Különbségek a Haloxylon Ammodendron gyökérváladékaiban az állományok korában és a Cistanche Deserticola magvak csírázási reakciójában

 

Absztrakt

Annak tisztázása, hogy a gyökér váladékozása hogyan történikHaloxilon ammodendron(saxaul) az állomány kora és módja szerint változikCistanche deserticola(Cistanche) vetőmag csírázása reagál ezekre a különbségekre, 1, 3 és 6 éves szaxuális állományokat vizsgáltunk a kínai Hszincsiang Alar régióban. Gyökér-váladékmintákat gyűjtöttünk és LC–MS alapú nem célzott metabolomika segítségével elemeztük az összetételbeli különbségek jellemzésére. Párhuzamosan,CistancheA magvakat különböző állományi korcsoportokból származó gyökérváladékkal kezeltük, és meghatároztuk a magvak csírázási arányát.

Az eredmények szignifikáns különbségeket mutattak aCistanchecsírázási arány a kezelések között. A 3 éves állományváladékos kezelés produkálta a legmagasabb csírázási arányt, szignifikánsan magasabb, mint az 1 és 6 éves állományok váladékát használó kezelések, míg az 1 és 6 éves kezelések között nem volt szignifikáns különbség. Az anyagcsere-elemzés azt mutatta, hogy a nyálkagyökér-váladékok általános metabolikus profilja egyértelműen megkülönböztethető az állományok korában, és a legtöbb differenciált metabolit a 3-1 éves állományok között fordult elő. A differenciális metabolitok főként cukrokban, B6-vitaminnal rokon molekulákban, flavonoidokban/fenolokban és lipidekkel rokon molekulákban gazdagodtak. A fő útvonalbeli különbségek az alfa-linolénsav metabolizmusát, a B6-vitamin metabolizmusát és a flavonoidokkal kapcsolatos reakciókat foglalták magukban. A csírázási fenotípusok integrálásával végzett további szűrés azt mutatta, hogy ezekben a metabolitkategóriákban és útvonalakban a magasabb csírázással összhangban lévő reprezentatív különbségi jellemzők is koncentrálódtak.

Ezek az eredmények egyértelmű kémiai differenciálódásra utalnak a szászgyökér-váladékokban az állományok korai között, és azt sugallják, hogy a 3 éves szaxaul állományokban kedvezőbb váladékkémiai háttér alakulhat ki.Cistanchemagok csírázása. Az eredmények elméleti alapot adnak a fejlesztéshez és az optimalizáláshozCistancheoltási technikák.

Kulcsszavak: Haloxilon ammodendron; Cistanche deserticola; gyökér váladékok; metabolomika; állókori gradiens

Bevezetés

A száraz sivatagi ökoszisztémák helyreállítása gyakran kulcsfontosságú cserjék létrehozásán és folyamatos terjeszkedésén múlik [1–2].Haloxilon ammodendronÉszaknyugat-Kína sivatagi régióiban tipikus homokmegkötő fafaj, amely kiemelkedő szerepet játszik a szélfogó és homokrögzítésben, a felszín stabilizálásában és a növényzet szerkezetének fenntartásában [3–4]. Az ültetvények kezelése és ökológiai funkciójavítása körül fokozatosan kialakult az „ökológiai helyreállítás–erdőgazdálkodás–erőforrás-hasznosítás” átfogó pályája [5–7]. Ezen megközelítések közül az oltásCistanche deserticolaa saxaul ültetvények alatt reprezentatív fejlesztési modellnek tekintik, amely egyensúlyban tartja az ökológiai és ipari előnyöket [8–9].

 

Cistanche termesztőbázis Xinjiangban, Kínában

 

Cistanche deserticolajelentős gazdasági értékkel bír, és felkeltette a mesterséges termesztés iránti keresletet [10–11]. A nagyüzemi termelésben azonban a parazita oltás sikerességi aránya nagymértékben ingadozik, ami befolyásolja a modell stabilitását és méretezhetőségét [12].

A Saxaul–Cistanche rendszerben a magok csírázása és a gazdaszervezet korai felismerése olyan kritikus lépések, amelyek meghatározzák, hogy létrejöhet-e parazita kapcsolat [12–13].CistancheA magvak rendkívül kicsik, és a csírázás beindulása erősen függ a gazdagyökerek váladékából származó stimulációtól [14–15]. A csírázás után a palántáknak rövid időn belül meg kell találniuk a gazdagyökereket, és be kell lépniük a haustórium kialakulásának folyamatába [16]. Ezért a gazdajelek intenzitása és összetétele közvetlenül tükröződik a csírázási hatékonyságban és az azt követő parazitizmus sikerességi arányában [16–17]. Az obligát parazita növények esetében ezek a jelek egy idő-tér „feltételkombinációt” is alkothatnak, amely nagyobb valószínűséggel vált ki csírázást, azaz egy úgynevezett csírázási ablakot [18–19].

A szaxaul gyökér váladékai több vegyületosztályt tartalmaznak, amelyek részt vehetnek a gazdaszervezet felismerési és indukciós folyamataiban, például kinonokat, szerves savakat és hormonokkal rokon molekulákat. Összetételüket a növény fejlődési szakasza és a környezeti háttér egyaránt befolyásolja [20–21]. Korábbi tanulmányok azt sugallják, hogy a gyökérváladékok dinamikusan változnak évszakonként vagy növekedési szakaszonként, ami tovább vezethet aCistanchecsírázási arány, haustóriumképződés hatékonysága és parazita kialakulása [22]. Az ültetvénygazdálkodás szempontjából az állománykori gradiens gyakran megfelel a gazdagyökérrendszer fejlődésének, a szénbevitel felhalmozódásának és a rizoszféra mikrokörnyezetének stabilizálásának. Következésképpen a váladék kémiai háttere szisztematikusan módosítható [23–26].

