Terroir संकल्पना अंगूर बेरी Metabolomics और transcriptomics के माध्यम से व्याख्या
Summary
यह लेख आदेश terroir अवधारणा, यानी में जानकारी हासिल करने में अलक्षित metabolomics, transcriptomics और अंगूर बेरी टेप और चयापचयों को बहुभिन्नरूपी सांख्यिकीय विश्लेषण के आवेदन का वर्णन, बेरी गुणवत्ता के लक्षण पर वातावरण के प्रभाव।
Abstract
Terroir पर्यावरणीय कारकों कि इस तरह की चर्चा (द्राक्षा) के रूप में फसलों की विशेषताओं को प्रभावित विशेष रूप से निवास और प्रबंधन के तरीकों के अनुसार के संयोजन को दर्शाता है। इस लेख से पता चलता है कि कैसे कुछ terroir हस्ताक्षर बेरी metabolome और बहुभिन्नरूपी सांख्यिकीय विश्लेषण का उपयोग कर चर्चा फसल Corvina की transcriptome में पता लगाया जा सकता है। विधि पहले एक उचित नमूना योजना की आवश्यकता है। इस मामले के अध्ययन में, Corvina फसल का एक विशिष्ट क्लोन आनुवंशिक मतभेदों को कम करने के लिए चयनित किया गया था, और नमूने तीन अलग-अलग बढ़ती मौसम के दौरान तीन अलग-अलग मैक्रो-क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करने वाले सात अंगूर के बागों से एकत्र किए गए थे। एक अलक्षित नियंत्रण रेखा एमएस metabolomics दृष्टिकोण इसकी उच्च संवेदनशीलता की वजह से सिफारिश, MZmine सॉफ्टवेयर और एक metabolite पहचान विखंडन पेड़ विश्लेषण के आधार पर रणनीति का प्रयोग कुशल डाटा प्रोसेसिंग के साथ है। व्यापक transcriptome विश्लेषण प्रोटीन का उपयोग कर प्राप्त किया जा सकताजिसमें जांच, को कवर ~ सभी की भविष्यवाणी की चर्चा के जीनों का 99% अलग TERROIRS के संदर्भ में सभी विभिन्न व्यक्त जीनों के एक साथ विश्लेषण की इजाजत दी। अंत में, बहुभिन्नरूपी डेटा प्रक्षेपण तरीकों के आधार पर विश्लेषण की अनुमति Metabolomics और transcriptomics डेटा एकीकृत और विस्तार से विश्लेषण जानकारीपूर्ण सह-संबंध की पहचान करने के लिए किया जाना है, मजबूत पुरानी विशिष्ट प्रभाव को दूर करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
Introduction
बड़े पैमाने पर डेटा जीनोम, transcriptomes, proteomes और पौधों की metabolomes के आधार पर विश्लेषण इस तरह शराब की terroir विशेषताओं जो चर्चा पौधों और उनके पर्यावरण के बीच बातचीत को प्रतिबिंबित के रूप में जटिल प्रणालियों के व्यवहार में अभूतपूर्व अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। क्योंकि एक शराब की terroir अलग हो सकता है यहां तक कि जब समान चर्चा क्लोन विभिन्न अंगूर के बागों में बड़े हो रहे हैं, जीनोमिक्स विश्लेषण क्योंकि प्रतिरूप जीनोम समान हैं कम इस्तेमाल की है। इसके बजाय यह जीन अभिव्यक्ति और जामुन, जो शराब की गुणवत्ता निर्धारित लक्षण के चयापचय गुणों के बीच सह-संबंध को देखने के लिए आवश्यक है। सभी टेप के इसी तरह के रासायनिक गुण है, जो प्रोटीन पर स्थिर जांच करने के लिए इस तरह के संकरण के रूप में सार्वभौमिक विशेषताओं शोषण से मात्रात्मक विश्लेषण की सुविधा से transcriptome लाभ के स्तर पर जीन अभिव्यक्ति का विश्लेषण। इसके विपरीत, प्रोटिओमिक्स एक में सार्वभौमिक विश्लेषणात्मक तरीकोंएन डी metabolomics व्यक्तिगत प्रोटीन और चयापचयों का विशाल भौतिक और रासायनिक विविधता की वजह से अधिक चुनौती दे रहे हैं। metabolomics के मामले में इस विविधता भी अधिक चरम है, क्योंकि अलग-अलग चयापचयों आकार, polarity, बहुतायत और अस्थिरता में बेहद अलग है, इसलिए कोई भी निकालने की प्रक्रिया या विश्लेषणात्मक विधि एक समग्र दृष्टिकोण प्रदान करता है।
