ЛЕСОВЕДЕНИЕ. 2016 №6. С. 457-465


МЕТАБОЛОМИКА ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ


Н. В. Лукина1, М. А. Орлова1, И. В. Перминова2, В. С. Хусаинова1, Д. Н. Воробьева1, Н. А. Артемкина3
1Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН
Россия, 117997, Москва, ул. Профсоюзня, д. 84/32
E-mail: lukina@cepl.rssi.ru
2
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, химический факультет
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, ГСП-1
3
Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН
Россия, 184209, Мурманская обл., г. Апатиты, Академгородок, д. 14а


Поступила в редакцию 19 апреля 2016 г.


Дан литературный обзор, посвященный перспективам развития экометаболомики, направленной на исследование метаболитов и метаболомов компонентов экосистем и их динамики в связи с изменениями окружающей среды. В статье анализируются существующие подходы, методы, современные задачи. Особое внимание уделено характеристике современных методов нетаргетной (нецелевой, или обзорной) метаболомики, таких как спектроскопия ядерного магнитного резонанса и масс-спектрометрия инно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье. Для развития лесной метаболомики наряду с необходимостью решения общих для этой области науки проблем совершенствования инструментального анализа, подходов к обработке и интерпретации данных необходимо решение специфических задач. К ним относится выбор методов отбора образцов и извлечения метаболитов из почвенных экстрактов, почвенных, кроновых и стволовых вод. Очевидно, что исследования метаболома почв и почвенных вод связаны с изучением почвенного органического вещества, гумуса. Экстракты из лесных почв и почвенные воды являются информативной матрицей для характеристики метаболома лесных экосистем в целом, поскольку они отражают многочисленные взаимодействия биотических и абиотических компонентов. В экстрактах из почв и в почвенных водах содержатся метаболиты, поступающие из экссудатов растений, вымываемые из их надземных и подземных частей, образующиеся при переработке подстилки почвенной биотой, т.е. практически все вещества, выделяемые биотой в окружающую среду в ответ на любые воздействия как природного, так и антропогенного характера. Это открывает новые перспективы и дает возможность оценить не только воздействие окружающей среды на лесные экосистемы, но и воздействие лесной биоты на окружающую среду. Для сбора образцов атмосферных выпадений и почвенных вод целесообразно использование сорбционных коллекторов/лизиметров, но в этом случае встает непростой вопрос о выборе сорбента. Необходимы систематические исследования по влиянию выбора сорбентов на молекулярный состав выделяемых веществ. Метаболомика лесных экосистем находится в процессе становления, выделяясь в новое направление науки. Оценки метаболомов лесных экосистем позволят получать новые знания о биогеохимических циклах, почвенных процессах, а также о трофических связях и глобальных изменениях.


Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 16-17-10284).


Ключевые слова: экометаболомика, методы, лесные экосистемы, проблемы, перспективы.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



  1. Варшал Г. М., Велюханова Т. К., Кощеева И. Я. Гуминовые вещества в биосфере. М.: Наука, 1993. 97 с.

  2. Гончаров Н. В., Уколов А. И., Орлова Т. И., Мигаловская Е. Д., Войтенко Н. Г. Метаболомика на пути интеграции биохимии, аналитической химии, информатики // Успехи современной биологии. 2015. Т. 135. № 1. С. 3-17.

  3. Жеребкер А. Я., Перминова И. В., Константинов А. И., Воликов А. Б., Костюкевич Ю. И., Кононихин А. С., Николаев Е. Н. Выделение гуминовых веществ из пресных вод на твердофазных картриджах и их исследование методом масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье // Журнал аналитической химии. 2016. Т. 71. № 4. С. 390-396.

  4. Лебедев А. Т. Масс спектрометрия для анализа объектов окружающей среды. М.: Техносфера, 2013. 632 с.

  5. Лебедев А. Т. Масс-спектрометрия c ионизацией на воздухе // Успехи химии. 2015. Т. 84. Вып. 7. С. 665-692.

  6. Линник П. Н., Васильчук Т. А., Линник Р. П. Гумусовые вещества природных вод и их значение для водных экосистем (обзор) // Гидробиологический журнал. 2004. Т. 40. № 1. С. 81-107.

  7. Орлов Д. С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во Моск. университета, 1990. 325 с.

  8. Перминова И. В. Гуминовые вещества - вызов химикам XXI века // Химия и жизнь. 2008. № 1. С. 26-31.

  9. Славинская Г. В., Кузнецова Н. С., Зеленова Л. А. Удаление органических веществ из природных вод // Теория и практика сорбционных процессов. 1981. № 4. С. 93.

  10. Славинская Г. В., Селеменев В. Ф. Фульвокислоты природных вод. Воронеж: Изд-во Воронеж. университета, 2001. 165 с.