Mindazonáltal továbbra sem áll rendelkezésre elegendő bizonyíték arra vonatkozóan, hogy az állománykorbeli különbségek hogyan alakítják át a szászfű gyökérváladékának kémiai spektrumát, és hogy ezek a változások számszerűsíthető csírázási reakciókat eredményezhetnek-e. Ez a hiányosság korlátozza a közvetlen mennyiségi útmutatást is a fogadóállvány korának kiválasztásához és a kulcskezelési időszakok ütemezéséhez.

A metabolomika feltárhatja a gyökér-exudátum metabolitprofilok változásait. A többváltozós statisztikai módszerek, mint például a főkomponens-analízis (PCA) és az ortogonális részleges legkisebb négyzetek diszkriminancia-analízise (OPLS-DA) használhatók a csoportok megkülönböztetésére és az eltérő metabolitok azonosítására [27–28]. A további útvonal-annotáció és dúsítási elemzés segít a biokémiai változások irányának értelmezésében [29–30]. A metabolomikai kimenetek és a funkcionális fenotípusok (pl. magok csírázási aránya) szinkron összehasonlításával a váladékokban lévő kémiai különbségek mérhető eredményekhez köthetők – „elősegítik-e a csírázást, és milyen mértékben” –, ami közvetlenebb támogatást nyújt a kezelési és alkalmazási döntésekhez [31–33].

Ezért ez a tanulmány a Taklamakan-sivatag peremén található Alar régió különböző korú szaxaul állományaira összpontosított. Különböző állománykorúak gyökérváladékait gyűjtöttük össze az LC–MS nem célzott metabolomikai profilalkotáshoz, ésCistanchevetőmag csírázási vizsgálatok, amelyek ezeket a váladékokat kezelik. Megvizsgáltuk a gyökér-exudátum metabolitprofilok állományi kortól függő változásait (általános elválasztás, differenciális metabolitszűrés és az útvonal feldúsulása), és ezeket a csírázási sebesség különbségeivel egyeztettük. A tanulmány mennyiségi hivatkozásokat ad a javításhozCistancheaz oltás sikerességét, és empirikus metabolomikai bizonyítékot kínál a gazda- és parazitanövények közötti kémiai kölcsönhatásokra a száraz területeken.

 

1 Anyagok és módszerek

1.1 Vizsgálati terület

A vizsgálati terület Alar City sivatag-oázis átmeneti zónájában található, a Taklamakan-sivatag északi szélén, Hszincsiangban, Kínában. A régió jellegzetes meleg, mérsékelt égövi, rendkívül száraz éghajlatú, erős szél-homok tevékenységgel, kevés csapadékkal és intenzív párolgással. Az éves átlagos csapadékmennyiség 40,1-82,5 mm, míg az éves átlagos párolgás 1876,6-2558,9 mm. A fény- és hőforrások bőségesek, a napi hőmérséklet-különbségek pedig nagyok. A felszíni növényzetet a sivatagi cserjék és gyér gyógynövények uralják. A szász a legjelentősebb építőfaj, amelyet a helyi szélfogó és homokrögzítő övek készítésére használnak, és a régió a szaxaul-oltás fontos termőterülete is.Cistanche.

1.2 Mintagyűjtés és -feldolgozás

A mintavételre 2025 áprilisában (tavasszal) került sor Alar régióban. A gyökérváladékot és a szinkron talajmintákat 1, 3 és 6 éves szaxaul állományokból gyűjtöttük.Cistanchemintavétel után magcsírázási kísérleteket végeztünk.

Az 1-, 3-, illetve 6 éves állóképes kezeléseket rendre AO-nak, AT-nek és AS-nek jelöltük. Mindegyik kezelés három biológiai ismétlést tartalmazott, AO1–AO3, AT1–AT3 és AS1–AS3 jelekkel. Az 1 éves standok az alapítás korai szakaszát jelentik; A 3 éves állományok erőteljes növekedési szakaszt képviselnek, aktív rizoszféra folyamatokkal; és a 6 éves állományok viszonylag stabil állapotot képviselnek. A gazdafejlődési stádiumok különbségei alapján összehasonlítottuk a gyökér-váladék kémiai változását az állományok korai között, és ennek kapcsolatátCistanchemagok csírázása.

1.2.1 Gyökérváladékgyűjtés

A gyökérváladékot in situ szántóföldi extrakciós módszerrel gyűjtöttük össze. Minden állománykorú parcellán hasonló növekedési státusú, nyilvánvaló kártevők vagy betegségek nélküli szaxaul egyedeket választottunk ki. Állomonként három növényből vettünk mintát biológiai ismétlésként. A gyökereket gondosan kiásták a növényalap körül, minimálisra csökkentve a mechanikai sérüléseket. A rátapadt szennyeződést óvatosan eltávolítottuk; a gyökereket ionmentesített vízzel leöblítettük; majd a gyökereket zacskóba zártuk és in situ újra eltemették egy 24 órás előkezelésre.

