آنالیز مقایسه ای متابولیت های اولیه به منظور شناسایی شبکه های متابولیکی تنظیمی درگیر در تشکیل رنگ آبی در گیاه هیدرانژیا ماکروفیلا

نوع مقاله: علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری فیریولوژی گیاهی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه بیوتکنولوژی دانشگاه پیام نور، تهران، ایران

3 استادیار، گروه زیست‌شناسی دانشگاه پیام نور، تهران، ایران

4 استاد، بخش زیست‌شناسی سیستم‌ها، پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی ایران، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، تهران، ایران

5 استادیار، بخش زیست‌شناسی سیستم‌ها، پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی ایران، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران

چکیده

گیاه ادریسی (Hydrangea macrophylla) گیاهی است که رنگ گل‌های آن در حضور آلومینیوم از صورتی به آبی تغییر می‌کند. از این رو می‌تواند به عنوان یک گیاه مدل برای شناسایی شبکه‌های متابولیکی درگیر در تشکیل رنگ آبی مورد بررسی قرار گیرد. در این تحقیق آنالیز پروفایل متابولیت‌ها با استفاده از کروماتوگرافی یونی جفت شده با اسپکترومتری جرمی (IC-MS/MS) و کروماتوگرافی مایع در فشار بالا (UPLC) به منظور بررسی شبکه‌های تنظیمی بین متابولیت‌ها در زمان تغییر رنگ گل از صورتی به آبی، در حضور و عدم حضور آلومینیوم، در گیاه H. macrophylla انجام شد. تعیین پروفایل متابولیت‌ها منجر به به شناسایی 35 نوع متابولیت شامل 2 قند محلول، ۴ قندفسفات، 2 قند نوکلئوتیده، 4 اسید آلی، 4 نوکلئوتید و 17 آمینواسید شد. همچنین یک تغییر هماهنگ در متابولیت های گلیگولیز یافت شد که نشانگر تغییر در شار متابولیت ها در یک مسیر بیوشمیایی در زمان تغییر رنگ بود. همچنین یک همبستگی بالا بین ترکیبات نیتروژن‌دار از قبیل گلوتامین، آسپارتات، گلوتامات، گلایسین و ترئونین وجود داشت که بیانگر نقش مهم متابولیسم نیتروژن در تشکیل رنگ آبی است. این یافته‌ها مطالعات جامع بر روی شبکه‌های تنظیمی تغییر رنگ در گل H. macrophylla را تسهیل خواهد کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Comparative analysis of primary metabolites to identify regulatory metabolic networks involved in blue color formation in Hydrangea macrophylla

نویسندگان [English]

  • Razieh Rahmati 1
  • Mohammad Ali Ebrahimi 2
  • Hamid Sobhanian 3
  • Ghasem Hosseini Salekdeh 4
  • Mohammad Reza Ghaffari 5
1 Ph.D. Candidate of Plant Physiology, Department of Biology, Payame Noor University, Tehran, Iran.
2 Associate Professor, Department of Biotechnology, Payame Noor University, Tehran, Iran.
3 Assistant Professor, Department of Biology, Payame Noor University, Tehran, Iran.
4 Professor, Department of Systems Biology, Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran, Agricultural Research, Education and Extension Organization, Karaj, Tehran, Iran.
5 Assistant Professor, Department of Systems Biology, Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran, Agricultural Research, Education, and Extension Organization, Karaj, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Hydrangea macrophylla is a plant that its blooms turn from pink to blue in the presence of aluminum (Al) and thereby could be considered as a model plant for studying blue color formation. In this study, the metabolite profiling analysis has been performed using ion chromatography coupled to mass spectrometry (IC-MS/MS) and Ultra Performance Liquid Chromatography (UPLC) to investigate the regulatory connected network among metabolites during color turning from pink to blue in full bloom of H. macrophylla in the presence and absence of aluminum. The metabolite profiles resulted in identification of 35 metabolites including two soluble sugars, six sugar phosphates, two sugar nucleotides, four organic acids, four nucleotides and 17 amino acids. Further, a coordinated change was found in glycolytic metabolites showing changes in flux through a pathway during color formation. Moreover, there was a strong correlation among nitrogenous compounds including glutamine, aspartate, glutamate, glycine and threonine indicating the important role of nitrogen metabolism during blue color formation. These findings will facilitate comprehensive research on the regulatory networks of color change in full bloom in H. macrophylla.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Primary metabolism
  • blue color formation
  • aluminum
  • Hydrangea macrophylla
Borghi M, Fernie AR (2017). Floral metabolism of sugars and amino acids: implications for pollinators’ preferences and seed and fruit set. PLANT PHYSIOL. 175(4):1510-1524.

Chandler SF, and Sanchez C (2012). Genetic modification; the development of transgenic ornamental plant varieties. Plant Biotechnol. J. 10(8): 891-903.

