A Multi-omic Approach to Reveal the Effect of Low-level Gamma Radiation on Rice Seeds

Význam tématu

Studium účinků nízké úrovně gama záření na semena rýže je klíčové pro pochopení mechanismů rostlinné obrany proti radiaci, hodnocení bezpečnosti potravin pěstovaných v kontaminovaných oblastech a vývoj odolnějších odrůd pro zemědělství v postižených regionech.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo identifikovat biomarkery stresové odpovědi v semenech rýže pěstovaných na radionuklidy kontaminované půdě v oblasti Fukushima (Iitate) pomocí integrovaného přístupu multi-omics: transcriptomiky a metabolomiky s využitím řešení Agilent.

Použitá metodika a instrumentace

• Sběr materiálu: semena rýže Oryza sativa L. odrůda Koshihikari z kontaminovaného a kontrolního pole.
• RNA extrakce: CTAB-phenol-chloroform a sloupcový kit; kontrola kvality NanoDrop a Bioanalyzer 2100.
• Microarray: Agilent rice 4×44k, hybridizace, skenování SureScan, Feature Extraction 12.0.
• qRT-PCR: Agilent AriaMx Real-Time PCR System, Brilliant III SYBR Green mix.
• Metabolitová extrakce: biphasní metoda (CHCl₃:MeOH:H₂O 1:2.5:1), separace fází.
• GC/Q-TOF: Agilent 7200, DB-5ms kolona, EI, MassHunter Unknown Analysis B.07.00, Fiehn GC/MS knihovna.
• LC/MS: Agilent 1290 Infinity + 6550 Q-TOF, Profinder B.06.00, MOB positive/negative režim, METLIN identifikace.
• Software pro analýzu a integraci: MassHunter Workstation, Agilent GeneSpring, Mass Profiler Professional (MPP) 13.1, Pathway Architect.

Hlavní výsledky a diskuse

• Transcriptomika: 2 331 diferencovaných genů (1 891 up, 440 down; p≤0,05, FC≥2). Klíčové dráhy: fenylpropanoidní syntéza, metabolism cukrů, syntéza ligninu, hormonální signalizace, obranné proteiny (PR10 ↑8,2×).
• Metabolomika: 383 identifikovaných metabolitů, z toho 50 diferencovaných. Zvýšení prolinu (+17,5×), rafinózy (+24,5×), trehalózy (+26×), linolenové kyseliny (+21,3×) a 12-OPDA (+16×); pokles argininu, serinu, metioninu a dalších.
• Multi-omics integrace: překryv v dráhách purinového, pentózofosfátového, sírového a methioninového metabolismu; koregulace genů a metabolitů pro syntézu nenasycených MK a následnou biosyntézu kutinu/suberinu.
• Koreklační analýzy ukázaly pozitivní vztahy mezi geny buněčné stěny (cellulose syntháza) a sacharidovými metabolity (rafinóza, trehalóza) i mezi geny α-linolenové kyseliny a souvisejícími metabolity.

Přínosy a praktické využití metody

• Komplexní workflow umožňuje rychlou identifikaci stresových markerů v rostlinném materiálu.
• Aplikace v environmentálním monitoringu kontaminace a hodnocení kvality zemědělských produktů.
• Pomoc při vývoji a šlechtění odrůd s vyšší odolností vůči záření a dalším abiotickým stresům.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření multi-omics o proteomiku a epigenomiku pro hlubší porozumění stresové odpovědi.
• Nasazení širokopásmového polního testování a senzorové technologie pro rychlou detekci radiace.
• Integrace dat s pokročilými modely strojového učení pro predikci odolnosti rostlin.

Závěr

Agilent multi-omics přístup odhalil koordinovanou síť transkripčních a metabolických změn, které umožňují semínkům rýže zvýšenou obranyschopnost vůči nízkým dávkám gamma záření. Identifikované biomarkery a validované dráhy poskytují základ pro další aplikace v environmentální analytice a rostlinné šlechtění.

Použitá instrumentace

• Agilent 2100 Bioanalyzer
• Agilent SureScan mikroarray scanner
• Agilent AriaMx Real-Time PCR System
• Agilent 7200 GC/Q-TOF
• Agilent 1290 Infinity LC a 6550 Q-TOF
• Software: MassHunter, GeneSpring, Mass Profiler Professional 13.1

Reference

• Hayashi G., Shibato J., Kubo A., Imanaka T., Agrawal G.K., Shioda S., Fukumoto M., Oros G., Rakwal R. 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.
• Palazoglu M., Fiehn O. Metabolite identification in blood plasma using GC/MS and the Agilent Fiehn GC/MS Metabolomics RTL Library. Agilent Technologies Application Note. 2009;5990-3638EN.
• Rakwal R., et al. Ultra low-dose radiation: stress responses and impacts using rice as a grass model. International Journal of Molecular Sciences. 2009;10(3):1215–1225.
• Brauns F.E., Brauns D.A. The chemistry of lignin: Covering the literature for the years 1949–1958. Academic Press. 1960:564.
• Neelam D., et al. Radiation Sensitivity of Cajanus cajan to gamma radiations. Journal of Food Processing & Technology. 2014;5:394.