैको, टोबैको (निकोटियाना स्पेगाज़िनी) और टोबैको लीफ टोबैको (निकोटियाना ओब्टुसिफोलिया) (चित्र 5ए) (37)। इनमें से छह प्रजातियाँ, जिनमें सुप्रसिद्ध प्रजाति एन. प्लीज़ भी शामिल है, पेटुनिया क्लेड के वार्षिक पौधे हैं, और ओब्टुसिफोलिया एन. सिस्टर क्लेड ट्रिगोनोफिला (38) के बारहमासी पौधे हैं। इसके बाद, कीट भोजन के प्रजाति-स्तरीय चयापचय पुनर्व्यवस्था का अध्ययन करने के लिए इन सात प्रजातियों पर W + W, W + OSM और W + OSS1 प्रेरण किया गया।
(A) अधिकतम संभावना [नाभिकीय ग्लूटामिन संश्लेषण (38) के लिए] पर आधारित एक बूटस्ट्रैप फाइलोजेनेटिक ट्री और सात निकट संबंधी निकोटियाना प्रजातियों (विभिन्न रंग) (37) का भौगोलिक वितरण। (B) सात निकोटियाना प्रजातियों (939 MS/MS; डेटा फ़ाइल S1) के चयापचय प्रोफाइल के लिए विशिष्ट विविधता का एक स्कैटर प्लॉट। प्रजाति स्तर पर, मेटाबोलोम विविधता विशेषज्ञता की डिग्री के साथ नकारात्मक रूप से सहसंबंधित है। चयापचय विविधता और विशेषज्ञता तथा JA संचय के बीच प्रजाति-स्तरीय सहसंबंध का विश्लेषण चित्र 2. S9 में दिखाया गया है। रंग, विभिन्न प्रकार; त्रिभुज, W + OSS1; आयत, W + OSM; (C) निकोटियाना JA और JA-Ile गतिकी को OS उत्तेजना आयाम के अनुसार रैंक किया गया है (दो-तरफ़ा ANOVA और ट्यूकी HSD पोस्ट-मल्टीपल तुलना, * P <0.05, ** P <0.01 और * ** W + OS और W + W की तुलना के लिए, P <0.001)। शाकाहारी और मिथाइल जेए (MeJA) के अनुकरण के बाद प्रत्येक प्रजाति की (D) विविधता और (E) विशेषज्ञता का बॉक्स प्लॉट। तारांकन चिह्न W + OS और W + W या लैनोलिन प्लस W (Lan + W) या Lan प्लस MeJA (Lan + MeJa) और Lan नियंत्रण के बीच महत्वपूर्ण अंतर को दर्शाता है (दो-तरफ़ा विश्लेषण, जिसके बाद ट्यूकी का HSD पोस्ट हॉक मल्टीपल तुलना, *P<0.05, **P<0.01 और ***P<0.001)।
ड्यूल क्लस्टर विधि का उपयोग करते हुए, हमने 939 MS/MS के 9 मॉड्यूल की पहचान की (डेटा फ़ाइल S1)। विभिन्न उपचारों द्वारा पुनर्गठित MS/MS की संरचना प्रजातियों के बीच विभिन्न मॉड्यूल में बहुत भिन्न होती है (चित्र S8)। Hj (जिसे यहाँ प्रजाति-स्तर की γ-विविधता कहा गया है) और δj का दृश्यीकरण दर्शाता है कि विभिन्न प्रजातियाँ चयापचय क्षेत्र में बहुत अलग-अलग समूहों में एकत्रित होती हैं, जहाँ प्रजाति-स्तर का विभाजन आमतौर पर उत्तेजना से अधिक प्रमुख होता है। N. linear और N. obliquus को छोड़कर, वे प्रेरण प्रभावों की एक विस्तृत गतिशील सीमा प्रदर्शित करते हैं (चित्र 5B)। इसके विपरीत, N. purpurea और N. obtusifolia जैसी प्रजातियों में उपचार के प्रति कम स्पष्ट चयापचय प्रतिक्रिया होती है, लेकिन मेटाबोलोम अधिक विविध होता है। प्रेरित चयापचय प्रतिक्रिया के प्रजाति-विशिष्ट वितरण के परिणामस्वरूप विशेषज्ञता और गामा विविधता के बीच एक महत्वपूर्ण नकारात्मक सहसंबंध पाया गया (PCC = -0.46, P = 4.9×10⁻⁸)। OS-प्रेरित JA स्तरों में परिवर्तन मेटाबोलोम विशेषज्ञता के साथ सकारात्मक रूप से सहसंबंधित हैं, और प्रत्येक प्रजाति द्वारा प्रदर्शित चयापचय गामा विविधता के साथ नकारात्मक रूप से सहसंबंधित हैं (चित्र 5B और चित्र S9)। यह ध्यान देने योग्य है कि चित्र 5C में जिन प्रजातियों को बोलचाल में "सिग्नल प्रतिक्रिया" प्रजातियाँ कहा जाता है, जैसे कि नेपेंथेस नेमाटोड, नेपेंथेस नेपेंथेस, नेपेंथेस एक्यूट और नेपेंथेस एटिन्यूएटेड, ने 30 मिनट में महत्वपूर्ण लक्षण उत्पन्न किए। हाल ही में OS-विशिष्ट JA और JA-Ile प्रकोपों ​​में, अन्य बैक्टीरिया जिन्हें "सिग्नल अनुत्तरदायी" कहा जाता है, जैसे कि नेपेंथेस मिल्स, नेपेंथेस पाउडरी और N. ओब्टुसिफोलिया, केवल JA-Ile एज प्रेरण दिखाते हैं, बिना किसी OS विशिष्टता के (चित्र 5C)। चयापचय स्तर पर, जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, एटिन्यूएटेड नेपेंथेस के लिए, सिग्नल-उत्तरदायी पदार्थों ने OS विशिष्टता दिखाई और δj में उल्लेखनीय वृद्धि की, जबकि Hj में कमी आई। सिग्नल के प्रति अप्रतिक्रियाशील प्रजातियों के रूप में वर्गीकृत प्रजातियों में यह ओएस-विशिष्ट प्राइमिंग प्रभाव नहीं पाया गया (चित्र 5, डी और ई)। ओएस-विशिष्ट मेटाबोलाइट्स सिग्नल-प्रतिक्रियाशील प्रजातियों के बीच अधिक बार साझा किए जाते हैं, और ये सिग्नल क्लस्टर कमजोर सिग्नल प्रतिक्रिया वाली प्रजातियों के साथ समूह बनाते हैं, जबकि कमजोर सिग्नल प्रतिक्रिया वाली प्रजातियां कम परस्पर निर्भरता दर्शाती हैं (चित्र एस8)। यह परिणाम इंगित करता है कि ओएस-विशिष्ट जेए प्रेरण और डाउनस्ट्रीम मेटाबोलोम का ओएस-विशिष्ट पुनर्गठन प्रजाति स्तर पर आपस में जुड़े हुए हैं।
इसके बाद, हमने पौधों पर मिथाइल जेए (MeJA) युक्त लैनोलिन पेस्ट का उपयोग करके यह जांच की कि क्या ये युग्मन विधियाँ बाह्य जेए की उपलब्धता से बाधित होती हैं, जो पौधों के साइटोप्लाज्म में मौजूद होता है। जेए का तीव्र डीएस्टरीफिकेशन होता है। हमने जेए की निरंतर आपूर्ति के कारण संकेत-प्रतिक्रियाशील प्रजातियों से संकेत-अप्रतिक्रियाशील प्रजातियों में क्रमिक परिवर्तन का वही रुझान पाया (चित्र 5, D और E)। संक्षेप में, MeJA उपचार ने रैखिक नेमाटोड, N. obliquus, N. aquaticus, N. pallens और N. mikimotoi के मेटाबोलोम को दृढ़ता से पुनर्व्यवस्थित किया, जिसके परिणामस्वरूप δj में उल्लेखनीय वृद्धि और Hj में कमी आई। N. purpurea में केवल δj में वृद्धि देखी गई, लेकिन Hj में नहीं। N. obtusifolia, जिसमें पहले जेए का अत्यंत निम्न स्तर संचय देखा गया था, मेटाबोलोम पुनर्गठन के संदर्भ में MeJA उपचार के प्रति खराब प्रतिक्रिया देता है। ये परिणाम दर्शाते हैं कि