  11. Яшин И. М. Водорастворимые органические вещества почв таежной зоны и их экологические функции. Автореф. дисс. … д-ра биол. наук (03.00.27). М.: Моск. сельхоз академия, 1993. 32 с.

  12. Яшин И. М. Мониторинг процессов миграции и трансформации веществ в почвах. М.: Российский гос. аграрн. университет - Московская сельхоз. академия, 2013. 183 с.

  13. Яшин И. М. Сорбция и десорбция органических веществ почвы активированным углем и “безводной” окисью алюминия // Известия Сельхоз. академии им. К. А. Тимирязева. 1972. Вып. 6. С. 123-129.

  14. Яшин И. М., Петухова А. А., Грачев Д. А. Экологические аспекты глее- и подзолообразования в экосистемах тайги // Известия Сельхоз. академии им. К. А. Тимирязева. 2011. № 5. С. 13-26.

  15. Allwood J. W., Goodacre R. An introduction to liquid chromatography-mass spectrometry instrumentation applied in plant metabolomic analyses // Phytochemical Analysis: PCA. 2009. V. 21. N 1. P. 33-47.

  16. Alvarez-Puebla R.A., Goulet P. J.G., Garrido J. J. Characterization of the porous structure of different humic // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2005. V. 256. P. 129-135.

  17. Bales J. R., Higham D. P., Howe I., Nicholson J. K., Sadler P. J. Use of high-resolution proton nuclear magnetic resonance spectroscopy for rapid multi-component analysis of urine // Clinical chemistry. 1984. V. 30. N 3. P. 426-432.

  18. Burdon J. Are the traditional concepts of the structures of humic substances realistic? // Soil Science. 2001. V. 166. N 11. P. 752-769.

  19. Chapin F. S., Moilanen L., Kielland K. Preferential use of organic nitrogen for growth by a non-mycorrhizal arctic sedge // Nature. 1993. V. 361. P. 150-153.

  20. Cho Y., Ahmed A., Islam A. Kim S. Developments in FT-ICR MS instrumentation, ionization techniques, and data interpretation methods for petroleomics. // Mass Spectrometry Reviews. 2015. V. 34. P. 248-263.

  21. Choi Y., Kim H., Linthorst H., Hollander J., Lefeber A., Erkelens C., Verpoorte R. NMR Metabolomics to Revisit the Tobacco Mosaic Virus Infection in Nicotiana tabacum Leaves // Journal of Natural Products. 2006. V. 69. N 5. P. 742-748.

  22. Chorell E., Moritz T., Branth S., Antti H., Svensson M. B. Predictive metabolomics evaluation of nutrition-modulated metabolic stress responses in human blood serum during the early recovery phase of strenuous physical exercise //Journal of Proteome Research. 2009. V. 8. N 6. P. 2966-2977.

  23. Comisarow M. B., Marshall A. G. Fourier-transform ion-cyclotron resonance spectroscopy // Chemical Physics Letter. 1974. V. 25. P. 282-283.

  24. Davey M. P., Burrell M. M., Woodward F. I., Quick W. P. Population-specific metabolic phenotypes of Arabidopsis lyrata ssp. petraea // New Phytologist. 2008. V. 177. N 2. P. 380-388.

  25. Degen T., Dillmann C., Marion-Poll F., Turlings T. C. High genetic variability of herbivore-induced volatile emission within a broad range of maize inbred lines // Plant Physiology. 2004. V. 135. № 4. P. 1928-1938.

  26. Feng X., Simpson M. J. Molecular-level methods for monitoring soil organic matter responses to global climate change // Journal of Environmental Monitoring. 2011. V. 13. N 5. P. 1246-1254.

  27. Fernie A. R., Trethewey R. N., Krotzky A. J., Willmitzer L. Metabolite profiling: from diagnostics to systems biology // Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2004. V. 5. N 9. P. 763-769.

  28. Fiehn O., Kloska S., Altmann T. Integrated studies on plant biology using multiparallel techniques // Current Opinion in Biotechnology. 2001. V. 12. N 1. P. 82-86.

  29. Fiehn O., Kopka J., Dörmann P., Altmann T., Trethewey R. N., Willmitzer L. Metabolite profiling for plant functional genomics // Nature Biotechnology. 2000. V. 18. N 11. P. 1157-1161.

  30. Forsyth W. G.C. Studies on the more soluble complexes of soil organic matter: 1. A method of fractionation //Biochemical Journal. 1947. V. 41. N 2. P. 176.