(एचपीएलसी एमएस) अनह्रासी चयापचयों के लिए उपयुक्त विश्लेषणात्मक प्लेटफार्मों के बीच, उच्च प्रदर्शन तरल क्रोमैटोग्राफी के आधार पर उन मास स्पेक्ट्रोमेट्री के लिए युग्मित ज्यादा ऐसे पराबैंगनी या डायोड सरणी डिटेक्टरों के साथ एचपीएलसी (एचपीएलसी यूवी, एचपीएलसी-पिता के रूप में विकल्पों की तुलना में अधिक संवेदनशील होते हैं ) या परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी, लेकिन एचपीएलसी-एमएस द्वारा मात्रात्मक विश्लेषण इस तरह के मैट्रिक्स प्रभाव और आयन दमन / वृद्धि 1-3 के रूप में घटना से प्रभावित किया जा सकता है। एचपीएलसी-एमएस द्वारा Corvina अंगूर जामुन के विश्लेषण के दौरान इस तरह के प्रभाव की जांच के लिए एक electrospray आयनीकरण स्रोत का उपयोग कर (एचपीएलसी-ईएसआई एमएस), पता चला है कि शर्करा और सबसे कम प्रतिधारण समय के साथ अन्य अणुओं दृढ़ता से कम बताई थे, शायद यह भी इस क्षेत्र में अणुओं की बड़ी संख्या को दर्शाती है, और अन्य अणुओं की बहुतायत है, को कम करके आंका जा सकता है कि मैट्रिक्स प्रभाव से overestimated या अप्रभावित , लेकिन मैट्रिक्स प्रभाव के लिए डेटा सामान्य समग्र परिणाम 4,5 पर सीमित प्रभाव है लग रहा था। विधि यहाँ बताया पकने के दौरान मध्यम polarity चयापचयों कि अंगूर जामुन में उच्च स्तर पर जमा के विश्लेषण के लिए अनुकूलित है, और जो काफी terroir से प्रभावित कर रहे हैं। वे anthocyanins, flavonols, flavan-3-OLS, procyanidins, अन्य flavonoids, resveratrol, stilbenes, hydroxycinnamic एसिड और hydroxybenzoic एसिड होता है, जो एक साथ रंग, स्वाद और वाइन के स्वास्थ्य से संबंधित गुणों का निर्धारण शामिल हैं। ऐसे शर्करा और स्निग्ध कार्बनिक अम्ल के रूप में अन्य चयापचयों, मैट्रिक्स effec के कारण नजरअंदाज कर दिया जाता है, क्योंकि एचपीएलसी-एमएस द्वारा quantitation अविश्वसनीय हैटी और आयन दमन घटना 5। इस विधि द्वारा चयनित polarity सीमा के भीतर, दृष्टिकोण में यह संभव के रूप में 6 के रूप में कई अलग अलग चयापचयों का पता लगाने के लिए करना है कि अलक्षित है।
Transcriptomics तरीकों कि चर्चा के टेप के हजारों एक साथ नजर रखी जा करने की अनुमति पूरा चर्चा जीनोम अनुक्रम 7.8 की उपलब्धता से मदद कर रहे हैं। प्रारंभिक transcriptomics उच्च throughput अनुक्रमण सीडीएनए पर आधारित विधियों प्रक्रियाओं सामूहिक रूप से शाही सेना Seq प्रौद्योगिकी के रूप में वर्णित के एक संग्रह में अगली पीढ़ी के अनुक्रमण के आगमन के साथ विकसित किया है। यह दृष्टिकोण तेजी से transcriptomics अध्ययन के लिए पसंद की विधि बनता जा रहा है। हालांकि, साहित्य का एक बड़ा शरीर माइक्रोएरे, जो टेप के हजारों संकरण से समानांतर में