Az előkezelés után a gyökereket eltávolítottuk, és ionmentes vízzel óvatosan újra leöblítettük. A gyökérszegmenseket nedves szűrőpapírba csomagoltuk a páratartalom fenntartása érdekében, 50 ml-es centrifugacsövekbe helyeztük, parafilmmel lezártuk, és in situ újra betemették. 24 óra elteltével a szűrőpapírba csomagolt gyökérszegmenseket összegyűjtöttük, jégen tartottuk és laboratóriumba szállítottuk.

A laboratóriumban 100 ml ionmentesített vizet adtunk hozzá, és a mintákat 30 percig ráztuk az extrakcióhoz. Az extraktumot vákuumban szűrtük, csökkentett nyomáson betöményítettük, és –80 fokon tároltuk a későbbi LC-MS nem célzott metabolomikai elemzésekhez. Ugyanezeket a kivonatokat használtuk a magkezelési vizsgálatokhoz is.

1.2.2 Talajmintavétel és a talaj fizikai-kémiai tulajdonságainak meghatározása

A talajmintákat a gyökérváladékkal egyidejűleg vettük. A mintákat természetesen levegőn szárítottuk, a szennyeződéseket eltávolítottuk, és egy 2 mm-es szitán átengedtük a fizikai-kémiai mérésekhez, beleértve a pH-t, az összes nitrogént (TN), az összes foszfort (TP), az összes káliumot (TK), az alkáli-hidrolizálható nitrogént (AN), a rendelkezésre álló foszfort (AP), a rendelkezésre álló szerves anyagokat (AKOM) és a talajt. A részletes módszereket az 1. táblázat tartalmazza.

1. táblázat. Talajfizikokémiai mutatók és analitikai módszerek

Indikátor	Rövidítés	Analitikai módszer
pH	-	Potenciometrikus módszer
Összes nitrogén	TN	Kjeldahl módszer
Összes foszfor	TP	NaOH fúzió – molibdén-antimon kolorimetria (spektrofotometria)
Összes kálium	TK	NaOH fúziós módszer
Alkáli-hidrolizálható nitrogén	AN	Lúgos diffúziós módszer
Elérhető foszfor	AP	Spektrofotometriás módszer
Rendelkezésre álló kálium	AK	Ammónium-acetátos extrakciós módszer
Talaj szervesanyag	SOM	Kálium-dikromát oxidációs módszer

1.3 LC–MS nem célzott metabolizmus és adat-előfeldolgozás

A gyökérváladékmintákat ultra-nagy teljesítményű folyadékkromatográfiás-nagyfelbontású tömegspektrometriával (UHPLC-HRMS) elemeztük pozitív és negatív elektrospray ionizációs módban egyaránt. A nyers adatokat csúcskivonásnak, retenciós idő korrekciónak, csúcs-illesztésnek, hiányzó érték kezelésnek és normalizálásnak vetettük alá a downstream elemzések előtt.

Minőség-ellenőrzési mintákat és vakkontrollokat használtunk a háttérinterferencia csúcsok és a gyenge reprodukálhatóságú jellemzők eltávolítására az adatok stabilitásának és összehasonlíthatóságának javítása érdekében. A metabolitok azonosítása és annotálása főként pontos tömegen, retenciós időn és MS/MS fragmentációs mintákon alapult, a HMDB-hez, METLIN-hez, MassBank-hoz illesztettük, és a KEGG-hez térképezték fel az útvonal elemzéséhez. Az annotáció eredményeit a megfelelő megbízhatóság alapján szűrtük, és elvégeztük a kémiai osztályok kategorizálását és az útvonalszintű összegzést.

1.4 CistancheMagcsírázási kísérlet

1.4.1 Vetőmag előkezelés

ÖsszegyűjtöttCistancheA magvakat 30 fokon állandó hőmérsékletű inkubátorba helyeztük 1 órára. A maghéjat eltávolítottuk, és a magvakat 2%-os nátrium-hipokloritban 15 percig felületi sterilizáltuk, steril desztillált vízzel háromszor öblítettük, majd steril szűrőpapíron szárítottuk.

1.4.2 Előkísérlet és a csírázást elősegítő alapfeltételek meghatározása

A különböző állománykorú váladékokkal végzett kezelések összehasonlíthatósága érdekében előzetes kísérletet végeztünk a gibberellin és a fluridon hozzáadásának körülményeinek szűrésére. Az előteszt eredményei alapján a jobb csírázási teljesítményt és stabil ismételhetőséget biztosító kombinációt választottuk a csírázást elősegítő alapfeltételnek: 1 ml 1 g·L−1^{-1}−1 gibberellint és 1 ml 10 mg·L−1^{-1}−1 fluridont adtunk hozzá.

1.4.3 Különböző állománykorú gyökérváladékokkal végzett kezelések

Az egységes alapcsírázási feltétel mellett az 1-, 3- és 6-éves saxaul állományokból azonos térfogatú gyökérváladékmintákat adtunk az összehasonlításhoz.Cistanchevetőmag csírázási reakciók. Ez a vizsgálat a különböző állománykorú váladékok kezelési hatásaira összpontosított, és nem tartalmazott váladékkoncentráció gradienst.