सिग्नल-अनुत्तरदायी प्रजातियों में JA उत्पादन या सिग्नल ट्रांसडक्शन शारीरिक रूप से प्रतिबंधित है। इस परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए, हमने W + W, W + OSMs और W + OSS1 ट्रांसक्रिप्टोम (39) द्वारा प्रेरित चार प्रजातियों (N. pallens, N. mills, N. pink और N. microphylla) का अध्ययन किया। मेटाबोलोम रीमॉडलिंग के पैटर्न के अनुरूप, प्रजातियाँ ट्रांसक्रिप्टोम स्पेस में अच्छी तरह से अलग हैं, जिनमें से N. attenuated ने उच्चतम OS-प्रेरित RDPI दिखाया, जबकि N. gracilis में सबसे कम था (चित्र 6A)। हालांकि, यह पाया गया कि N. oblonga द्वारा प्रेरित ट्रांसक्रिप्टोम विविधता चारों प्रजातियों में सबसे कम थी, जो सात प्रजातियों में पहले दिखाई गई N. oblonga की उच्चतम मेटाबोनामिक विविधता के विपरीत है। पिछले अध्ययनों से पता चला है कि प्रारंभिक रक्षा संकेतों से संबंधित जीनों का एक समूह, जिसमें JA संकेत भी शामिल हैं, निकोटियाना प्रजातियों में शाकाहारी-संबंधित एलिसिटर्स द्वारा प्रेरित प्रारंभिक रक्षा प्रतिक्रियाओं की विशिष्टता की व्याख्या करता है (39)। इन चारों प्रजातियों के बीच JA सिग्नलिंग मार्गों की तुलना करने पर एक रोचक पैटर्न सामने आया (चित्र 6B)। इस मार्ग में अधिकांश जीन, जैसे कि AOC, OPR3, ACX और COI1, इन चारों प्रजातियों में अपेक्षाकृत उच्च स्तर की प्रेरण दर्शाते हैं। हालांकि, एक प्रमुख जीन, JAR4, JA को इसके जैविक रूप से सक्रिय रूप JA-Ile संचित प्रतिलेखों में परिवर्तित करता है, और इसका प्रतिलेखन स्तर बहुत कम है, विशेष रूप से N. mills, Nepenthes pieris और N. microphylla में। इसके अतिरिक्त, N. bifidum में केवल एक अन्य जीन AOS का प्रतिलेख नहीं पाया गया। जीन अभिव्यक्ति में ये परिवर्तन सिग्नल एनर्जिक प्रजातियों में कम JA उत्पादन और N. gracilis की प्रेरण द्वारा प्रेरित चरम लक्षणों के लिए जिम्मेदार हो सकते हैं।
(A) शाकाहार प्रेरण के 30 मिनट बाद लिए गए चार निकट संबंधी तंबाकू प्रजातियों की प्रारंभिक प्रतिलेखन प्रतिक्रियाओं के पुनर्प्रोग्रामिंग का सूचना सिद्धांत विश्लेषण। RDPI की गणना शाकाहार OS द्वारा प्रेरित पत्तियों की तुलना घाव नियंत्रण से करके की जाती है। रंग विभिन्न प्रजातियों को दर्शाते हैं, और प्रतीक विभिन्न उपचार विधियों को दर्शाते हैं। (B) चार प्रजातियों में JA सिग्नलिंग मार्गों में जीन अभिव्यक्ति का विश्लेषण। सरलीकृत JA पथ को बॉक्स प्लॉट के बगल में दिखाया गया है। विभिन्न रंग विभिन्न प्रसंस्करण विधियों को दर्शाते हैं। तारांकन चिह्न इंगित करता है कि W + OS उपचार और W + W नियंत्रण के बीच महत्वपूर्ण अंतर है (जोड़ीदार अंतरों के लिए स्टूडेंट के t-परीक्षण के लिए, *P<0.05, **P<0.01 और ***P<0.001)। OPDA, 12-ऑक्सोफाइटोडीनोइक अम्ल; OPC-8: 0,3-ऑक्सो-2(2′(Z)-पेंटेनिल)-साइक्लोपेंटेन-1-ऑक्टानोइक अम्ल।
पिछले भाग में, हमने अध्ययन किया कि कैसे विभिन्न पौधों की प्रजातियों के मेटाबोलोम का कीट प्रजाति-विशिष्ट पुनर्निर्माण शाकाहारी जीवों के प्रति प्रतिरोधक क्षमता प्रदान कर सकता है। पिछले शोध में निकोटियाना वंश पर ज़ोर दिया गया था। एमएस और लार्वा के प्रति उनकी प्रतिरोधक क्षमता में बहुत अंतर है (40)। यहाँ, हमने इस मॉडल और उनकी चयापचय संबंधी प्लास्टिसिटी के बीच संबंध का अध्ययन किया। उपरोक्त चार तंबाकू प्रजातियों का उपयोग करते हुए, और शाकाहारी जीवों द्वारा उत्पन्न मेटाबोलोम की विविधता और विशेषज्ञता तथा पौधों की एमएस और एसएल के प्रति प्रतिरोधक क्षमता के बीच सहसंबंध का परीक्षण करते हुए, हमने पाया कि सामान्यवादी एसएल के प्रति प्रतिरोधक क्षमता, विविधता और विशेषज्ञता सभी सकारात्मक रूप से सहसंबंधित हैं, जबकि विशेषज्ञ मादाओं के प्रति प्रतिरोधक क्षमता और विशेषज्ञता के बीच सहसंबंध कमजोर है, और विविधता के साथ सहसंबंध महत्वपूर्ण नहीं है (चित्र S10)। एस1 प्रतिरोधक क्षमता के संबंध में, क्षीण एन. चिनेंसिस और एन. ग्रैसिलिस, जिन्हें पहले जेए सिग्नल ट्रांसडक्शन स्तर और मेटाबोलोम प्लास्टिसिटी दोनों प्रदर्शित करने के लिए दिखाया गया था, शाकाहारी प्रेरण के प्रति बहुत अलग प्रतिक्रियाएँ थीं, और उन्होंने समान उच्च प्रतिरोधक क्षमता भी दिखाई।
पिछले साठ वर्षों में, पादप रक्षा सिद्धांत ने एक सैद्धांतिक ढांचा प्रदान किया है, जिसके आधार पर शोधकर्ताओं ने पादप विशिष्ट चयापचयों के विकास और कार्यों की एक महत्वपूर्ण संख्या की भविष्यवाणी की है। इनमें से अधिकांश सिद्धांत मजबूत अनुमानों (41) की सामान्य प्रक्रिया का पालन नहीं करते हैं। वे विश्लेषण के समान स्तर पर प्रमुख भविष्यवाणियां (3) प्रस्तावित करते हैं। जब प्रमुख भविष्यवाणियों का परीक्षण विशिष्ट सिद्धांतों के विश्लेषण की अनुमति देता है, तो इससे क्षेत्र आगे बढ़ता है। कुछ सिद्धांतों को समर्थन मिलता है, जबकि अन्य को अस्वीकार कर दिया जाता है (42)। इसके बजाय, नया सिद्धांत विश्लेषण के विभिन्न स्तरों पर भविष्यवाणियां करता है और वर्णनात्मक विचारों की एक नई परत जोड़ता है (42)। हालांकि, कार्यात्मक स्तर पर प्रस्तावित दो सिद्धांत, एमटी और ओडी, को शाकाहारी जीवों द्वारा किए गए विशिष्ट चयापचय परिवर्तनों की महत्वपूर्ण भविष्यवाणियों के रूप में आसानी से समझाया जा सकता है: ओडी सिद्धांत का मानना ​​है कि विशिष्ट चयापचय "स्थान" में परिवर्तन अत्यधिक दिशात्मक होते हैं। एमटी सिद्धांत का मानना ​​है कि ये परिवर्तन गैर-दिशात्मक होंगे और चयापचय स्थान में यादृच्छिक रूप से स्थित होंगे, और उच्च रक्षा मूल्य वाले चयापचयों की ओर प्रवृत्त होंगे। ओडी और एमटी भविष्यवाणियों की पिछली