मात्रा निर्धारित किया जा करने की अनुमति के आधार पर चर्चा के लिए जमा किया है। दरअसल, इससे पहले कि शाही सेना Seq एक मुख्य धारा प्रौद्योगिकी बन गया है, कई समर्पित वाणिज्यिक माइक्रोएरे प्लेटफार्मों किया गया थाविकसित की इजाजत दी चर्चा transcriptome बहुत विस्तार से निरीक्षण किया। प्लेटफार्मों की विशाल विविधता में, केवल दो जीनोम चौड़ा transcriptome विश्लेषण 9 की अनुमति दी। सबसे विकसित सरणी एक डिवाइस पर करने के लिए 12 स्वतंत्र नमूने के संकरण की अनुमति दी है, इस प्रकार एक प्रयोग की लागत को कम करने। 12 उप-सरणियों प्रत्येक 135,000 60-मेर 29549 चर्चा टेप का प्रतिनिधित्व जांच शामिल थे। इस डिवाइस के अध्ययन 10-24 की एक बड़ी संख्या में इस्तेमाल किया गया है। इन दो प्लेटफार्मों अब बंद कर दिया गया है, लेकिन एक नए कस्टम माइक्रोएरे हाल ही में डिजाइन किया गया है और एक और अधिक हाल ही में विकास का प्रतिनिधित्व करता है के रूप में यह अतिरिक्त नव की खोज की चर्चा जीन 25 प्रतिनिधित्व कर जांच के लिए एक भी अधिक से अधिक संख्या में शामिल हैं।
बड़े-बिक्री transcriptomics और metabolomics विश्लेषण द्वारा उत्पादित डेटासेट डेटा विश्लेषण के लिए उपयुक्त सांख्यिकीय तरीकों, बहुभिन्नरूपी तकनीक अलग फार्म के बीच सह-संबंध का निर्धारण करने की आवश्यकता सहितडेटा के एस। सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया बहुभिन्नरूपी तकनीक प्रक्षेपण के आधार पर उन लोगों के हैं, और इन जैसे प्रमुख घटक विश्लेषण (पीसीए), या के रूप में, पूछना हो सकता है इस तरह के अव्यक्त संरचनाओं विभेदक विश्लेषण (O2PLS-डीए) 26 द्विदिश orthogonal प्रक्षेपण के रूप में, निगरानी की। इस लेख में प्रस्तुत प्रोटोकॉल नमूने के समूहों के बीच मतभेद की पहचान करने के लिए खोजपूर्ण डेटा विश्लेषण और O2PLS-डीए के लिए पीसीए का इस्तेमाल करता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
यह लेख metabolomics, transcriptomics और सांख्यिकीय विश्लेषण प्रोटोकॉल अंगूर बेरी terroir अवधारणा की व्याख्या करने के लिए इस्तेमाल का वर्णन है। Metabolomics विश्लेषण एचपीएलसी-ईएसआई एमएस से काफी संवेदनशील एक साथ चयापचयों की बड़ी सं…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work benefited from the networking activities coordinated within the EU-funded COST ACTION FA1106 “An integrated systems approach to determine the developmental mechanisms controlling fleshy fruit quality in tomato and grapevine”. This work was supported by the ‘Completamento del Centro di Genomica Funzionale Vegetale’ project funded by the CARIVERONA Bank Foundation and by the ‘Valorizzazione dei Principali Vitigni Autoctoni Italiani e dei loro Terroir (Vigneto)’ project funded by the Italian Ministry of Agricultural and Forestry Policies. SDS was financed by the Italian Ministry of University and Research FIRB RBFR13GHC5 project “The Epigenomic Plasticity of Grapevine in Genotype per Environment Interactions”.