Minden kezeléshez 50 db előkezelt magot szűrőpapíros módszerrel Petri-csészékbe helyeztünk, és 25 fokon, sötétben inkubáltuk. A csírázási sebességet 10 nap után rögzítettük. Csírázási kritériumként 1 mm-nél hosszabb gyökér (csíracső) volt. Mindegyik kezelésnek három ismétlése volt.

1.5 Statisztikai elemzés

Az előfeldolgozás és a normalizálás után a metabolomikai adatokat hierarchikus klaszteranalízissel, PCA-val és OPLS-DA-val elemeztük, hogy értékeljük az állományok életkora közötti általános különbségeket. Az eltérő metabolitokat VIP > 1 és P < 0,05 alkalmazásával szűrtük. Venn-diagramokat, vulkándiagramokat, klaszterezett hőtérképeket és KEGG-útvonal-dúsítási elemzéseket használtak a főbb különbségek anyagcsere-jellemzőinek értelmezésére.

Cistanchea magok csírázási arányát egyutas ANOVA-val elemeztük; a post hoc összehasonlításokat Tukey teszttel végeztük. A szignifikancia szintje =0.05\\alpha=0.05 =0.05.

 

2 Eredmények és elemzés

2.1 A talaj fizikai-kémiai jellemzői

A talajfiziko-kémiai mutatók némi eltérést mutattak a különböző állománykorok között, de a változás általános mértéke korlátozott volt (2. táblázat). A talaj minden parcellán lúgos volt, pH-ja 8,35 és 8,83 között volt. Az összes nitrogén, összes foszfor, összes kálium és szerves anyag tartalma általában alacsony volt. A 3 éves standokon viszonylag magasabb volt a TN, TK, SOM és AK; a 6 éves standokon valamivel magasabb volt a TP és az AP; és az 1 éves állományok viszonylag magasabb AN-t tartalmaztak. Összességében a talajháttér némileg ingadozott az állománykorok között, következetes iránytrend nélkül. Ezért a későbbi elemzések elsősorban a gyökér-váladék különbségekre és ezeknek való megfelelésre összpontosítottakCistanchevetőmag csírázási reakciók.

2. táblázat A talaj fizikai-kémiai tulajdonságai

Kezelés	pH	TN (g·kg⁻¹)	TP (g·kg⁻¹)	TK (g·kg⁻¹)	AN (mg·kg⁻¹)	AP (mg·kg⁻¹)	AK (mg·kg⁻¹)	SOM (g·kg⁻¹)
AO	8.83	0.129	0.591	6.76	11.672	7.171	159.783	2.660
AT	8.35	0.165	0.604	10.69	9.114	7.381	377.900	3.186
MINT	8.82	0.101	0.649	7.08	10.697	8.086	185.962	2.547

Megjegyzések:AO=1-évi állás; AT=3-év stand; AS=6-évi állás.

 

2.2 Különböző állománykorúak gyökérváladékainak hatásaiCistancheVetőmag csírázása

Cistanchea magok csírázási aránya szignifikánsan különbözött a különböző állománykorú gyökérváladékokkal végzett kezelések között (1. ábra). A 3 éves állományváladékkezelés (AT) produkálta a legmagasabb csírázási arányt, 84,66% ± 1,15%. Az 1 éves (AO) és a 6 éves (AS) kezelés 80,89% ± 2,04%, illetve 80,67% ± 0,67% hozamot eredményezett. Az egyutas ANOVA szignifikáns különbséget mutatott a kezelések között (P=0.022). Tukey post hoc tesztje azt mutatta, hogy az AT szignifikánsan magasabb volt, mint az AO (P=0.038) és az AS (P=0.030), míg az AO és az AS nem különbözött szignifikánsan (P=0.980).

ábra

 

Ezek az eredmények azt sugallják, hogy a tavaszi ablakidőszakban a különböző állománykorúak gyökérváladékai egyértelmű különbségeket mutatnakCistanchemagvak csírázási reakciói, és a 3 éves állományokból származó váladékok erősebb csírázást elősegítő potenciált mutatnak. E különbségek további magyarázata érdekében a következőkben elemeztük az általános metabolit-profil elválasztást és az eltérő metabolikus jellemzőket.

2.3 A gyökérváladékok általános különbségei az állományok korszakaiban

2.3.1 A gyökérváladék anyagcsereprofilok általános elkülönítése

A gyökérváladékok metabolikus profilja egyértelműen elkülönült az egyes állományok korában. A globális hőtérkép (2. ábra) azt mutatta, hogy az azonos állománykorú minták többsége ugyanazon az ágon csoportosult, ami jó csoporton belüli konzisztenciát jelez. A különböző állománykorúakból származó minták viszonylag egyértelmű csoportosítási mintákat mutattak, ami arra utal, hogy a váladék összetétele az állomány korával újrarendeződött.

A PCA eredmények (3. ábra) azt mutatták, hogy az első két fő komponens magyarázza a teljes variancia 46,5%-át; A PC1 és a PC2 32,1%-ot, illetve 14,4%-ot magyarázott. A különböző állománykorú minták megkülönböztethető eloszlást mutattak az ordinációs térben. Konkrétan, az 1 éves minták általános eloszlási tendenciát mutattak, amely eltér a 3 és 6 éves mintáktól, ami szerkezeti differenciálódást jelez a váladék összetételében az állomány korától függően. Bár némi csoporton belüli változékonyság megmaradt, az állománykorhoz kapcsolódó szeparációs tendencia egyértelmű volt.