जांचों का परीक्षण पूर्व निर्धारित "रक्षा" यौगिकों के एक सीमित समूह का उपयोग करके किया गया है। ये मेटाबोलाइट-केंद्रित परीक्षण शाकाहार के दौरान मेटाबोलोम पुनर्गठन की सीमा और प्रक्षेपवक्र का विश्लेषण करने की क्षमता को बाधित करते हैं, और एक सुसंगत सांख्यिकीय ढांचे के भीतर परीक्षण की अनुमति नहीं देते हैं जिसके लिए प्रमुख भविष्यवाणियों की आवश्यकता होती है जिन्हें समग्र रूप से पादप मेटाबोलोम में परिवर्तनों को मात्रात्मक रूप से निर्धारित करने के लिए माना जा सकता है। यहां, हमने कम्प्यूटेशनल एमएस पर आधारित मेटाबोलोमिक्स में नवीन तकनीक का उपयोग किया और वैश्विक मेटाबोलोमिक्स स्तर पर प्रस्तावित दो के बीच अंतर का परीक्षण करने के लिए सूचना सिद्धांत वर्णकों की सामान्य प्रचलन में डीकनवोल्यूशन एमएस विश्लेषण किया। इस सिद्धांत की प्रमुख भविष्यवाणी। सूचना सिद्धांत को कई क्षेत्रों में लागू किया गया है, विशेष रूप से जैव विविधता और पोषक तत्व प्रवाह अनुसंधान के संदर्भ में (43)। हालांकि, जहां तक ​​हमें पता है, यह पहला अनुप्रयोग है जिसका उपयोग पौधों के चयापचय सूचना स्थान का वर्णन करने और पर्यावरणीय संकेतों के जवाब में अस्थायी चयापचय परिवर्तनों से संबंधित पारिस्थितिक समस्याओं को हल करने के लिए किया गया है। विशेष रूप से, इस पद्धति की क्षमता पौधों की प्रजातियों के भीतर और उनके बीच के पैटर्न की तुलना करने में निहित है, जिससे यह जांच की जा सके कि शाकाहारी जीव विभिन्न प्रजातियों से किस प्रकार विकसित हुए हैं और विकास के विभिन्न स्तरों पर अंतर-प्रजाति वृहद विकासवादी पैटर्न का अध्ययन किया जा सके। चयापचय।
प्रधान घटक विश्लेषण (पीसीए) एक बहुभिन्नरूपी डेटा सेट को आयामी कमी वाले स्थान में परिवर्तित करता है ताकि डेटा के मुख्य रुझान की व्याख्या की जा सके, इसलिए इसका उपयोग आमतौर पर डेटा सेट को पार्स करने के लिए एक खोजी तकनीक के रूप में किया जाता है, जैसे कि मेटाबोलोम का विखंडन। हालांकि, आयामी कमी से डेटा सेट में मौजूद कुछ सूचनात्मक तत्व नष्ट हो जाते हैं, और पीसीए पारिस्थितिक सिद्धांत के लिए विशेष रूप से प्रासंगिक विशेषताओं के बारे में मात्रात्मक जानकारी प्रदान नहीं कर सकता है, जैसे: शाकाहारी जीव विशिष्ट क्षेत्रों (उदाहरण के लिए, समृद्धि, वितरण और प्रचुरता) में विविधता को कैसे पुनर्गठित करते हैं? कौन से मेटाबोलाइट्स किसी दिए गए शाकाहारी जीव की प्रेरित अवस्था के भविष्यवक्ता हैं? विशिष्टता, विविधता और प्रेरणशीलता के परिप्रेक्ष्य से, पत्ती-विशिष्ट मेटाबोलाइट प्रोफाइल की सूचनात्मक सामग्री का अपघटन किया जाता है, और यह पाया जाता है कि शाकाहारी जीवों का भोजन विशिष्ट चयापचय को सक्रिय कर सकता है। अप्रत्याशित रूप से, हमने देखा कि, लागू किए गए सूचना सिद्धांत संकेतकों में वर्णित अनुसार, दो शाकाहारी जीवों (रात में भोजन करने वाले सामान्यवादी Sl) और सोलानेसी विशेषज्ञ Ms के हमलों के बाद परिणामी चयापचय स्थिति में काफी समानता पाई गई। हालाँकि उनके भोजन व्यवहार और सांद्रता में काफी अंतर है। OS (31) में फैटी एसिड-अमीनो एसिड संयुग्म (FAC) आरंभकर्ता। मानकीकृत पंचर घावों के उपचार के लिए शाकाहारी OS का उपयोग करके, अनुकरणित शाकाहारी उपचार ने भी एक समान प्रवृत्ति दिखाई। शाकाहारी हमलों के प्रति पौधों की प्रतिक्रिया का अनुकरण करने की यह मानकीकृत प्रक्रिया शाकाहारी जीवों के खाने के व्यवहार में बदलाव के कारण होने वाले भ्रमित करने वाले कारकों को समाप्त करती है, जिससे अलग-अलग समय पर अलग-अलग मात्रा में क्षति होती है (34)। FAC, जिसे OSM का मुख्य कारण माना जाता है, OSS1 में JAS और अन्य पादप हार्मोन प्रतिक्रियाओं को कम करता है, जबकि OSS1 सैकड़ों गुना कम हो जाता है (31)। हालाँकि, OSS1 ने OSM की तुलना में JA संचय के समान स्तर का कारण बना। पहले यह प्रदर्शित किया जा चुका है कि क्षीण नेपेंथेस में जेए प्रतिक्रिया ओएसएम के प्रति अत्यंत संवेदनशील होती है, जहाँ एफएसी पानी के साथ 1:1000 के अनुपात में पतला होने पर भी अपनी सक्रियता बनाए रख सकता है (44)। इसलिए, ओएसएम की तुलना में, यद्यपि ओएसएसएस1 में एफएसी की मात्रा बहुत कम है, फिर भी यह पर्याप्त जेए प्रकोप को प्रेरित करने के लिए पर्याप्त है। पिछले अध्ययनों से पता चला है कि पोरिन-जैसे प्रोटीन (45) और ऑलिगोसैकेराइड (46) का उपयोग ओएसएसएस1 में पादप रक्षा प्रतिक्रियाओं को सक्रिय करने के लिए आणविक संकेतों के रूप में किया जा सकता है। हालांकि, यह अभी भी स्पष्ट नहीं है कि ओएसएसएस1 में ये उत्प्रेरक वर्तमान अध्ययन में देखे गए जेए के संचय के लिए जिम्मेदार हैं या नहीं।
हालांकि विभिन्न शाकाहारी जीवों या बाह्य JA या SA (सैलिसिलिक अम्ल) के प्रयोग से उत्पन्न विभेदक चयापचय संबंधी प्रभावों का वर्णन करने वाले कुछ ही अध्ययन हैं (47), फिर भी किसी ने भी पादप-घास नेटवर्क में शाकाहारी प्रजाति-विशिष्ट गड़बड़ी और विशिष्ट चयापचय पर इसके प्रभावों का व्यवस्थित रूप से अध्ययन नहीं किया है। इस विश्लेषण ने आगे पुष्टि की कि JA के अलावा अन्य पादप हार्मोनों के साथ आंतरिक हार्मोन नेटवर्क का संबंध शाकाहारी जीवों द्वारा उत्पन्न चयापचय पुनर्गठन की विशिष्टता को आकार देता है। विशेष रूप से, हमने पाया कि OSM द्वारा उत्पन्न ET, OSS1 द्वारा उत्पन्न ET से काफी अधिक था। यह पैटर्न OSM में अधिक FAC सामग्री के अनुरूप है, जो ET विस्फोट को ट्रिगर करने के लिए एक आवश्यक और पर्याप्त शर्त है (48)। पौधों और शाकाहारी जीवों के बीच परस्पर क्रिया के संदर्भ में, पादप-विशिष्ट चयापचय गतिशीलता पर ET का संकेतन कार्य अभी भी छिटपुट है और केवल एक यौगिक