Исследование метаболизма ксенобиотиков в листьях Salix alba с помощью масс-спектрометрии
Summary
Этот метод использует масс-спектрометрическую визуализацию (MSI) для понимания метаболических процессов в листьях S. alba при воздействии ксенобиотиков. Метод позволяет пространственно локализовать интересующих соединений и их прогнозируемые метаболиты в пределах специфических, интактных тканей.
Abstract
Представленный способ использует масс-спектрометрическую визуализацию (MSI) для установления метаболического профиля листьев S. alba при воздействии ксенобиотиков. Используя нецелевой подход, растительные метаболиты и ксенобиотики, представляющие интерес, идентифицируются и локализуются в тканях растений для выявления конкретных моделей распределения. Затем in silico выполняется прогнозирование потенциальных метаболитов (т.е. катаболитов и конъюгатов) из идентифицированных ксенобиотиков. Когда ксенобиотический метаболит находится в ткани, регистрируется тип фермента, участвующего в его изменении растением. Эти результаты были использованы для описания различных типов биологических реакций, происходящих в листьях S. alba в ответ на накопление ксенобиотиков в листьях. Метаболиты были предсказано в двух поколениях, что позволило документировать последовательные биологические реакции для преобразования ксенобиотиков в тканях листьев.
Introduction
Ксенобиотики широко распространены по всему миру благодаря деятельности человека. Некоторые из этих соединений являются водорастворимыми и поглощаются почвой1,и попадают в пищевую цепь при накоплении в тканях растений2,3,4. Растения поедаются насекомыми и травоядными животными, которые являются добычей других организмов. Прием некоторых ксенобиотиков и их влияние на здоровье растения были описаны5,6,7,8,но только недавно на тканевом уровне9. Поэтому до сих пор неясно, где и как происходит метаболизм ксенобиотиков, или коррелируют ли специфические растительные метаболиты с накоплением ксенобиотиков в конкретных тканях10. Более того, большинство исследований упускают из виду метаболизм ксенобиотиков и их метаболитов в растениях, поэтому мало что известно об этих реакциях в тканях растений.
Предложен способ исследования ферментативных реакций в биологических образцах, которые могут быть связаны с тканевой локализацией субстратов и продуктов реакций. Метод может нарисовать полный метаболический профиль биологического образца в одном эксперименте, так как анализ не является целевым и может быть исследован с использованием пользовательских списков интересующих аналитов. Предоставляется список кандидатов, отслеживаемых в исходном наборе данных. Если в образце отмечен один или несколько интересующих аналитов, конкретная локализация ткани может предоставить важную информацию о связанных биологических процессах. Интересуемые аналиты затем могут быть модифицированы in silico с использованием соответствующих биологических законов для поиска возможных продуктов/метаболитов. Полученный список метаболитов затем используется для анализа исходных данных путем идентификации вовлеченных ферментов и локализации реакций в тканях, тем самым помогая понять происходящие метаболические процессы. Ни один другой метод не предоставляет информацию о типах реакций, происходящих в биологических образцах, локализации интересующих соединений и связанных с ними метаболитах. Этот метод может быть использован на любом типе биологического материала, как только свежие и неповрежденные ткани доступны, а представляющие интерес соединения могут быть ионизированы. Предлагаемый протокол был опубликован в Villette et al.12 и подробно описан здесь для использования научным сообществом.
Protocol
Representative Results
Discussion
Важнейшей частью этого протокола является пробоподготовка: образец должен быть мягким и неповрежденным. Резка является наиболее сложной частью, так как температура и толщина образца могут варьироваться в зависимости от типа исследуемого образца. Ткани животных обычно однородны и их ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Шарля Пино, Мелани Лагарриг и Режиса Лавиня за их советы и рекомендации по подготовке образцов для визуализации образцов растений MALDI.
