A Multi-OmicApproach to Reveal the Effect of Low-Level Gamma Radiation on Rice Seeds

Význam tématu

Studium vlivu nízkodávkového záření na semena rýže je zásadní pro pochopení genetických a metabolických obranných mechanismů rostlin vystavených dlouhodobé kontaminaci půdy. Identifikace takových odpovědí pomáhá vyvíjet biomarkery pro sledování environmentálního zatížení radionuklidy a optimalizovat zemědělské postupy na postižených lokalitách.

Cíle a přehled studie

Tato práce využívá integrovaný multi-omický přístup k analýze semínek pěstovaných na půdě kontaminované nízkodávkovým gama zářením v oblasti Iitate ve Fukušimě. Hlavním cílem bylo simultánně zkoumat změny v transkriptomu a metabolomu za účelem odhalení klíčových genů a metabolických drah zapojených do reakce na záření.

Použitá metodika a instrumentace

Pro analýzu transkriptomu a metabolomu byly aplikovány následující kroky:

• Extrahování RNA a mikroarray analýza na platformě Agilent rice 4×44 k microarrays; RNA QC prováděný na Agilent 2100 Bioanalyzeru.
• Potvrzení vybraných genů pomocí jednokrokové qRT-PCR na Agilent Real-time PCR System.
• Metabolitická extrakce biphasickou metodou (chloroform-methanol-voda) a derivatizace pro GC/Q-TOF.
• GC/Q-TOF analýza na Agilent 7200 Series se standardem Fiehn GC/MS Metabolomics Kit.
• LC/Q-TOF analýza organických a vodných frakcí na Agilent 1290 Infinity LC System s 6550 Q-TOF detektorem.
• Datová zpracování v softwarech MassHunter Unknown Analysis (verze B.07.00), Agilent GeneSpring/MPP 13.1 a Pathway Architect.

Hlavní výsledky a diskuse

Analýza odhalila 2 331 diferenciálně exprimovaných genů a 383 metabolitů s významnými změnami (p < 0,05; fold change > 2). Integrace dat poukázala na překryvy v drahách:

• Fenylpropanoidová biosyntéza a metabolismy aminokyselin (fenylalanin, tyrosin, tryptofan).
• Metabolismus mastných kyselin a energie.
• Glutathionový a peroxisomální metabolismus spojený s ochranou proti oxidačnímu stresu.
• Produkce sekundárních metabolitů zapojených do buněčné obrany a stavby buněčné stěny.

Zvýšená exprese genů kódujících peroxidázy a chorismate mutázy odpovídala vyšší akumulaci antioxidantů a fenolických sloučenin. Naproti tomu pokles koncentrací některých aminokyselin (L-arginin, L-methionin) odrážel přesměrování uhlíku do stresových drah.

Přínosy a praktické využití metody

Integrovaný multi-omický postup nabízí komplexní pohled na reakce rostlin na nízkodávkové záření. Identifikované geny a metabolity lze využít jako radio-markery pro rychlou detekci environmentálního zatížení. Metoda je aplikovatelná v QA/QC laboratořích, bioremediaci a zemědělském výzkumu kontaminovaných oblastí.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření na další plodiny a stresory (chemické, tepelné).
• Implementace pokročilých bioinformatických nástrojů pro strojové učení a prediktivní modelování odpovědí rostlin.
• Vývoj rychlých testů in situ založených na klíčových biomarkerech.
• Širší spolupráce mezinárodních sítí pro monitoring radioaktivní kontaminace.

Závěr

Studie předkládá první komplexní multi-omickou charakterizaci semínek rýže vystavených nízkodávkovému gama záření. Kombinace genomických a metabolomických dat zdůraznila koordinované obranné mechanismy a identifikovala potenciální biomarkery pro environmentální monitoring.

Reference

• Hayashi G.; et al. Unraveling low-level gamma radiation-responsive changes in expression of early and late genes in leaves of rice seedlings at Iitate village, Fukushima. Journal of Heredity, 2014, 105, 723–738.