Chen H, Lu C, Jiang H, Peng J (2015). Global transcriptome analysis reveals distinct aluminum-tolerance pathways in the Al-accumulating species Hydrangea macrophylla and marker identification. PLoS One. 10(12): e0144927.

de Souza LC, Nogueira DCS, Machado LC, Costa TC, da Silva Martins JT, Mendes CAP, de Araujo Brito AE (2016). Nitrogen compounds, proteins and amino acids in corn subjected to doses of aluminum. AJAR. 11(17): 1519-1524.

Fiehn O (2002). Metabolomics-the link between genotypes and phenotypes. In Functional genomics (pp. 155-171): Springer.

Ghaffari MR, Ghabooli M, Khatabi B, Hajirezaei MR, Schweizer P, Salekdeh GH (2016). Metabolic and transcriptional response of central metabolism affected by root endophytic fungus Piriformospora indica under salinity in barley. PLANT MOL BIOL. 90:699-717

Gomes M, Cambraia J, Sant'Anna R, Estevao M (1985). Aluminum effects on uptake and translocation of nitrogen in sorghum (Sorghum bicolor L. Moench). J Plant Nutr. 8(6): 457-465.

Gupta P, Goel R, Pathak S, Srivastava A, Singh SP, Sangwan R.S, Trivedi PK (2013). De novo assembly, functional annotation and comparative analysis of Withania somnifera leaf and root transcriptomes to identify putative genes involved in the withanolides biosynthesis. PLoS One: 8(5): e62714.

Höller S, Hajirezaei MR, von Wirén N, Frei M (2014). Ascorbate metabolism in rice genotypes differing in zinc efficiency. PLANTA. 239(2): 367-379.

Horgan RP, Kenny LC (2011). ‘Omic’technologies: genomics, transcriptomics, proteomics and metabolomics. Obstet. Gynecol. 13(3): 189-195.

Hyun TK, Lee S, Rim Y, Kumar R, Han X, Lee SY, Kim JY (2014). De-novo RNA sequencing and metabolite profiling to identify genes involved in anthocyanin biosynthesis in Korean black raspberry (Rubus coreanus Miquel). PLoS One: 9(2): e88292.

Kertész S (2002). Changes in glutamine synthetase activity in presence of aluminium complexes. Acta Biol. 46(3-4): 103-104.

Lou Q, Liu Y, Qi Y, Jiao S, Tian F, Jiang L, Wang Y (2014). Transcriptome sequencing and metabolite analysis reveals the role of delphinidin metabolism in flower colour in grape hyacinth. J. Exp. Bot. 65(12): 3157-3164.

Meyer P, Heidmann I, Forkmann G, Saedler H (1987). A new petunia flower colour generated by transformation of a mutant with a maize gene. Nature 330(6149): 677.

Negishi T, Oshima K, Hattori M, Kanai M, Mano S, Nishimura M, Yoshida K (2012). Tonoplast-and plasma membrane-localized aquaporin-family transporters in blue hydrangea sepals of aluminum hyperaccumulating plant. PLoS One 7(8): e43189.

Noda N, Aida, R, Kishimoto S, Ishiguro K, Fukuchi-Mizutani, M, Tanaka Y, Ohmiya A (2013). Genetic engineering of novel bluer-colored chrysanthemums produced by accumulation of delphinidin-based anthocyanins. Plant Cell Physiol. 54(10): 1684-1695.

Noda N, Yoshioka S, Kishimoto S, Nakayama M, Douzono M, Tanaka Y, Aida R (2017). Generation of blue chrysanthemums by anthocyanin B-ring hydroxylation and glucosylation and its coloration mechanism. Sci Adv. 3(7): e1602785.

Pécsváradi A, Nagy Z, Varga A, Vashegyi Á, Labádi I, Galbács G, Zsoldos F (2009). Chloroplastic glutamine synthetase is activated by direct binding of aluminium. PHYSIOL PLANTARUM. 135(1), 43-50.

Schreiber HD, Jones AH, Lariviere CM, Mayhew KM, Cain JB (2011). Role of aluminum in red-to-blue color changes in Hydrangea macrophylla sepals. Biometals. 24(6): 1005-1015.

Silva S (2012). Aluminium toxicity targets in plants. J Bot. 2012.

Tanaka Y, Brugliera F, Chandler S. (2009). Recent progress of flower colour modification by biotechnology. Int. J. Mol. Sci. 10(12): 5350-5369.

Tanaka Y, Tsuda S, Kusumi T. (1998). Metabolic engineering to modify flower color. Plant Cell Physiol. 39(11): 1119-1126.

Wang ZQ, Xu XY, Gong QQ, Xie C, Fan W, Yang JL, Zheng SJ (2014). Root proteome of rice studied by iTRAQ provides integrated insight into aluminum stress tolerance mechanisms in plants. J. Proteomics. 98: 189-205.

Zhao D, Tao J (2015). Recent advances on the development and regulation of flower color in ornamental plants. Front Plant Sci. 6: 261.