title: Advances in data analysis in Metabolomics: towards a dynamic view of responses in plant cell cultures
Creators: name: Saw, Nay Min Min Thaw
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2019
Subjects: Metabolomics
generalized additive models
plant cell cultures
grapes
Botanical sciences
Pflanzen (Botanik)
polyphenols

description: Metabolite profiling of plant cell cultures under stress is an important approach towards the understanding of the biology of stress responses in plants by identifying by-products of the stress metabolism, either stress signal transduction molecules or molecules that are involved in adaptive responses. To model in a comprehensive way such complex biological phenomena, it is important to analyse the time-dependent behaviour of the cell metabolism in response to external stimuli. A single point measurement indeed gives only a snapshot of the cellular state in which all the dynamical information is not captured. In this respect, high resolution time-course experiments are expected to provide more information in the phase of data analysis than a series of measurements collected only at a few time-points. The main objective of this thesis is to study the metabolic response of grapevine cell cultures subjected to an external stimulus, designed to mimic the interaction of the plant with environment factors. The PhD thesis firstly describes the optimization of the sample preparation method, extraction protocol and targeted metabolomics analysis of compounds isolated from the grape cells. This optimized metabolomics protocol was then applied to study the long-term dynamic response of elicited grapevine (Vitis vinifera cv. Gamay) cell suspension cultures treated by methyl jasmonate or sodium nitroprusside. Generalized additive models were applied to study the time dependent profile of secondary metabolites in grapevine cell suspension cultures. The results suggested that this class of non-parametric statistical models in combination with metabolomics could be an effective tool to explore the complete time-dependent changes of secondary metabolites and their responses to external stimuli in plant cells and foundation for further integrative omics studies.
description: Inhaltsstoffanalysen (metabolite profiling) in pflanzlichen Zellkulturen, die sich unter Stress befinden, tragen nicht unerheblich zum Verständnis der biologischen Mechanismen der Stressantworten der Pflanzen durch die Identifizierung von Produkten des Stressstoffwechsels, der Signaltransduktion oder von Molekülen, die an adaptiven Reaktionen beteiligt sind, bei. Darüber hinaus kann die zielgerichtete (targeted) und nicht zielgerichtete (non-targeted) Inhaltsstoffanalyse heutzutage eine komplexe Sicht auf die Reaktion des pflanzlichen Stoffwechsels auf einen bestimmten Stimulus liefern. Um solche komplexen biologischen Phänomene umfassend zu modellieren, ist es wichtig das zeitabhängige Verhalten des Zellstoffwechsels als Reaktion auf äußere Reize zu analysieren. Eine Einzelpunktmessung liefert tatsächlich nur eine Momentaufnahme des zellulären Zustands, in dem nicht alle dynamischen Informationen erfasst werden. In dieser Hinsicht wird erwartet, dass die Inhaltsstoffanalysen von hochaufgelösten Zeitprofilen in der Phase der Datenanalyse weit mehr Informationen liefert als eine Reihe von Messungen, die nur zu wenigen Zeitpunkten gesammelt wurden. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der metabolischen Reaktion von Weinzellkulturen nach Gabe eines externen Stimulus, der die Interaktion mit Umweltfaktoren nachahmt. Die vorliegende Doktorarbeit beschreibt zunächst die Optimierung der Probenvorbereitungsmethode, des Extraktionsprotokolls und der gezielten Inhaltsstoffanalyse der aus den Traubenzellen isolierten Verbindungen. Dieses optimierte Protokoll wurde dann angewendet, um die langfristige dynamische Antwort von aus Weinreben (Vitis vinifera cv. Gamay) gewonnenen Zellsuspensionskulturen zu untersuchen. Das biologische System wurde unter der Behandlung von Methyljasmonat oder Natriumnitroprussid untersucht. Generalisierte additive Modelle wurden angewendet, um das zeitabhängige Profil von Sekundärmetaboliten in den Suspensionskulturen zu untersuchen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Ansatz, generalisierter additiver Modelle und Inhaltsstoffanalysen anzuwenden, eine effektive Methode sein könnte, um die vollständigen zeitabhängigen Veränderungen von Sekundärmetaboliten und deren Reaktionen auf externe Stimuli in Pflanzenzellen zu untersuchen und so die Grundlagen für weitere integrative Omics-Studien zu legen.