Materials
| Mill Grinder | IKA | IKA A11 basic | |
| HPLC Autosampler | Beckman Coulter | - | System Gold 508 Autosampler |
| HPLC System | Beckman Coulter | - | System Gold 127 Solvent Module HPLC |
| C18 Guard Column | Grace | - | Alltima HP C18 (7.5×2.1mm; 5μm) Guard Column |
| C18 Column | Grace | - | Alltima HP C18 (150×2.1mm; 3μm) Column |
| Mass Spectometer | Bruker Daltonics | - | Bruker Esquire 6000; The mass spectometer was equipped with an ESI source and the analyzer was an ion trap. |
| Extraction solvents and HPLC buffers | Sigma | 34966 | Methanol LC-MS grade |
| Sigma | 94318 | Formic acid LC-MS grade | |
| Sigma | 34967 | Acetonitrile LC-MS grade | |
| Sigma | 39253 | Water LC-MS grade | |
| Minisart RC 4 Syringe filters (0.2 μm) | Sartorius | 17764 | |
| Softwares for data collection (a) and processing (b) | Bruker Daltonics | – | Bruker Daltonics Esquire 5.2 Control (a); Esquire 3.2 Data Analysis and MzMine 2.2 softwares (b) |
| Spectrum Plant Total RNA kit | Sigma-Aldrich | STRN250-1KT | For total RNA extractino from grape pericarps |
| Nanodrop 1000 | Thermo Scientific | 1000 | |
| BioAnalyzer 2100 | Agilent Technologies | G2939A | |
| RNA 6000 Nano Reagents | Agilent Technologies | 5067-1511 | |
| RNA Chips | Agilent Technologies | 5067-1511 | |
| Agilent Gene Expression Wash Buffer 1 | Agilent Technologies | 5188-5325 | |
| Agilent Gene Expression Wash Buffer 2 | Agilent Technologies | 5188-5326 | |
| LowInput QuickAmp Labeling kit One-Color | Agilent Technologies | 5190-2305 | |
| Kit RNA Spike In – One-Color | Agilent Technologies | 5188-5282 | |
| Gene Expression Hybridization Kit | Agilent Technologies | 5188-5242 | |
| RNeasy Mini Kit (50) | Qiagen | 74104 | For cRNA Purification |
| Agilent SurePrint HD 4X44K 60-mer Microarray | Agilent Technologies | G2514F-048771 | |
| eArray | Agilent Technologies | – | https://earray.chem.agilent.com/earray/ |
| Gasket slides | Agilent Technologies | G2534-60012 | Enable Agilent SurePrint Microarray 4-array Hybridization |
| Thermostatic bath | Julabo | – | |
| Hybridization Chamber | Agilent Technologies | G2534-60001 | |
| Microarray Hybridization Oven | Agilent Technologies | G2545A | |
| Hybridization Oven Rotator Rack | Agilent Technologies | G2530-60029 | |
| Rotator Rack Conversion Rod | Agilent Technologies | G2530-60030 | |
| Staining kit | Bio-Optica | 10-2000 | Slide-staining dish and Slide rack |
| Magnetic stirrer device | AREX Heating Magnetic Stirrer | F20540163 | |
| Thermostatic Oven | Thermo Scientific | Heraeus – 6030 | |
| Agilent Microarray Scanner | Agilent Technologies | G2565CA | |
| Scanner Carousel, 48-position | Agilent Technologies | G2505-60502 | |
| Slide Holders | Agilent Technologies | G2505-60525 | |
| Feature extraction software v11.5 | Agilent Technologies | – | inside the Agilent Microarray Scanner G2565CA |
| SIMCA + V13 Software | Umetrics |
References
- Jessome, L. L., Volmer, D. A. Ion suppression: A major concern in mass spectrometry. Lc Gc N Am. 24 (5), 498-510 (2006).
- Kim, H. K., Choi, Y. H., Verpoorte, R. NMR-based plant metabolomics: where do we stand, where do we go?. Trends Biotech. 29 (6), 267-275 (2011).
- Sumner, L. W., Mendes, P., Dixon, R. A. Plant metabolomics: large-scale phytochemistry in the functional genomics era. Phytochem. 62 (6), 817-836 (2003).
- Bottcher, C., von Roepenack-Lahaye, E., Willscher, E., Scheel, D., Clemens, S. Evaluation of matrix effects in metabolite profiling based on capillary liquid chromatography electrospray ionization quadrupole time-of-flight mass spectrometry. Anal Chem. 79 (4), 1507-1513 (2007).
- Toffali, K., et al. Novel aspects of grape berry ripening and post-harvest withering revealed by untargeted LC-ESI-MS metabolomics analysis. Metabolomics. 7 (3), 424-436 (2011).
- Martin, J. C., et al. Can we trust untargeted metabolomics? Results of the metabo-ring initiative, a large-scale, multi-instrument inter-laboratory study. Metabolomics. 11 (4), 807-821 (2015).
- Jaillon, O., et al. The grapevine genome sequence suggests ancestral hexaploidization in major angiosperm phyla. Nature. 449 (7161), 463-467 (2007).
