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

Význam tématu

Ionizující záření představuje významný environmentální stresor, který při nízkých dávkách ovlivňuje růst a vývoj rostlin. Studium molekulárních odpovědí na nízkou expozici gama záření v semenech rýže je klíčové pro pochopení obranných mechanismů, vývoje rezistentních kultivarů a sledování kontaminace v zemědělských oblastech.

Cíle a přehled studie

Cílem této práce bylo využít integrovaný multi-omický přístup k analýze transkriptomu a metabolomu semen rýže vystavených nízké úrovni gama záření. Studie se zaměřila na identifikaci změn v expresi genů a v metabolických profilech, mapování diferencovaných entit na biologické dráhy a navržení biomarkerů radiační expozice.

Použitá metodika

Výzkum proběhl ve třech hlavních krocích:

• Izolace RNA ze semen rýže a analýza genové exprese pomocí jednobarevné mikroarray Agilent.
• Extrahování metabolitů z poživatelné a organické fáze směsi chloroform–methanol–voda a jejich zpracování derivatizací pro GC/Q-TOF a přímou analýzu pro LC/Q-TOF.
• Statistická analýza diferencovaných genů a metabolitů, validace pomocí qRT-PCR a mapování na metabolické dráhy pomocí softwaru GeneSpring/MPP.

Hlavní výsledky a diskuse

Bylo identifikováno 2331 genů a 383 metabolitů s významně změněnou hladinou v ozařovaných semenech. Kombinovaná analýza ukázala překryvy v regulovaných genech a metabolitech zejména v drahách:

• Produkce sekundárních metabolitů (fenylpropanoidní cestou)
• Metabolismus mastných kyselin
• Antioxidační a obrané mechanismy (glutathion, peroxidázy)
• Stavba buněčné stěny a energie cyklů

HeatStrip analýza zdůraznila konzistentní změny v aminos kyselinách (L-arginin, L-alanin), cukrech (trehalóza, rafinóza) a lipidových složkách (linolenová, stearová kyselina). Výsledky potvrzují koherentní zabudovanou obrannou reakci semen na nízké dávky záření.

Přínosy a praktické využití metody

Integrovaný multi-omický přístup umožňuje:

• Včasnou identifikaci biomarkerů expozice nízkým úrovním záření.
• Vyhodnocení kvality osiva a odolnosti kultivarů v kontaminovaných oblastech.
• Podporu rozhodování v zemědělské praxi a environmentálním monitoringu.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj techniky směřuje k:

• Integraci dalších „omics“ vrstev (proteomika, epigenomika) pro komplexní pohled na stresové odpovědi.
• Využití strojového učení pro predikci radiační toxicity a optimalizaci experimentálních návrhů.
• Miniaturizaci a automatizaci analytických platforem pro terénní monitoring.

Závěr

Studie prokázala, že semená rýže vystavená nízké úrovni gama záření aktivují společné transkripční a metabolické drahy obraných mechanismů. Integrovaná analýza identifikovala klíčové biomarkery, které lze využít v zemědělské praxi i environmentálním dohledu.

Použitá instrumentace

• Agilent 2100 Bioanalyzer a NanoDrop (RNA kvalita)
• Agilent 4×44k mikroarray a SureScan skener s Feature Extraction softwarem
• Agilent 1290 Infinity LC System s 6550 Q-TOF
• Agilent 7200 Series GC/Q-TOF se Fiehn GC/MS library
• Agilent Real-time PCR System pro qRT-PCR validaci

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. J. Hered. 2014, 105, 723–738.