समूह को लक्षित करता है। इसके अतिरिक्त, अधिकांश अध्ययनों में ET या इसके अग्रदूतों या विभिन्न अवरोधकों के बाह्य अनुप्रयोग का उपयोग ET के नियमन का अध्ययन करने के लिए किया गया है, जिनमें से इन बाह्य रासायनिक अनुप्रयोगों से कई गैर-विशिष्ट दुष्प्रभाव उत्पन्न होते हैं। हमारी जानकारी के अनुसार, यह अध्ययन ET के उपयोग में विकृत ट्रांसजेनिक पौधों के उत्पादन और अभिबोध में ET की भूमिका की पहली बड़े पैमाने पर व्यवस्थित जांच प्रस्तुत करता है, ताकि पादप चयापचय गतिशीलता का समन्वय किया जा सके। शाकाहारी-विशिष्ट ET प्रेरण अंततः चयापचय प्रतिक्रिया को नियंत्रित कर सकता है। सबसे महत्वपूर्ण ET जैवसंश्लेषण (ACO) और अभिबोध (ETR1) जीनों का ट्रांसजेनिक हेरफेर है, जिसने शाकाहारी-विशिष्ट फिनोलामाइड्स के नए सिरे से संचय का खुलासा किया है। यह पहले दिखाया गया है कि ET, पुट्रेसिन एन-मिथाइलट्रांसफरेज (49) को विनियमित करके JA-प्रेरित निकोटीन संचय को ठीक कर सकता है। हालांकि, यांत्रिक दृष्टिकोण से, यह स्पष्ट नहीं है कि ET, फिनोलामाइड के प्रेरण को कैसे ठीक करता है। ET के सिग्नल ट्रांसडक्शन कार्य के अतिरिक्त, मेटाबोलिक प्रवाह को S-एडेनोसिल-1-मेथियोनिन की ओर भी मोड़ा जा सकता है ताकि पॉलीएमिनोफेनोल एमाइड्स में निवेश को नियंत्रित किया जा सके। S-एडेनोसिल-1-मेथियोनिन, ET और पॉलीएमीन जैवसंश्लेषण मार्ग का एक सामान्य मध्यवर्ती है। ET सिग्नल द्वारा फेनोलामाइड के स्तर को नियंत्रित करने की क्रियाविधि का आगे अध्ययन किया जाना आवश्यक है।
लंबे समय से, अज्ञात संरचना वाले विशेष मेटाबोलाइट्स की बड़ी संख्या के कारण, विशिष्ट चयापचय श्रेणियों पर गहन ध्यान देने के बावजूद जैविक अंतःक्रियाओं के बाद चयापचय विविधता में होने वाले अस्थायी परिवर्तनों का सटीक आकलन करना संभव नहीं हो पाया है। वर्तमान में, सूचना सिद्धांत विश्लेषण के आधार पर, निष्पक्ष मेटाबोलाइट्स पर आधारित MS/MS स्पेक्ट्रम अधिग्रहण का मुख्य परिणाम यह है कि शाकाहारी जीवों द्वारा शाकाहारी जीवों को खाने या उनके जैसे जीवों का अनुकरण करने से पत्ती के मेटाबोलोम की समग्र चयापचय विविधता में कमी आती है, जबकि इसकी विशिष्टता का स्तर बढ़ता है। शाकाहारी जीवों के कारण मेटाबोलोम विशिष्टता में होने वाली यह अस्थायी वृद्धि ट्रांसक्रिप्टोम विशिष्टता में सहक्रियात्मक वृद्धि से जुड़ी है। इस व्यापक मेटाबोलोम विशिष्टता में सबसे अधिक योगदान देने वाला गुण (उच्च Si मान वाला) वह विशेष मेटाबोलाइट है जिसका शाकाहारी कार्य पहले से ही निर्धारित है। यह मॉडल OD सिद्धांत की भविष्यवाणी के अनुरूप है, लेकिन मेटाबोलोम रीप्रोग्रामिंग की यादृच्छिकता से संबंधित MT की भविष्यवाणी के अनुरूप नहीं है। हालाँकि, यह डेटा मिश्रित मॉडल (सर्वश्रेष्ठ एमटी; चित्र 1बी) की भविष्यवाणी के साथ भी सुसंगत है, क्योंकि अज्ञात रक्षा कार्यों वाले अन्य अनिर्दिष्ट मेटाबोलाइट्स अभी भी एक यादृच्छिक एसआई वितरण का पालन कर सकते हैं।
इस शोध द्वारा दर्शाया गया एक उल्लेखनीय पैटर्न यह है कि सूक्ष्म विकास स्तर (एकल पौधा और तंबाकू की आबादी) से लेकर व्यापक विकासवादी पैमाने (निकट संबंधी तंबाकू प्रजातियाँ) तक, विकासवादी संगठन के विभिन्न स्तरों में शाकाहारियों की "सर्वोत्तम रक्षा" क्षमताओं में महत्वपूर्ण अंतर पाए जाते हैं। मूर एट अल. (20) और केसलर और कल्स्के (1) ने स्वतंत्र रूप से व्हिटेकर (50) द्वारा मूल रूप से विभेदित जैव विविधता के तीन कार्यात्मक स्तरों को रासायनिक विविधता के संरचनात्मक और प्रेरित लौकिक परिवर्तनों में परिवर्तित करने का प्रस्ताव दिया; इन लेखकों ने बड़े पैमाने पर मेटाबोलोम डेटा संग्रह की प्रक्रियाओं का सारांश नहीं दिया और न ही यह बताया कि इन डेटा से चयापचय विविधता की गणना कैसे की जाए। इस अध्ययन में, व्हिटेकर के कार्यात्मक वर्गीकरण में मामूली समायोजन करते हुए, α-चयापचय विविधता को किसी दिए गए पौधे में MS/MS स्पेक्ट्रा की विविधता, β-चयापचय विविधता को आबादी के एक समूह के बुनियादी अंतःप्रजातीय चयापचय के रूप में, और γ-चयापचय विविधता को समान प्रजातियों के विश्लेषण के विस्तार के रूप में माना जाएगा।
जेए सिग्नल शाकाहारी जीवों की कई चयापचय प्रतिक्रियाओं के लिए आवश्यक है। हालांकि, मेटाबोलोम विविधता में जेए जैवसंश्लेषण के अंतःप्रजातीय विनियमन के योगदान का सटीक मात्रात्मक परीक्षण अभी तक नहीं हुआ है, और यह स्पष्ट नहीं है कि उच्च वृहत् विकासवादी पैमाने पर तनाव-प्रेरित चयापचय विविधीकरण के लिए जेए सिग्नल एक सामान्य स्थल है या नहीं। हमने पाया कि नेपेंथेस शाकाहारी जीवों की शाकाहारी प्रकृति मेटाबोलोम विशेषज्ञता को प्रेरित करती है, और निकोटियाना प्रजातियों की आबादी के भीतर और निकट संबंधी निकोटियाना प्रजातियों के बीच मेटाबोलोम विशेषज्ञता में भिन्नता जेए सिग्नलिंग के साथ व्यवस्थित रूप से सकारात्मक रूप से सहसंबंधित है। इसके अतिरिक्त, जब जेए सिग्नल बाधित होता है, तो एक ही जीनोटाइप वाले शाकाहारी जीव द्वारा प्रेरित चयापचय विशिष्टता समाप्त हो जाती है (चित्र 3, C और E)। चूंकि स्वाभाविक रूप से क्षीण नेपेंथेस आबादी के चयापचय स्पेक्ट्रम में परिवर्तन अधिकतर मात्रात्मक होते हैं, इसलिए इस विश्लेषण में चयापचय β विविधता और विशिष्टता में परिवर्तन मुख्य रूप से चयापचय-समृद्ध यौगिक श्रेणियों के तीव्र उत्तेजना के कारण हो सकते हैं। ये यौगिक वर्ग मेटाबोलोम प्रोफाइल के एक हिस्से पर हावी होते हैं और जेए संकेतों के साथ सकारात्मक सहसंबंध स्थापित करते हैं।