- Velasco, R., et al. A high quality draft consensus sequence of the genome of a heterozygous grapevine variety. Plos One. 2 (12), (2007).
- Tornielli, G. B., Zamboni, A., Zenoni, S., Delledonne, M., Pezzotti, M., Gerós, H., Chaves, M., Delrot, S. Ch. 11. The Biochemestry of the Grape Berry. 11, (2012).
- Anesi, A., et al. Towards a scientific interpretation of the terroir concept: plasticity of the grape berry metabolome. BMC Plant Biol. 15, 1-17 (2015).
- Berdeja, M., et al. Water limitation and rootstock genotype interact to alter grape berry metabolism through transcriptome reprogramming. Hort Res. 2, 1-13 (2015).
- Carbonell-Bejerano, P., et al. Solar ultraviolet radiation is necessary to enhance grapevine fruit ripening transcriptional and phenolic responses. BMC Plant Biol. 14, 1-16 (2014).
- Carbonell-Bejerano, P., et al. Reducing sampling bias in molecular studies of grapevine fruit ripening: transcriptomic assessment of the density sorting method. Theor Exp Plant Phys. 28 (1), 109-129 (2016).
- Carbonell-Bejerano, P., et al. Circadian oscillatory transcriptional programs in grapevine ripening fruits. BMC Plant Biol. 14, 1-15 (2014).
- Cavallini, E., et al. Functional diversification of grapevine MYB5a and MYB5b in the control of flavonoid biosynthesis in a petunia anthocyanin regulatory mutant. Plant & Cell Physiol. 55 (3), 517-534 (2014).
- Cramer, G. R., et al. Transcriptomic analysis of the late stages of grapevine (Vitis vinifera cv. Cabernet Sauvignon) berry ripening reveals significant induction of ethylene signaling and flavor pathways in the skin. BMC Plant Biol. 14, 1-21 (2014).
- Dal Santo, S., et al. The plasticity of the grapevine berry transcriptome. Genome Biol. 14 (6), 1-17 (2013).
- Fasoli, M., et al. The Grapevine Expression Atlas Reveals a Deep Transcriptome Shift Driving the Entire Plant into a Maturation Program. Plant Cell. 24 (9), 3489-3505 (2012).
- Gambino, G., et al. Co-evolution between Grapevine rupestris stem pitting-associated virus and Vitis vinifera L. leads to decreased defence responses and increased transcription of genes related to photosynthesis. J Exp Bot. 63 (16), 5919-5933 (2012).
- Ghan, R., et al. Five omic technologies are concordant in differentiating the biochemical characteristics of the berries of five grapevine (Vitis vinifera L.) cultivars. BMC Genomics. 16 (1), 1-26 (2015).
- Pastore, C., et al. Selective defoliation affects plant growth, fruit transcriptional ripening program and flavonoid metabolism in grapevine. BMC Plant Biol. 13, 1-13 (2013).
- Pastore, C., et al. Increasing the source/sink ratio in Vitis vinifera (cv Sangiovese) induces extensive transcriptome reprogramming and modifies berry ripening. BMC Genomics. 12, 1-23 (2011).
- Rinaldo, A. R., et al. A Grapevine Anthocyanin Acyltransferase, Transcriptionally Regulated by VvMYBA, Can Produce Most Acylated Anthocyanins Present in Grape Skins. Plant Physiol. 169 (3), 1897-1916 (2015).
- Royo, C., et al. Developmental, transcriptome, and genetic alterations associated with parthenocarpy in the grapevine seedless somatic variant Corinto bianco. J Exp Bot. , 259-273 (2015).
- Venturini, L., et al. De novo transcriptome characterization of Vitis vinifera cv. Corvina unveils varietal diversity. BMC Genomics. 14, 1-13 (2013).
- Commisso, M., Strazzer, P., Toffali, K., Stocchero, M., Guzzo, F. Untargeted metabolomics: an emerging approach to determine the composition of herbal products. Comput Struct Biotechnol J. 4, 1-7 (2013).
- Pluskal, T., Castillo, S., Villar-Briones, A., Oresic, M. MZmine 2: Modular framework for processing, visualizing, and analyzing mass spectrometry-based molecular profile data. BMC Bioinformatics. 11, 1-11 (2010).
- Ashburner, M., et al. Gene Ontology: tool for the unification of biology. Nat Genet. 25 (1), 25-29 (2000).