  31. Fumagalli E., Baldoni E., Abbruscato P., Piffanelli P., Genga A., Lamanna R., Consonni R. NMR techniques coupled with multivariate statistical analysis: tools to analyse Oryza sativa metabolic content under stress conditions // Journal of Agronomy & Crop Science. 2009. V. 195. N 2. P. 77-88.

  32. Gullberg J., Jonsson P., Nordström A., Sjöström M., Moritz T. Design of experiments: an efficient strategy to identify factors influencing extraction and derivatization of Arabidopsis thaliana samples in metabolomic studies with gas chromatography/mass spectrometry // Analytical Biochemistry. 2004. V. 331. N 2. P. 283-295.

  33. Hernandez-Soriano M.C., Jimenez-Lopez J. C. Metabolomics for Soil Contamination Assessment / Environmental Risk Assessment of Soil Contamination. Dr. Maria C. Hernandez Soriano (Ed.). InTech, 2014. DOI: 10.5772/58294. Available from: <http://www.intechopen.com/books/envi->ronmental-risk-assessment-of-soil contamination/metabolomics-for-soil-contamination-assessment

  34. Hertkorn N., Frommberger M., Witt M., Koch B. P., Schmitt-Kopplin P., Perdue E. M. Natural organic matter and the event horizon of mass spectrometry // Analytical Chemistry. 2008. V. 80. P. 8908-8919.

  35. Hertkorn N., Harir M., Koch B. P., Michalke B., Schmitt-Kopplin P. High-field NMR spectroscopy and FTICR mass spectrometry: powerful discovery tools for the molecular level characterization of marine dissolved organic matter. // Biogeosciences. 2013. V. 10. P. 1583-1624.

  36. Hirai M. Y., Klein M., Fujikawa Y., Yano M., Goodenowe D. B., Yamazaki Y., Sakurai N. Elucidation of gene-to-gene and metabolite-to-gene networks in Arabidopsis by integration of metabolomics and transcriptomics // Journal of Biological Chemistry. 2005. V. 280. N 27. P. 25590-25595.

  37. Hirai M. Y., Yano M., Goodenowe D. B., Kanaya S., Kimura T., Awazuhara M., Saito K. Integration of transcriptomics and metabolomics for understanding of global responses to nutritional stresses in Arabidopsis thaliana // Proceedings of the National academy of Sciences of the United States of America. 2004. V. 101. N 27. P. 10205-10210.

  38. Horning E. C., Horning M. G. Metabolic profiles: chromatographic methods for isolation and characterization of a variety of metabolites in man // Methods in Medical Research. 1970. V. 12. P. 369.

  39. Jones D. L., Darrah P. R. Re-sorption of organic compounds by roots of Zea mays L. and its consequences in the rhizosphere // Plant & Soil. 1993. V. 153. N 1. P. 47-59.

  40. Jones O. A.H., Sdepanian S., Lofts S., Svendsen C., Spurgeon D.J., Maguire M. L., Griffin J. L. Metabolomic analysis of soil communities can be used for pollution assessment // Environmental Toxicology & Chemistry. 2014. V. 33. N 1. P. 61-64.

  41. Lankadurai B. P., Wolfe D. M.,Simpson A. J.,Simpson M.J.

  42. 1 H NMR-based metabolomics of time-dependent responses of Eisenia fetida to sub-lethal phenanthrene exposure // Environmental Pollution. 2011. V. 159. N 10. P. 2845-2851.

  43. Lewis I. A., Schommer S. C., Hodis B., Robb K. A., Tonelli M., Westler W. M., Markley J. L. Method for determining molar concentrations of metabolites in complex solutions from two-dimensional 1H-13C NMR spectra // Analytical Chemistry. 2007. V. 79. N 24. P. 9385-9390.

  44. Llusia J., Penuelas J., Sardans J., Owen S. M., Niinemets U. Measurement of volatile terpene emissions in 70 dominant vascular plant species in Hawaii: aliens emit more than natives // Global Ecology & Biogeography. 2010. V. 19. N 6. P. 863-874.

  45. Marshall A. G., Hendrickson C. L., Jackson G. S. Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Specrometry: A Primer // Mass Spectrometry Reviews. 1998. V. 17. P. 1-35.

  46. McIntyre C., Batts B. D., Jardine D. R. Electrospray mass spectrometry of groundwater organic acids // Journal of Mass Spectrometry. 1997. V. 32. P. 328-330.

  47. Michaud M. R., Delinger D. L. Shifts in the carbohydrate, polyol, and amino acid pools during rapid cold-hardening and diapause-associated cold-hardening in flesh flies (Sarcophaga crassipalpis): a metabolomic comparison // Journal of Comparative Physiology B. 2007. V. 177. N 7. P. 753-763.

  48. Nebbioso A., Piccolo A. Molecular characterization of dissolved organic matter (DOM): a critical review // Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2013. V. 405. N 1. P. 109-124.