क्योंकि इससे निकटता से संबंधित तंबाकू प्रजातियों के जैव रासायनिक तंत्र बहुत भिन्न हैं, इसलिए चयापचयों की पहचान गुणात्मक पहलू में विशेष रूप से की जाती है, जिससे यह अधिक विश्लेषणात्मक हो जाता है। प्राप्त चयापचय प्रोफाइल के सूचना सिद्धांत प्रसंस्करण से पता चलता है कि शाकाहारी प्रेरण चयापचय गामा विविधता और विशेषज्ञता के बीच संतुलन को बढ़ा देता है। इस संतुलन में जेए संकेत केंद्रीय भूमिका निभाता है। चयापचय विशेषज्ञता में वृद्धि मुख्य ओडी भविष्यवाणी के अनुरूप है और जेए संकेत के साथ सकारात्मक रूप से सहसंबंधित है, जबकि जेए संकेत चयापचय गामा विविधता के साथ नकारात्मक रूप से सहसंबंधित है। ये मॉडल इंगित करते हैं कि पौधों की ओडी क्षमता मुख्य रूप से जेए की प्लास्टिसिटी द्वारा निर्धारित होती है, चाहे वह सूक्ष्म विकासवादी पैमाने पर हो या व्यापक विकासवादी पैमाने पर। जेए जैवसंश्लेषण दोषों को दूर करने वाले बाह्य जेए अनुप्रयोग प्रयोगों से यह भी पता चलता है कि निकट से संबंधित तंबाकू प्रजातियों को संकेत-प्रतिक्रियाशील और संकेत-गैर-प्रतिक्रियाशील प्रजातियों में विभाजित किया जा सकता है, ठीक उसी तरह जैसे शाकाहारी जीवों द्वारा प्रेरित जेए और चयापचय प्लास्टिसिटी के उनके तरीके में अंतर होता है। सिग्नल के प्रति अनुक्रियाशील न होने वाली प्रजातियाँ अंतर्जात JA का उत्पादन करने में असमर्थ होने के कारण प्रतिक्रिया नहीं दे पातीं और इसलिए शारीरिक सीमाओं के अधीन होती हैं। इसका कारण JA सिग्नलिंग मार्ग (N. crescens में AOS और JAR4) में कुछ प्रमुख जीनों में उत्परिवर्तन हो सकता है। यह परिणाम इस बात पर प्रकाश डालता है कि ये अंतर-प्रजाति वृहत् विकासवादी पैटर्न मुख्य रूप से आंतरिक हार्मोन की धारणा और प्रतिक्रियाशीलता में परिवर्तन से प्रेरित हो सकते हैं।
पौधों और शाकाहारी जीवों के बीच परस्पर क्रिया के अलावा, चयापचय विविधता का अन्वेषण पर्यावरण के जैविक अनुकूलन और जटिल फीनोटाइपिक लक्षणों के विकास के अनुसंधान में सभी महत्वपूर्ण सैद्धांतिक प्रगति से संबंधित है। आधुनिक एमएस उपकरणों द्वारा प्राप्त डेटा की मात्रा में वृद्धि के साथ, चयापचय विविधता पर परिकल्पना परीक्षण अब व्यक्तिगत/श्रेणीगत मेटाबोलाइट अंतरों से परे जाकर वैश्विक विश्लेषण कर सकता है और अप्रत्याशित पैटर्न को उजागर कर सकता है। व्यापक विश्लेषण की प्रक्रिया में, एक महत्वपूर्ण रूपक सार्थक मानचित्रों की कल्पना करना है जिनका उपयोग डेटा का अन्वेषण करने के लिए किया जा सकता है। इसलिए, निष्पक्ष एमएस/एमएस मेटाबोलॉमिक्स और सूचना सिद्धांत के वर्तमान संयोजन का एक महत्वपूर्ण परिणाम यह है कि यह एक सरल मीट्रिक प्रदान करता है जिसका उपयोग विभिन्न वर्गीकरण पैमानों पर चयापचय विविधता को ब्राउज़ करने के लिए मानचित्र बनाने में किया जा सकता है। यह इस पद्धति की मूलभूत आवश्यकता है। सूक्ष्म/स्थूल विकास और सामुदायिक पारिस्थितिकी का अध्ययन।
मैक्रो-विकासवादी स्तर पर, एर्लिच और रेवेन (51) के पादप-कीट सह-विकास सिद्धांत का मूल यह भविष्यवाणी करना है कि अंतर-प्रजाति चयापचय विविधता में भिन्नता पादप वंशों के विविधीकरण का कारण है। हालाँकि, इस मौलिक कार्य के प्रकाशन के बाद से पचास वर्षों में, इस परिकल्पना का परीक्षण शायद ही कभी किया गया है (52)। इसका मुख्य कारण लंबी दूरी के पादप वंशों में तुलनीय चयापचय विशेषताओं की फाइटोजेनेटिक विशेषताएँ हैं। इस दुर्लभता का उपयोग लक्ष्य विश्लेषण विधियों को आधार प्रदान करने के लिए किया जा सकता है। सूचना सिद्धांत द्वारा संसाधित वर्तमान MS/MS कार्यप्रवाह अज्ञात मेटाबोलाइट्स की MS/MS संरचनात्मक समानता को मापता है (बिना पूर्व मेटाबोलाइट चयन के) और इन MS/MS को MS/MS के एक सेट में परिवर्तित करता है, इस प्रकार पेशेवर चयापचय में इन मैक्रो-विकासवादी मॉडलों की तुलना वर्गीकरण पैमाने पर की जाती है। सरल सांख्यिकीय संकेतक। यह प्रक्रिया फाइटोजेनेटिक विश्लेषण के समान है, जो पूर्व भविष्यवाणी के बिना विविधीकरण या चरित्र विकास की दर को मापने के लिए अनुक्रम संरेखण का उपयोग कर सकता है।
जैव रासायनिक स्तर पर, फ़र्न और जोन्स (53) की स्क्रीनिंग परिकल्पना दर्शाती है कि विभिन्न स्तरों पर चयापचय विविधता को बनाए रखा जाता है ताकि पहले से असंबंधित या प्रतिस्थापित मेटाबोलाइट्स की जैविक गतिविधियों को प्रदर्शित करने के लिए कच्चा माल उपलब्ध कराया जा सके। सूचना सिद्धांत विधियाँ एक ऐसा ढाँचा प्रदान करती हैं जिसमें मेटाबोलाइट विशेषज्ञता के दौरान होने वाले इन मेटाबोलाइट-विशिष्ट विकासवादी संक्रमणों को प्रस्तावित विकासवादी स्क्रीनिंग प्रक्रिया के भाग के रूप में मात्रात्मक रूप से मापा जा सकता है: किसी दिए गए वातावरण के निम्न विशिष्टता से उच्च विशिष्टता तक जैविक रूप से सक्रिय अनुकूलन और अवरुद्ध मेटाबोलाइट्स।
कुल मिलाकर, आणविक जीवविज्ञान के आरंभिक दिनों में, पादप रक्षा के महत्वपूर्ण सिद्धांत विकसित किए गए, और निगमनात्मक परिकल्पना-आधारित विधियों को व्यापक रूप से वैज्ञानिक प्रगति का एकमात्र साधन माना जाता था। इसका मुख्य कारण संपूर्ण मेटाबोलोम को मापने की तकनीकी सीमाएँ थीं। यद्यपि परिकल्पना-आधारित विधियाँ अन्य कारण तंत्रों को चुनने में विशेष रूप से उपयोगी हैं, जैव रासायनिक नेटवर्क की हमारी समझ को आगे बढ़ाने की उनकी क्षमता समकालीन डेटा-प्रधान विज्ञान में उपलब्ध कम्प्यूटेशनल विधियों की तुलना में अधिक सीमित है। इसलिए, जिन सिद्धांतों की भविष्यवाणी नहीं की जा सकती, वे उपलब्ध डेटा के दायरे से बहुत परे हैं, अतः अनुसंधान क्षेत्र में प्रगति के काल्पनिक सूत्र/परीक्षण चक्र को समाप्त नहीं किया जा सकता (4)। हमारा मानना ​​है कि यहाँ प्रस्तुत मेटाबोलोमिक्स की कम्प्यूटेशनल कार्यप्रणाली चयापचय विविधता के हालिया (कैसे) और अंतिम (क्यों) मुद्दों में रुचि को पुनर्जीवित कर सकती है, और सैद्धांतिक रूप से निर्देशित डेटा विज्ञान के एक नए युग में योगदान दे सकती है। यह युग पिछली पीढ़ियों को प्रेरित करने वाले महत्वपूर्ण सिद्धांतों का पुन: परीक्षण करेगा।
