米国とインドで栽培された植物のアンターゲットメタボロミクスは、自然の気候や地理と植物のメタボロームの関連性を特徴づけています

Untargeted Metabolomics of Grown in United States and India Characterizes the Association of Plant Metabolomes With Natural Climate and Geography.

• Dong-Ming Ma
• Saiprasad V S Gandra
• Raman Manoharlal
• Christophe La Hovary
• De-Yu Xie

抄録

気候変動や地理的要因は、すべての生物に影響を与えます。これまでのところ、気候や地理的要因が植物のメタボロームに及ぼす影響については、世界的にも地域的にも未解明な点が多く残されている。本研究では、インド・アメリカのタバコ（ ）を用いたフィールド実験を計画し、アンターゲットメタボロミクスを用いて、タバコの代謝に関する2つの気象要因と2つの異なる大陸の場所の関連性を理解することを目的としました。米国ノースカロライナ州オックスフォードとインドアンドラプラデシュ州ラジャームンリーのフィールドリサーチステーションを選択し、商業用タバコ遺伝子型（K326）を2年間栽培した。植物の生育、圃場管理、葉の養生は、タバコ栽培で標準化されたプロトコルに従った。ガスクロマトグラフィー-質量分析法を用いた偏りのないプロファイリングにより、タバコの葉の硬化物から非極性代謝物171種と極性代謝物225種をアノテーションした。主成分分析（PCA）と階層的クラスタ分析（HCA）により、2 つの栽培年と 2 つの圃場の位置がそれぞれ代謝物プロファイルに影響を与える一次的な役割と二次的な役割を果たしていることが明らかになりました。ニコチン、他の 11 種の代謝物群、2 つの場所、気温、降水を用いた PCA とピアソン分析の結果、ノースカロライナ州では、気温の変化はセスキテルペン、ジテルペン、トリテルペンのプロファイルに正の相関があるが、ニコチン、トリカルボン酸の有機酸、糖類のプロファイルには負の相関があり、さらに降水はトリテルペンのプロファイルに正の相関があった。インドでは、温度はベンゼンと多環芳香族炭化水素のプロファイルに正の相関があったが、アミノ酸と糖のプロファイルには負の相関があった。さらに比較分析を行ったところ、ニコチン濃度は気象条件の影響を受けていることが明らかになったが、葉面におけるニコチン濃度の傾向は、2つの地理的な場所や気象の変化に依存しないことがわかった。これらの結果から、タバコの代謝は気候や地理的変化によって大きく異なることが示唆された。

Climate change and geography affect all the living organisms. To date, the effects of climate and geographical factors on plant metabolome largely remain open for worldwide and local investigations. In this study, we designed field experiments with tobacco () in India USA and used untargeted metabolomics to understand the association of two weather factors and two different continental locations with respect to tobacco metabolism. Field research stations in Oxford, North Carolina, USA, and Rajahmundry, Andhra Pradesh India were selected to grow a commercial tobacco genotype (K326) for 2 years. Plant growth, field management, and leaf curing followed protocols standardized for tobacco cultivation. Gas chromatography-mass spectrometry based unbiased profiling annotated 171 non-polar and 225 polar metabolites from cured tobacco leaves. Principal component analysis (PCA) and hierarchical cluster analysis (HCA) showed that two growing years and two field locations played primary and secondary roles affecting metabolite profiles, respectively. PCA and Pearson analysis, which used nicotine, 11 other groups of metabolites, two locations, temperatures, and precipitation, revealed that in North Carolina, temperature changes were positively associated with the profiles of sesquiterpenes, diterpenes, and triterpenes, but negatively associated with the profiles of nicotine, organic acids of tricarboxylic acid, and sugars; in addition, precipitation was positively associated with the profiles of triterpenes. In India, temperature was positively associated with the profiles of benzenes and polycyclic aromatic hydrocarbons, but negatively associated with the profiles of amino acids and sugar. Further comparative analysis revealed that nicotine levels were affected by weather conditions, nevertheless, its trend in leaves was independent of two geographical locations and weather changes. All these findings suggested that climate and geographical variation significantly differentiated the tobacco metabolism.

Copyright © 2019 Ma, Gandra, Manoharlal, La Hovary and Xie.