 

2.3.2 Csoportok közötti diszkrimináció

Az állományok életkora közötti különbségek további összehasonlítása érdekében páronkénti összehasonlításokat (AO vs. AT, AO vs. AS, AT vs. AS) végeztünk negatív ionmódusú adatok alapján (4. ábra). Mindhárom összehasonlítás egyértelmű elkülönülést és a biológiai ismétlődések jó klaszterezését mutatta, ami stabil metabolikus különbségeket mutatott az állományok életkora között.

Minden OPLS-DA modell jó illeszkedést és prediktív teljesítményt mutatott, az R2Y=0.998–1,000 és a Q2=0.663–0,873, ami a gyökérváladék minták erőteljes megkülönböztetését jelzi az állományok életkora között. Az elkülönülés az AS és az AO között volt a legkifejezettebb, ami a legnagyobb általános összetételbeli különbségre utal az 1 és 6 éves állományváladékok között. Az AT is stabil elkülönülést mutatott az AO-tól és az AS-től, ami azt jelzi, hogy a 3 éves váladékok már külön stádium-specifikus jellemzőkkel rendelkeznek. Összességében a gyökér-exudátum metabolitprofilok nagymértékben megkülönböztethetők voltak az állományok korában, ami alátámasztja a differenciál metabolitok és a csírázási különbségekhez való kapcsolódásuk elemzését.

. 3 ábra Főkomponens-elemzés

. 4 ábra A különböző korú Haloxylon ammodendron gyökérváladékainak OPLS-DA pontszámainak páronkénti összehasonlítása

 

2.4 A szaxaul gyökér váladékok főbb különbségi metabolikus jellemzői

2.4.1 Különböző metabolitok és megosztott szolgáltatások száma

Mindegyik páronkénti összehasonlítás az állományok korai között bizonyos számú eltérő metabolitot tartalmazott (5. ábra). A legnagyobb szám az AT és az AO esetében fordult elő, 31 különböző metabolittal. Az AS vs. AO és AS vs. AT 24, illetve 18 eltérő metabolitot tartalmazott, ami azt jelzi, hogy a 3 éves és 1 éves váladékok közötti különbségek a legkifejezettebbek.

Hét különböző metabolitot osztottak meg mindhárom összehasonlítás során, ami azt jelzi, hogy a metabolitok viszonylag stabil halmaza reagált az állapotváltozásokra. Eközben minden összehasonlítás megtartott néhány egyedi, eltérő metabolitot, ami a váladékváltozás egyértelmű szakasz-specifikus jellemzőit tükrözi. Összességében az állapotbeli különbségek nem csak a metabolitszámban fejeződtek ki, hanem egy olyan szerkezetben is, ahol a megosztott és a stádium-specifikus differenciált metabolitok együtt léteztek.

 

ábra

 

2.4.2 A differenciális metabolitok változási mintái

A vulkánok és a csoportosított hőtérképek a gyökérváladékok változásának moduláris mintázatát mutatták az állományok korszakaiban. Mindhárom összehasonlításban (6. ábra) jelentős metabolitok oszlottak meg a vulkánparcellák mindkét oldalán, ami mind a felfelé, mind a lefelé szabályozott metabolitokra utal az állományok korában. Sok szignifikáns jellemző nagy hajtásváltozást és erős jelentőséget mutatott, ami arra utal, hogy a csoportok szétválását inkább koncentrált metabolikus eltolódások együttesen vezérelték, nem pedig elszórt egyéni variációk.

A metabolitok annotációi alapján a fő különbségek a cukrokban, a B6-vitaminnal rokon molekulákban, a flavonoidokban/fenolokban és a lipidekkel rokon molekulákban összpontosultak. A reprezentatív eltérő metabolitok közé tartozik a szacharóz, az izopiridoxál, a linolenát (18:3), a PA 40:7, a metil-gibberellin A9 és a szekologanin.

Az AT vs. AO tartalmazta a legtöbb eltérő metabolitot, ami erősebb kémiai kibocsátás eltolódásra utal 1 évesről 3 évesre. Az AT és az AS közötti különbségek is stabilak voltak, ami azt jelzi, hogy a 3 éves szakasz nem egyszerűen lineáris átmenet az 1 éves és a 6 éves állományok között, hanem eltérő szakasz-specifikus jellemzőkkel rendelkezik. Összességében az állományok életkora közötti különbségek elsősorban a fenti metabolitkategóriák közötti koordinált változásokat tükrözték, nem pedig az egyes metabolitok izolált ingadozásait.

 

ábra

 

A reprezentatív differenciális metabolitok hőtérképe (7. ábra) továbbá a biológiai ismétlődések jó klaszterezését és az állománykorok közötti egyértelmű elkülönülést mutatta, jelezve, hogy az állománykorbeli különbségek közvetlenül tükröződnek a differenciális metabolit profilokban. A 3 éves csoport (AT) részleges hasonlóságot mutatott az AO-val vagy az AS-vel a különböző metabolitmodulokban, de megtartotta saját jellegzetességeit. Egyes metabolitok az AT-ben tetőztek, míg az AO-ban és az AS-ben alacsonyabbak maradtak; mások alacsonyabbak voltak az AT-ben, de magasabbak az AO-ban vagy az AS-ben. Így a 3 éves szakasz nem egyszerű monoton növekedési/csökkenési mintát követett, hanem egyértelmű szakasz-specifikus átszervezést. Nevezetesen a B6-vitaminnal rokon molekulák (pl. izopiridoxál, piridoxát), flavonoidok/fenolok (pl. kvercetin, izokvercitrin, skopolin) és lipidekkel rokon molekulák (pl. linolenát 18:3, PA 40:7, FA 18:1) a korosztályos minták konzisztens mintázatát mutatták;O2; elemzések.