एक ही गुलाब के पौधे की हल्के रंग की पिचर पत्ती पर द्वितीय अवस्था के लार्वा (S1 लार्वा) को पालकर प्रत्यक्ष शाकाहारी भोजन परीक्षण किया गया, जिसमें प्रति पौधे 10 प्रतिकृतियां थीं। कीट लार्वा को क्लैंप से जकड़ा गया, और संक्रमण के 24 और 72 घंटे बाद शेष पत्ती के ऊतकों को एकत्र करके तुरंत जमा दिया गया, और चयापचय तत्वों को निकाला गया।
शाकाहारी उपचार को अत्यधिक समन्वित तरीके से अनुकरण करें। विधि यह है कि कपड़े की माला के विकास चरण के दौरान, पौधे की तीन पूरी तरह से विकसित पत्तियों की मध्य शिरा के दोनों ओर कांटों की तीन पंक्तियों को छेदने के लिए कपड़े के पैटर्न वाले पहियों का उपयोग करें, और तुरंत 1:5 तनु एम.एस. या दस्ताने पहने उंगलियों का उपयोग करके एस1 ओएस को छेदे हुए घाव में डालें। ऊपर वर्णित अनुसार एक पत्ती की कटाई और प्रसंस्करण करें। प्राथमिक मेटाबोलाइट्स और पादप हार्मोन (54) निकालने के लिए पहले वर्णित विधि का उपयोग करें।
बाह्य JA अनुप्रयोगों के लिए, प्रत्येक प्रजाति के छह गुलाब के पौधों में से प्रत्येक के तीन पत्ती के डंठलों पर 150 μg MeJA युक्त 20 μl लैनोलिन पेस्ट (Lan + MeJA) लगाया जाता है, और 20 μl लैनोलिन के साथ घाव का उपचार (Lan + W) किया जाता है, या नियंत्रण के रूप में 20 μl शुद्ध लैनोलिन का उपयोग किया जाता है। उपचार के 72 घंटे बाद पत्तियों को तोड़ा गया, तरल नाइट्रोजन में तुरंत जमा दिया गया और उपयोग होने तक -80°C पर संग्रहित किया गया।
हमारे शोध समूह में चार JA और ET ट्रांसजेनिक लाइनें, अर्थात् irAOC (36), irCOI1 (55), irACO और sETR1 (48) की पहचान की गई है। irAOC में JA और JA-Ile के स्तर में उल्लेखनीय कमी देखी गई, जबकि irCOI1 JA के प्रति असंवेदनशील थी। EV की तुलना में, JA-Ile का संचय बढ़ गया। इसी प्रकार, irACO ET के उत्पादन को कम करेगी, और EV की तुलना में, sETR1, जो ET के प्रति असंवेदनशील है, ET के उत्पादन को बढ़ाएगी।
फोटोएकॉस्टिक लेजर स्पेक्ट्रोमीटर (सेंसर सेंस ईटीडी-300 रियल-टाइम ईटी सेंसर) का उपयोग गैर-आक्रामक तरीके से ईटी माप करने के लिए किया गया। उपचार के तुरंत बाद, पत्तियों के आधे हिस्से को काटकर 4 मिलीलीटर की सीलबंद कांच की शीशी में स्थानांतरित कर दिया गया और 5 घंटे के भीतर हवा को जमा होने दिया गया। माप के दौरान, प्रत्येक शीशी को 8 मिनट के लिए 2 लीटर/घंटे की दर से शुद्ध हवा की धारा से प्रवाहित किया गया, जिसे पहले सेंसर सेंस द्वारा प्रदान किए गए उत्प्रेरक से गुजारकर कार्बन डाइऑक्साइड और पानी को हटा दिया गया था।
माइक्रोएरे डेटा मूल रूप से (35) में प्रकाशित किया गया था और नेशनल सेंटर फॉर बायोटेक्नोलॉजी इंफॉर्मेशन (NCBI) जीन एक्सप्रेशन कॉम्प्रिहेंसिव डेटाबेस (एक्सेशन नंबर GSE30287) में सहेजा गया था। इस अध्ययन के लिए W + OSMs उपचार से प्रभावित पत्तियों और अप्रभावित नियंत्रण से संबंधित डेटा निकाला गया था। कच्ची तीव्रता log2 है। सांख्यिकीय विश्लेषण से पहले, बेसलाइन को R सॉफ्टवेयर पैकेज का उपयोग करके 75वें पर्सेंटाइल में परिवर्तित और सामान्यीकृत किया गया था।
निकोटियाना प्रजातियों के मूल आरएनए अनुक्रमण (आरएनए-seq) डेटा को एनसीबीआई शॉर्ट रीडिंग आर्काइव्स (एसआरए) से प्राप्त किया गया था, जिसका प्रोजेक्ट नंबर PRJNA301787 है। इसकी रिपोर्ट झोउ एट अल. (39) द्वारा की गई थी और प्रक्रिया (56) में वर्णित अनुसार की गई थी। इस अध्ययन में विश्लेषण के लिए निकोटियाना प्रजातियों से संबंधित W + W, W + OSM और W + OSS1 द्वारा संसाधित कच्चे डेटा का चयन किया गया और इसे निम्नलिखित तरीके से संसाधित किया गया: सबसे पहले, कच्चे आरएनए-seq रीडिंग को FASTQ प्रारूप में परिवर्तित किया गया। HISAT2 FASTQ को SAM में परिवर्तित करता है, और SAMtools SAM फ़ाइलों को क्रमबद्ध BAM फ़ाइलों में परिवर्तित करता है। जीन अभिव्यक्ति की गणना के लिए StringTie का उपयोग किया गया, और इसकी अभिव्यक्ति विधि यह है कि प्रति हजार आधार पर प्रति दस लाख अनुक्रमित प्रतिलेखन खंडों में खंड होते हैं।
विश्लेषण में प्रयुक्त एक्लेम क्रोमैटोग्राफिक कॉलम (150 मिमी x 2.1 मिमी; कण आकार 2.2 μm) और 4 मिमी x 4 मिमी गार्ड कॉलम एक ही सामग्री से बने हैं। डायोनेक्स अल्टिमेट 3000 अल्ट्रा हाई परफॉर्मेंस लिक्विड क्रोमैटोग्राफी (UHPLC) सिस्टम में निम्नलिखित बाइनरी ग्रेडिएंट का उपयोग किया जाता है: 0 से 0.5 मिनट तक, आइसोग्रैडिएंट 90% A [डीआयनीकृत जल, 0.1% (v/v) एसीटोनिट्राइल और 0.05% फॉर्मिक एसिड], 10% B (एसीटोनिट्राइल और 0.05% फॉर्मिक एसिड); 0.5 से 23.5 मिनट तक, ग्रेडिएंट चरण क्रमशः 10% A और 90% B है; 23.5 से 25 मिनट तक, आइसोग्रैडिएंट 10% A और 90% B है। प्रवाह दर 400 μl/मिनट है। सभी एमएस विश्लेषणों के लिए, कॉलम इल्यूएंट को एक क्वाड्रुपोल और टाइम-ऑफ-फ्लाइट (क्यूटीओएफ) विश्लेषक में इंजेक्ट करें जो सकारात्मक आयनीकरण मोड में संचालित होने वाले इलेक्ट्रोस्प्रे स्रोत से सुसज्जित हो (केशिका वोल्टेज, 4500 वी; केशिका आउटलेट 130 वी; सुखाने का तापमान 200°सी; सुखाने वाली वायु प्रवाह 10 लीटर/मिनट)।