Materials
| Cover slips | Bruker Daltonics | 267942 | |
| Cryomicrotome | Thermo Scientific | ||
| Excel | Microsoft corporation | ||
| flexImaging | Bruker Daltonics | ||
| ftmsControl | Bruker Daltonics | ||
| GTX primescan | GX Microscopes | ||
| HCCA MALDI matrix | Bruker Daltonics | 8201344 | |
| ImagePrep | Bruker Daltonics | ||
| ITO-coated slides | Bruker Daltonics | 237001 | |
| M1-embedding matrix | ThermoScientific | 1310 | |
| Metabolite Predict | Bruker Daltonics | ||
| Metaboscape | Bruker Daltonics | ||
| Methanol | Fisher Chemicals | No specific reference needed | |
| MX 35 Ultra blades | Thermo Scientific | 15835682 | |
| Plastic molds | No specific reference needed | ||
| SCiLS Lab | Bruker Daltonics | ||
| SolariX XR 7Tesla | Bruker Daltonics | The method proposed is not limited to this instrument | |
| Spray sheets for ImagePrep | Bruker Daltonics | 8261614 | |
| TFA | Sigma Aldrich | No specific reference needed |
References
- Zhang, D., Gersberg, R. M., Ng, W. J., Tan, S. K. Removal of pharmaceuticals and personal care products in aquatic plant-based systems: A review. Environmental Pollution. 184, 620-639 (2014).
- Adeel, M., Song, X., Wang, Y., Francis, D., Yang, Y. Environmental impact of estrogens on human, animal and plant life: A critical review. Environment International. 99, 107-119 (2017).
- Prosser, R. S., Sibley, P. K. Human health risk assessment of pharmaceuticals and personal care products in plant tissue due to biosolids and manure amendments, and wastewater irrigation. Environment International. 75, 223-233 (2015).
- Wang, J., et al. Application of biochar to soils may result in plant contamination and human cancer risk due to exposure of polycyclic aromatic hydrocarbons. Environment International. 121, 169-177 (2018).
- Marsik, P., et al. Metabolism of ibuprofen in higher plants: A model Arabidopsis thaliana cell suspension culture system. Environmental Pollution. 220, 383-392 (2017).
- He, Y., et al. Metabolism of ibuprofen by Phragmites australis: uptake and phytodegradation. Environmental Science and Technology. 51 (8), 4576-4584 (2017).
- Huber, C., Bartha, B., Harpaintner, R., Schröder, P. Metabolism of acetaminophen (paracetamol) in plants-two independent pathways result in the formation of a glutathione and a glucose conjugate. Environmental Science and Pollution Research. 16 (2), 206-213 (2009).
- Thomas, F., Cébron, A. Short-term rhizosphere effect on available carbon sources, phenanthrene degradation, and active microbiome in an aged-contaminated industrial soil. Frontiers in Microbiology. 7, 1-15 (2016).
- Villette, C., et al. In situ localization of micropollutants and associated stress response in Populus nigra leaves. Environment International. 126, 523-532 (2019).
- Sandermann, H. Plant metabolism of organic xenobiotics. Status and prospects of the ‘Green Liver’ concept. Plant Biotechnology and In Vitro Biology in the 21st Century. , 321-328 (1999).
- Sula, B., Deveci, E., Özevren, H., Ekinci, C., Elbey, B. Immunohistochemical and histopathological changes in the skin of rats after administration of lead acetate. International Journal of Morphology. 34 (3), 918-922 (2016).
- Villette, C., Maurer, L., Wanko, A., Heintz, D. Xenobiotics metabolization in Salix alba leaves uncovered by mass spectrometry imaging. Metabolomics. 15, 122 (2019).
- Khatib-Shahidi, S., Andersson, M., Herman, J. L., Gillespie, T. A., Caprioli, R. M. Direct Molecular Analysis of Whole-Body Animal Tissue Sections by Imaging MALDI Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 78 (18), 6448-6456 (2006).