. 7. ábra A reprezentatív differenciális metabolitok hierarchikus klaszterező hőtérképe

 

2.4.3 Az érintett főbb metabolikus útvonalak

A KEGG-útvonal elemzése azt mutatta, hogy a szászgyökér-váladékban az állással összefüggő különbségek elsősorban a lipid-anyagcserét, a vitamin/kofaktor-anyagcserét és a flavonoidokkal kapcsolatos másodlagos metabolizmust foglalják magukban (8. ábra). Az alfa-linolénsav metabolizmus viszonylag magas útvonal-impakt faktorral jelent meg, ami a lipidekkel kapcsolatos kiemelkedő útvonalat képviseli az állapotkülönbségek mellett. A B6-vitamin metabolizmusa is nagy jelentőséggel bírt, ami jelentős változásokra utal a kofaktorral kapcsolatos és a redox-homeosztázishoz kapcsolódó kis molekulákban.

A másodlagos metabolizmusban a flavonoid bioszintézis, a flavon és flavonol bioszintézis, valamint a flavonoidok lebomlása mind feldúsult, ami azt jelzi, hogy a fenol-flavonoid modul az állókor változásának fő iránya. Ezenkívül az aromás vegyületek útvonalai, mint például a benzoát lebomlása, bizonyos válaszokat mutattak. Összességében a szászfű gyökérváladékában az életkortól függő különbségek főként a lipid-anyagcsere, a B6-vitamin-anyagcsere és a flavonoid/fenol másodlagos metabolizmusa köré épültek.

2.5 A csírázási fenotípusok alapján szűrt reprezentatív differenciális metabolitok

A váladékkülönbségek közötti összefüggések további tisztázása ésCistancheA csírázási fenotípusokat, a differenciális metabolitokat a csírázási sebesség mintázatokkal integráltuk. A csírázási vizsgálatok azt mutatták, hogy az AT kezelésnél volt a legmagasabb a csírázási arány, míg az AO és az AS alacsonyabb volt, és nem különböztek szignifikánsan. Ez a mintázat azt sugallja, hogy a 3 éves szaxaul váladékok tartalmazhatnak a promóció szempontjából kedvezőbb kémiai összetevőketCistanchemagok csírázása.

E fenotípus alapján előnyben részesítettük azokat a metabolitokat, amelyek (i) mind az AT vs. AO, mind az AT vs. AS összehasonlításban megjelentek, és (ii) a magasabb csírázással összhangban lévő változási tendenciákat mutattak (3. táblázat). Ezek a jelölt különbségi jellemzők főként a cukrokban, a lipidekkel rokon molekulákban, a B6-vitaminnal rokon molekulákban és a flavonoidokban/fenolokban koncentrálódtak, és összefüggésben voltak az alfa-linolénsav-anyagcserével, a B6-vitamin-anyagcserével és a flavonoidokkal kapcsolatos folyamatokkal. Ezek az eredmények egyértelmű kategóriacsoportosulást jeleznek a magasabb csírázással összhangban lévő jelölt metabolikus jellemzők között, ami arra utal, hogy ezek a metabolitok vagy a kapcsolódó útvonalak hozzájárulhatnak a csírázási fenotípushoz.

Ábra. 8 Az anyagcsere-útvonalat befolyásoló tényezők buborékdiagramja

 

 

Tab. 3 A különböző korú Haloxylon ammodendron állományokból származó gyökérváladékok különböző jellemzői és a Cistanche deserticola magcsírázása közötti összefüggés

Összehasonlító csoport	Csírázási válasz típusa	Fő különbségi kategóriák	Különbség jellemzők	Reprezentatív differenciális metabolitok
AT vs AO	Csírázási arány beAT magasabbanmintAO	Cukorok, B6-vitaminhoz kapcsolódó, flavonoidok/fenolsavak, lipidek	Jelentős moduláris átszervezésváladékokban at3 évesálló kor	szacharóz; izopiridoxál; piridoxát; kvercetin; izokvercitrin; Linolénát (18:3)
AS vs AT	Csírázási arány beAS alacsonyabbmintAT	Cukrok, flavonoidok, gibberellinek	közötti különbségtétel6 évesés3 évesáll ajelzésésmásodlagos anyagcsereszinteket	szacharóz; izokvercitrin; Metil-gibberellin A9
AS vs AO	Csírázási arány különbségnem jelentős	B6-vitaminnal kapcsolatos, lipidek	Nagy metabolikus különbségekközött1 évesés6 évesáll, denincs jelentős csírázási különbség	Izopiridoxál stb.

3 Vita

3.1. Az állandó kor előmozdítja a szaxaul gyökérváladékok kémiai differenciálódását

A növényi gyökérváladékok nem statikusak; dinamikusan alkalmazkodnak a fejlődési szakaszhoz, az erőforrás-allokációhoz és a rizoszféra környezeti változásaihoz. McLaughlin és mtsai. [22] kimutatta, hogy a gyökérváladékok jelentősen változnak növényfajonként és időskálánként, ami erős térbeli és időbeli dinamikát jelez. Chen et al. [23] továbbá arról számolt be, hogy a fa kora és az évszak is jelentősen megváltoztatja a gyökérkiválasztási stratégiákat és a metabolitok összetételét a kínai fenyőültetvényekben, ami egyértelmű életkori különbségeket mutat a metabolikus teljesítményben. Ezek a tanulmányok alátámasztják a gyökérváladék kémia fejlődési szakasz-vezérelt differenciálódásának fiziológiai-ökológiai alapját.