समग्र रूप से पता लगाने योग्य चयापचय प्रोफ़ाइल के बारे में संरचनात्मक जानकारी प्राप्त करने के लिए, डेटा से अप्रासंगिक या अविभेदनीय एमएस/एमएस खंड विश्लेषण (जिसे आगे एमएस/एमएस कहा जाएगा) करें। अविभेदी एमएस/एमएस विधि की अवधारणा इस तथ्य पर आधारित है कि क्वाड्रुपोल में एक बहुत बड़ी द्रव्यमान पृथक्करण विंडो होती है [इसलिए, सभी द्रव्यमान-से-आवेश अनुपात (m/z) संकेतों को खंड माना जाता है]। इस कारण से, क्योंकि इम्पैक्ट II उपकरण सीई टिल्ट उत्पन्न करने में असमर्थ था, बढ़ी हुई टक्कर-प्रेरित पृथक्करण टक्कर ऊर्जा (सीई) मानों का उपयोग करके कई स्वतंत्र विश्लेषण किए गए। संक्षेप में, सबसे पहले एकल द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री मोड (इन-सोर्स विखंडन द्वारा उत्पन्न कम विखंडन स्थितियाँ) का उपयोग करके यूएचपीएलसी-इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण/क्यूटीओएफ-एमएस द्वारा नमूने का विश्लेषण करें, जिसमें m/z 50 से 1500 तक 5 हर्ट्ज़ की पुनरावृति आवृत्ति पर स्कैन किया जाता है। MS/MS विश्लेषण के लिए नाइट्रोजन को टक्कर गैस के रूप में उपयोग करें, और निम्नलिखित चार अलग-अलग टक्कर-प्रेरित पृथक्करण वोल्टेज (20, 30, 40 और 50 eV) पर स्वतंत्र माप करें। माप प्रक्रिया के दौरान, क्वाड्रुपोल में m/z 50 से 1500 तक सबसे बड़ी द्रव्यमान पृथक्करण विंडो होती है। जब फ्रंट बॉडी m/z और पृथक्करण चौड़ाई प्रयोग को 200 पर सेट किया जाता है, तो उपकरण के ऑपरेटिंग सॉफ़्टवेयर द्वारा द्रव्यमान रेंज स्वचालित रूप से सक्रिय हो जाती है और 0 Da हो जाती है। एकल द्रव्यमान मोड की तरह द्रव्यमान खंडों के लिए स्कैन करें। द्रव्यमान अंशांकन के लिए सोडियम फॉर्मेट (50 मिली आइसोप्रोपेनॉल, 200 μl फॉर्मिक एसिड और 1 मिली 1M NaOH जलीय घोल) का उपयोग करें। ब्रूकर के उच्च-परिशुद्धता अंशांकन एल्गोरिदम का उपयोग करके, एक निश्चित समयावधि में औसत स्पेक्ट्रम चलाने के बाद डेटा फ़ाइल को अंशांकित किया जाता है। कच्चे डेटा फ़ाइलों को NetCDF प्रारूप में परिवर्तित करने के लिए डेटा विश्लेषण v4.0 सॉफ़्टवेयर (ब्रुक डाल्टन, ब्रेमेन, जर्मनी) के निर्यात फ़ंक्शन का उपयोग करें। एमएस/एमएस डेटा सेट को ओपन मेटाबोलॉमिक्स डेटाबेस मेटाबोलाइट्स (www.ebi.ac.uk) में अभिगम संख्या MTBLS1471 के साथ सहेजा गया है।
कम और उच्च टक्कर ऊर्जा के लिए MS1 और MS/MS गुणवत्ता संकेतों के बीच सहसंबंध विश्लेषण और नए लागू किए गए नियमों के माध्यम से MS/MS संयोजन को साकार किया जा सकता है। उत्पाद के लिए अग्रदूत के वितरण के सहसंबंध विश्लेषण को साकार करने के लिए R स्क्रिप्ट का उपयोग किया जाता है, और नियमों को लागू करने के लिए C# स्क्रिप्ट (https://github.com/MPI-DL/indiscriminant-MS-MS-assembly-pipeline) का उपयोग किया जाता है।
पृष्ठभूमि शोर के कारण होने वाली गलत सकारात्मक त्रुटियों और कुछ नमूनों में ही विशिष्ट m/z विशेषताओं का पता लगाने के कारण होने वाले गलत सहसंबंध को कम करने के लिए, हम R पैकेज XCMS के "भरे हुए शिखर" फ़ंक्शन (पृष्ठभूमि शोर सुधार के लिए) का उपयोग करते हैं। इसका उपयोग "NA" (अनदेखे शिखर) तीव्रता को बदलने के लिए किया जाना चाहिए। जब ​​"भरे हुए शिखर" फ़ंक्शन का उपयोग किया जाता है, तब भी डेटा सेट में कई "0" तीव्रता मान होते हैं जो सहसंबंध गणना को प्रभावित करेंगे। फिर, हम "भरे हुए शिखर" फ़ंक्शन के उपयोग और उपयोग न किए जाने पर प्राप्त डेटा प्रसंस्करण परिणामों की तुलना करते हैं, और औसत संशोधित अनुमानित मान के आधार पर पृष्ठभूमि शोर मान की गणना करते हैं, और फिर इन 0 तीव्रता मानों को गणना किए गए पृष्ठभूमि मान से बदल देते हैं। हमने केवल उन विशेषताओं पर विचार किया जिनकी तीव्रता पृष्ठभूमि मान से तीन गुना अधिक थी और उन्हें "वास्तविक शिखर" माना। PCC गणनाओं के लिए, केवल नमूना अग्रदूत (MS1) और खंड डेटा सेट के m/z संकेतों पर विचार किया जाता है जिनमें कम से कम आठ वास्तविक शिखर हों।
यदि पूरे नमूने में पूर्ववर्ती गुणवत्ता विशेषता की तीव्रता, कम या उच्च टक्कर ऊर्जा के अधीन उसी गुणवत्ता विशेषता की घटी हुई तीव्रता के साथ महत्वपूर्ण रूप से सहसंबंधित है, और CAMERA द्वारा विशेषता को आइसोटोप शिखर के रूप में लेबल नहीं किया गया है, तो इसे आगे परिभाषित किया जा सकता है। फिर, 3 सेकंड (शिखर प्रतिधारण के लिए अनुमानित प्रतिधारण समय सीमा) के भीतर सभी संभावित पूर्ववर्ती-उत्पाद युग्मों की गणना करके, सहसंबंध विश्लेषण किया जाता है। केवल तभी जब m/z मान पूर्ववर्ती मान से कम हो और MS/MS विखंडन उसी नमूना स्थान पर हो जहाँ से पूर्ववर्ती प्राप्त हुआ है, तो इसे एक खंड माना जाता है।
इन दो सरल नियमों के आधार पर, हम पहचाने गए प्रीकर्सर के m/z मान से अधिक m/z मान वाले निर्दिष्ट फ़्रैग्मेंट्स को बाहर कर देते हैं, और यह प्रक्रिया प्रीकर्सर की उपस्थिति और निर्दिष्ट फ़्रैग्मेंट के नमूने की स्थिति पर आधारित होती है। MS1 मोड में उत्पन्न कई इन-सोर्स फ़्रैग्मेंट्स द्वारा उत्पन्न गुणवत्ता विशेषताओं को संभावित प्रीकर्सर के रूप में चुनना भी संभव है, जिससे अनावश्यक MS/MS यौगिक उत्पन्न होते हैं। इस डेटा अतिरेक को कम करने के लिए, यदि स्पेक्ट्रा की NDP समानता 0.6 से अधिक है, और वे CAMERA द्वारा एनोटेट किए गए क्रोमैटोग्राम "pcgroup" से संबंधित हैं, तो हम उन्हें मर्ज कर देंगे। अंत में, हम प्रीकर्सर और फ़्रैग्मेंट्स से जुड़े सभी चार CE परिणामों को अंतिम डीकनवोल्यूटेड कम्पोजिट स्पेक्ट्रम में मर्ज कर देते हैं, जिसमें विभिन्न टक्कर ऊर्जाओं पर समान m/z मान वाले सभी संभावित पीक में से उच्चतम तीव्रता वाले पीक का चयन किया जाता है। बाद के प्रसंस्करण चरण कम्पोजिट स्पेक्ट्रम की अवधारणा पर आधारित होते हैं और विखंडन की संभावना को अधिकतम करने के लिए आवश्यक विभिन्न CE स्थितियों को ध्यान में रखते हैं, क्योंकि कुछ फ़्रैग्मेंट्स को केवल एक विशिष्ट टक्कर ऊर्जा के तहत ही पता लगाया जा सकता है।