  49. Nicholson J. K. O’Flynn M.P., Sadler P. J., Macleod A. F., Juul S. M., Sönksen P. H. Proton-nuclear-magnetic-resonance studies of serum, plasma and urine from fasting normal and diabetic subjects // Biochemistry Journal. 1984. V. 217. P. 365-375.

  50. Oksman-Caldentey K.M., Inzé D. Plant cell factories in the post-genomic era: new ways to produce designer secondary metabolites // Trends in Plant Science. 2004. V. 9. N 9. P. 433-440.

  51. Ozawa R., Shiojiri K., Sabelis M. W., Takabayashi J. Maize plants sprayed with either jasmonic acid or its precursor, methyl linolenate, attract armyworm parasitoids, but the composition of attractants differs // Entomologia Experimentalis et Applicata. 2008. V. 129. N 2. P. 189-199.

  52. Perminova I. V., Dubinenkov I. V., Kononikhin A. S., Konstantinov A. I., Zherebker A. Y., Andzhushev M. A., Lebedev V. A., Bulygina E., Holmes R. M., Kostyukevich Y. I., Popov I. A., Nikolaev E. N. Molecular mapping of sorbent selectivities with respect to isolation of arctic dissolved organic matter as measured by fourier transform mass spectrometry // Environmental Science & Technology. 2014. V. 48. N 13. P. 7461-7468.

  53. Piccolo A. The supramolecular structure of humic substances // Soil Science. 2001. V. 166. N 11. P. 810-832.

  54. Rochfort S. J., Ezernieks V., Yen A. L. NMR-based metabolomics using earthworms as potential indicators for soil health // Metabolomics. 2009. V. 5. N 1. P. 95-107.

  55. Sardans J., Penuelas J., Rivas-Ubach A. Ecological metabolomics: overview of current developments and future challenges // Chemoecology. 2011. V. 21. N 4. P. 191-225.

  56. Sardans J., Rivas-Ubach A., Peñuelas J. The elemental stoichiometry of aquatic and terrestrial ecosystems and its relationships with organismic lifestyle and ecosystem structure and function: a review and perspectives // Biogeochemistry. 2012. V. 111. N 1-3. P. 1-39.

  57. Schaumann G. E. Soil organic matter beyond molecular structure 1. Macromolecular and supramolecular characteristics // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2006. V. 169. P. 145-156.

  58. Sеvin D. C., Kuehne A., Zamboni N., Sauer U. Biological insights through nontargeted metabolomics // Current Opinion in Biotechnology. 2015. V. 34. P. 1-8.

  59. Simpson A. J., Kingery W. L., Hayes M. H.B., Spraul M., Humpfer E., Dvortsak P., Kerssebaum R., Godejohann M., Hofmann M. Molecular structures and associations of humic substances in the terrestrial environment // Naturwissenschaften. 2002. V. 89. N 2. P. 84-88.

  60. Simpson A. J., Simpson M. J., Soong R. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy and its key role in environmental research // Environmental Science & Technology, 2012. V. 46. N 21. P. 11488-11496.

  61. Soper F. M., Paungfoo-Lonhienne C., Brackin R., Rentsch D., Schmidt S., Robinson N. Arabidopsis and Lobelia anceps access small peptides as a nitrogen source for growth // Functional Plant Biology. 2011. V. 38. N 10. P. 788-796.

  62. Stenson A., Marshall A. G., Cooper W. T. Exact masses and chemical formulas of individual Suwannee River fulvic acids from ultrahigh resolution electrospray ionization Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectra // Analytical Chemistry 2003. V. 75. P. 1275-1284.

  63. Sumner L. W., Mendes P., Dixon R. A. Plant metabolomics: large-scale phytochemistry in the functional genomics era // Phytochemistry. 2003. V. 62. N 6. P. 817-836.

  64. Swift R. S. Macromolecular properties of soil humic substances: fact, fiction, and opinion // Soil Science. 1999. V. 164. N 11. P. 790-802.

  65. Waegele B., Witting M., Schmitt-Kopplin P., Suhre K. MassTRIX reloaded: combined analysis and visualization of transcriptome and metabolome data. // PLoS ONE. 2012. DOI:10.1371/journal.pone.0039860. http://dx.doi. org/10.1371/journal.pone.0039860. <http://dx.doi>

  66. Warren C. R. Potential organic and inorganic N uptake by six Eucalyptus species // Functional Plant Biology. 2006. V. 33. N 7. P. 653-660.

  67. Warren C. R. Quaternary ammonium compounds can be abundant in some soils and are taken up as intact molecules by plants // New Phytologist. 2013. V. 198. N 2. P. 476-485.