Ebben a vizsgálatban a szaxaul gyökér váladékai egyértelmű különbséget mutattak az állományok életkora között a teljes metabolit-profil szintjén. A hőtérképes klaszterezés, a PCA és az OPLS-DA stabil elkülönülést mutatott az állományok életkora között, ami azt jelzi, hogy az állomány kora elősegítheti a szaxaul gyökér váladékainak szakasz-specifikus kémiai átrendeződését. Ez megegyezik a meglévő ismeretekkel, miszerint a növény növekedési szakasza befolyásolja a váladék összetételét, és arra utal, hogy a Saxaul–Cistanche gazdarendszerben az állománykor változása fontos ökológiai tényező lehet, amely a gyökéreredetű jelek hátterét alakítja.

Ezen túlmenően az állományváltozások nemcsak a gazdaszervezet fejlődési szakaszának, hanem a rizoszféra környezeti hátterének eltolódásainak is megfelelnek. A talaj tápanyagszintje, pH-ja, szervesanyag-tartalma és sótartalma befolyásolhatja a növények tápanyagfelvételét, a szén-allokációs mintázatokat és a rizoszféra stabilitását, ezáltal tovább szabályozva a gyökérváladék összetételét és kibocsátási folyamatait.

3.2 A 3 éves Saxaulból származó váladékok magasabbakCistancheA vetőmag csírázási aránya

A parazita növények magcsírázása nagymértékben függ a gazdaszervezetből származó kémiai jelektől. Nelson [16] megjegyezte, hogy az Orobanchaceae gyökérparazita növényei jellemzően a gazda gyökér által kibocsátott szignálmolekulákra támaszkodnak a gazdaszervezet jelenlétének kimutatására és a csírázás elindítására; az ilyen „gazdaszervezet által kiváltott csírázás” kulcsfontosságú adaptációs mechanizmus.

Ebben a tanulmánybanCistancheA mag csírázási aránya a 3 éves saxaul exudátum kezelés alatt volt a legmagasabb, szignifikánsan magasabb, mint az 1 éves és a 6 éves váladékkal végzett kezeléseknél, míg az 1 és a 6 éves kezelések között nem volt szignifikáns különbség. Ez azt jelzi, hogy a különböző állóképes gazdaszervezetek valószínűleg nemcsak különböző mennyiségű váladékot biztosítanak, hanem kémiailag eltérő csírázást elősegítő hátteret is. Az a tény, hogy az AT és az AO volt a legtöbb differenciált metabolitja, arra utal, hogy az 1 évesről 3 évesre való kémiai átrendeződés volt a legnagyobb, összhangban a magasabb csírázás irányával.

Ez a minta összefügghet a szaxaul és a megfelelő erőforrás-elosztási stratégiák növekedési szakaszbeli különbségeivel. Az egyéves saxaul a korai telepítési szakaszban van, ahol a növények nem stabilizálódnak teljesen, a gyökérrendszer és az erőforrások beszerzése viszonylag korlátozott, és az anyagcsere-kimenetek inkább az önnövekedés fenntartására összpontosíthatnak. A hatéves saxaul egy viszonylag érett szakaszban van, ahol az erőforrások elosztása a karbantartás, a szerkezeti stabilitás és a környezeti alkalmazkodás irányába tolható el, ami stabilabb exudációs stratégiákat eredményezhet. Ezzel szemben a 3 éves saxaul általában erőteljes növekedési stádiumban van, aktívabb gyökértágulással, tápanyagfelvétellel és föld alatti anyagcserével, így nagyobb valószínűséggel hoz létre gazdagabb és változatosabb gyökérváladék profilt. Ezen az alapon a 3 éves kezelés során tapasztalt kifejezett metabolit-újrarendeződés és magasabb csírázási arány kedvezőbb rizoszféra jelkörnyezetet tükrözhet a beinduláshoz.Cistanchevetőmag csírázása a tavaszi ablak időszakában.

3.3 A csírázási reakciókkal összhangban lévő főbb differenciális metabolikus jellemzők

A metabolomika hatékonyan feltárja az összetett minták metabolitprofil változásait. Az útvonal-dúsítási elemzéssel integrálva lehetővé teszi a fő változási irányok rendszerszintű azonosítását. Korábbi tanulmányok [31–33] azt sugallják, hogy a metabolomikai eredmények kombinálása funkcionális fenotípusokkal, például magcsírázással segít megcélozni a jelölt metabolitokat vagy a fenotípusos változásokkal összhangban lévő útvonalakat. A gyökérváladékok esetében a „fenotípus-első, metabolit-követő” stratégia különösen hasznos a specifikus biológiai hatásokhoz kapcsolódó metabolikus jellemzők azonosítására.