मेटाबोलिक प्रोफाइल की प्रेरण क्षमता की गणना के लिए RDPI (30) का उपयोग किया गया था। मेटाबोलिक स्पेक्ट्रम विविधता (Hj सूचकांक) MS/MS आवृत्ति वितरण की शैनन एन्ट्रॉपी का उपयोग करके MS/MS अग्रदूतों की प्रचुरता से प्राप्त की जाती है, जैसा कि मार्टिनेज़ एट अल. (8) द्वारा वर्णित निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके किया जाता है। Hj = −∑i = 1mPijlog2(Pij) जहाँ Pij, j-वें नमूने में i-वें MS/MS की सापेक्ष आवृत्ति को दर्शाता है (j = 1, 2,…, m) (i = 1, 2, …, m) t)।
मेटाबोलिक विशिष्टता (Si सूचकांक) को विचाराधीन नमूनों के बीच आवृत्ति के संबंध में दिए गए MS/MS की अभिव्यक्ति पहचान के रूप में परिभाषित किया जाता है। MS/MS विशिष्टता की गणना Si = 1t (∑j = 1tPijPilog2PijPi) सूत्र से की जाती है।
प्रत्येक j नमूने के मेटाबोलोम-विशिष्ट δj सूचकांक और MS/MS विशिष्टता के औसत को मापने के लिए निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करें: δj = ∑i = 1mPijSi
MS/MS स्पेक्ट्रा को युग्मों में संरेखित किया जाता है, और समानता की गणना दो स्कोर के आधार पर की जाती है। सबसे पहले, मानक NDP (जिसे कोसाइन सहसंबंध विधि भी कहा जाता है) का उपयोग करके, स्पेक्ट्रा के बीच खंड समानता को स्कोर करने के लिए निम्न समीकरण का उपयोग करें: NDP = (∑iS1 & S2WS1, iWS2, i) 2∑iWS1, i2∑iWS2, i2 जहाँ S1 और S2 क्रमशः स्पेक्ट्रम 1 और स्पेक्ट्रम 2 के लिए, साथ ही WS1, i और WS2 के लिए, i शिखर तीव्रता पर आधारित भार को दर्शाता है, जिसमें दो स्पेक्ट्रा के बीच i-वें उभयनिष्ठ शिखर का अंतर 0.01 Da से कम होता है। भार की गणना इस प्रकार की जाती है: W = [शिखर तीव्रता] m [गुणवत्ता] n, m = 0.5, n = 2, जैसा कि MassBank द्वारा सुझाया गया है।
स्कोरिंग की एक दूसरी विधि लागू की गई, जिसमें MS/MS के बीच साझा NL का विश्लेषण शामिल था। इसके लिए, हमने MS विखंडन प्रक्रिया के दौरान बार-बार पाई जाने वाली 52 NL सूचियों का एक साथ उपयोग किया, और कमजोर नेपेंथेस प्रजातियों (9, 26) के द्वितीयक मेटाबोलाइट्स के MS/MS स्पेक्ट्रम के लिए पहले से एनोटेट किए गए अधिक विशिष्ट NL (डेटा फ़ाइल S1) का भी उपयोग किया। प्रत्येक MS/MS के लिए 1 और 0 का एक बाइनरी वेक्टर बनाएं, जो क्रमशः किसी NL की उपस्थिति और अनुपस्थिति को दर्शाता है। यूक्लिडियन दूरी समानता के आधार पर, बाइनरी NL वैक्टर के प्रत्येक जोड़े के लिए NL समानता स्कोर की गणना की जाती है।
ड्यूल क्लस्टरिंग करने के लिए, हमने R पैकेज DiffCoEx का उपयोग किया, जो वेटेड जीन को-एक्सप्रेशन एनालिसिस (WGCNA) के विस्तार पर आधारित है। MS/MS स्पेक्ट्रा के NDP और NL स्कोरिंग मैट्रिक्स का उपयोग करके, हमने तुलनात्मक सहसंबंध मैट्रिक्स की गणना करने के लिए DiffCoEx का उपयोग किया। बाइनरी क्लस्टरिंग "cutreeDynamic" पैरामीटर को method = "hybrid", cutHeight = 0.9999, deepSplit = T, और minClusterSize = 10 पर सेट करके की जाती है। DiffCoEx का R स्रोत कोड टेसन एट अल. (57) द्वारा अतिरिक्त फ़ाइल 1 से डाउनलोड किया गया था; आवश्यक R WGCNA सॉफ़्टवेयर पैकेज https://horvath.genetics.ucla.edu/html/CoexpressionNetwork/Rpackages/WGCNA पर पाया जा सकता है।
एमएस/एमएस आणविक नेटवर्क विश्लेषण करने के लिए, हमने एनडीपी और एनएल समानता प्रकारों के आधार पर युग्मित स्पेक्ट्रल कनेक्टिविटी की गणना की, और साइटोस्केप सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके CyFilescape yFiles लेआउट एल्गोरिदम एक्सटेंशन एप्लिकेशन में ऑर्गेनिक लेआउट का उपयोग करके नेटवर्क टोपोलॉजी को विज़ुअलाइज़ किया।
डेटा पर सांख्यिकीय विश्लेषण करने के लिए R संस्करण 3.0.1 का उपयोग करें। सांख्यिकीय सार्थकता का आकलन दो-तरफ़ा विश्लेषण (ANOVA) द्वारा किया गया, जिसके बाद ट्यूकी के ईमानदारी से महत्वपूर्ण अंतर (HSD) पोस्ट-हॉक परीक्षण का प्रयोग किया गया। शाकाहारी उपचार और नियंत्रण के बीच अंतर का विश्लेषण करने के लिए, समान विचरण वाले नमूनों के दो समूहों के दो-पूंछ वितरण का विश्लेषण स्टूडेंट के t परीक्षण का उपयोग करके किया गया।
इस लेख के पूरक सामग्री के लिए, कृपया http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/24/eaaz0381/DC1 देखें।
यह एक ओपन एक्सेस लेख है जिसे क्रिएटिव कॉमन्स एट्रीब्यूशन-नॉन-कमर्शियल लाइसेंस की शर्तों के तहत वितरित किया गया है, जो किसी भी माध्यम में इसके उपयोग, वितरण और पुनरुत्पादन की अनुमति देता है, बशर्ते अंतिम उपयोग व्यावसायिक लाभ के लिए न हो और मूल कार्य सही हो। संदर्भ।
ध्यान दें: हम आपसे आपका ईमेल पता केवल इसलिए मांगते हैं ताकि जिस व्यक्ति को आप इस पेज पर आने की सलाह देते हैं, उसे पता चले कि आप चाहते हैं कि वह ईमेल देखे और यह स्पैम नहीं है। हम किसी भी ईमेल पते को सहेज कर नहीं रखेंगे।
इस प्रश्न का उपयोग यह जांचने के लिए किया जाता है कि आप आगंतुक हैं या नहीं और स्वचालित स्पैम सबमिशन को रोकने के लिए किया जाता है।
सूचना सिद्धांत विशेष मेटाबोलोम की तुलना और परीक्षण रक्षा सिद्धांतों की भविष्यवाणी के लिए एक सार्वभौमिक आधार प्रदान करता है।
सूचना सिद्धांत विशेष मेटाबोलोम की तुलना और परीक्षण रक्षा सिद्धांतों की भविष्यवाणी के लिए एक सार्वभौमिक आधार प्रदान करता है।
©2021 अमेरिकन एसोसिएशन फॉर द एडवांसमेंट ऑफ साइंस। सर्वाधिकार सुरक्षित। एएएएस हिनारी, एगोरा, ओरे, कोरस, क्लॉकएसएस, क्रॉसरेफ और काउंटर का भागीदार है। साइंसएडवांस आईएसएसएन 2375-2548।