Ebben a tanulmányban a fenotípus-vezérelt szűrés azt mutatta, hogy a 3 éves kezelés során tapasztalt magasabb csírázási aránynak megfelelő reprezentatív különbségi jellemzők főként a cukrokban, a B6-vitaminnal rokon molekulákban, a flavonoidokban/fenolokban és a lipidekkel rokon molekulákban koncentrálódtak, beleértve az alfa-linolénsav-anyagcserét, a B6-vitamin-anyagcserét és a flavonoidokhoz kapcsolódó útvonalakat. Mechanikailag a cukrok tükrözhetik a rizoszféra szénellátásában és elosztásában bekövetkezett változásokat; a lipidekkel rokon molekulák kapcsolódhatnak a membrán lipid-átalakításához és a stressz-jel szabályozáshoz; a flavonoidok/fenolok részt vehetnek a gazda-parazita felismerésben és a rizoszféra jelátvitelében; a B6-vitaminnal rokon molekulák pedig a metabolikus homeosztázishoz és a stressz puffereléséhez köthetők. Ezek a metabolikus kategóriák összehangolt változásokat mutattak az AT csoportban.

CistancheA kapcsolódó kutatások azt mutatják, hogy a gazdaszervezetből származó fenolsavak befolyásolhatják az indukciós folyamatokat, és a gazdagyökerekben lévő fenolos/aromás másodlagos metabolitok szerepet játszhatnak a parazita válaszokban [14]. Bár a jelen tanulmány nem tudja közvetlenül igazolni, hogy egyetlen metabolit a döntő tényező a fokozott csírázásban, a 3 éves csoportban megfigyelt kategóriacsoportos változások arra utalnak, hogy a csírázást elősegítő előny nagyobb valószínűséggel több, összetett kémiai hátteret alkotó metabolitosztály összehangolt átszervezéséből fakad, nem pedig egyetlen molekula véletlen növekedéséből.

3.4 Gyakorlati vonatkozások és tanulmányi korlátok

A termelési gyakorlat szempontjából az eredmények azt sugallják, hogy a tavaszi ablakidőszakban a 3 éves szaxaul jobb potenciállal rendelkezikCistancheoltás, amely referenciaként szolgál az erdő alatti gazdanövények állományának kiválasztásáhozCistanchea termesztés és a technikai fejlesztés lehetséges irányai az oltás sikerességének javítása érdekében.

Ez a tanulmány azonban egyetlen tavaszi mintavételen alapul, és a következtetések főként a tavaszi időszakban fennálló kapcsolatokat tükrözik; az egész évre való közvetlen extrapoláció még nem támogatott. Ezen túlmenően, a talajháttér szerepe a váladék metabolit jellemzőinek kialakításában továbbra is nagymértékben következtethető, és korrelációs elemzésekkel, ellenőrzött kísérletekkel vagy multi-omika megközelítésekkel tovább kell validálni. A nem célzott metabolomikának is vannak olyan korlátai, mint például az izomer-interferencia és bizonyos metabolitok korlátozott azonosítási megbízhatósága. Ezért a lipidekkel kapcsolatos, a B6-vitaminnal kapcsolatos és a flavonoid/fenol molekulákat kell jelölt irányoknak tekinteni, nem pedig teljesen megerősített kulcsfontosságú indukciós tényezőket. Végül a gyakorlati oltási eredményeket számos tényező befolyásolja, beleértve a paraziták megtelepedését, a haustóriumok kialakulását, a későbbi növekedést, a szántóföldi víz-só viszonyokat és a kezelési gyakorlatokat. További munkára van szükség a szabadföldi oltási kísérletek, a parazitizmus megállapításának felmérései és a kulcsfontosságú jelölt metabolitok célzott validálása kombinálásával a valós termelésbe való átültetés megerősítése érdekében.

 

4 Következtetések

A szárgyökér-váladék összetételének kémiai átrendeződése az állományok korai között egyértelműen megfelelt a különbségeknekCistanchemagcsírázási válaszok, kiemelve a gazdaszervezet fejlődési szakaszának fontosságát a parazita magcsírázási fenotípusok szabályozásában. Áprilisban a gyökérváladék metabolikus profilja jelentősen eltért az egyes állományok korában. A 3 éves szaxaul váladékok mutatták a legkifejezettebb különbségeket, és megfeleltek a legmagasabbnak.Cistanchevetőmag csírázási aránya. A magasabb csírázással összeegyeztethető jellemző különbségek főként a cukrokban, a B6-vitaminnal rokon molekulákban, a flavonoidokban/fenolokban és a lipidekkel rokon molekulákban koncentrálódtak, beleértve az alfa-linolénsav-anyagcserét, a B6-vitamin-anyagcserét és a flavonoidokkal kapcsolatos folyamatokat. A kiállás–váladék–csírázás kapcsolat nem követett egyszerű lineáris fokozódást; a közepes állománykor nagyobb valószínűséggel alakított ki kémiai hátteret, amely megfelel a magasabb csírázási válasznak.

 

Szerzői hozzájárulások

Zhao Zhen: koncepcióalkotás, módszertan, vizsgálat, adatkezelés, adatelemzés, vázlatkészítés, vizualizáció.
Fan Jinglong: módszertan, áttekintés és szerkesztés, vizualizáció, felügyelet, projekt adminisztráció, finanszírozás beszerzése.
Dong Weikang: nyomozás, adatgyűjtés.
Zhou Zhibin: források, felügyelet, finanszírozás megszerzése.
Li Bingwen, Wang Shijie: módszertan, források, felügyelet, finanszírozás megszerzése.