Выяснение механизмов адаптации растительных организмов к изменяющимся условиям среды обитания является важнейшей проблемой современной биологии растений. Растения являются облигатными аэробами. Тем не менее, часто они могут оказаться в среде с пониженной концентрацией кислорода (гипоксия) или его полным отсутствием (аноксия). От дефицита кислорода нередко страдают посевы сельскохозяйственных культур и растения природных экосистем, обитающие в условиях постоянного переувлажнения или непосредственно в водной среде. Способность адаптироваться к кислородной недостаточности связана с наличием различных приспособлений, многие из которых опосредованы существенными изменениями обмена веществ. Эти изменения позволяют устойчивым растениям-гидрофитам вырабатывать достаточное количество энергии, поддерживать водное и минеральное питание и даже расти в дефицитной по кислороду среде. Большинство знаний о метаболических перестройках получены методами конвенциональной биохимии, когда целевым способом изучалось содержание того или иного метаболита или их группы. В подобной ситуации за рамками исследования могли оказаться существенные изменения уровня других соединений, которые не были изначальной целью анализа. Для решения этих проблем в настоящее время применяются методы системной биологии, в частности, методы метаболомики. Целью настоящей работы являлось проведение ненаправленного метаболомного профилирования листьев дикорастущих растений-гидрофитов, обитающих в водной среде, и родственных им мезофитных видов, произрастающих в биотопах с нормальным обеспечением кислородом. В качестве гидрофитов анализировали ирис ложноаировый (болотный, Iris pseudacorus L.) и сабельник болотный (Comarum palustre L.), в качестве мезофитов использовали ирис сибирский (I. sibirica L.) и лапчатку гусиную (Potentilla anserina L.). Листья растений собирали в местах их естественного произрастания. Профилирование проводили на основе ГХ-МС анализа с использованием газового хроматографа Agilent 5860. Регистрацию хроматограмм осуществляли с помощью масс-селективного детектора Agilent 5975С. Полученные хроматограммы обрабатывались с помощью ресурса GNPS. Для идентификации масс-спектров была применена программа NIST MSEARCH, в сочетании с библиотеками NIST17, Санкт-Петербургского государственного университета и Ботанического института РАН. Идентификацию метаболитов осуществляли по сходствам масс-спектров с библиотечными (net match factor ≥ 800) и индексам удерживания. Определение индексов удерживания проводили по калибровке, используя предельные углеводороды. Содержание метаболитов нормировали на внутренний стандарт трикозан. Математический анализ проводили в среде языка R 4.4
В метаболоме листьев ирисов обнаружено 634 соединения. Из них по базам масс-спектров было идентифицировано 63 индивидуальных соединения и еще 93 соединения были идентифицированы до класса. Самой широко представленной группой были сахара (92), включая гексозы (37), пентозы (4) и олигосахариды (51). Также были идентифицированы около 15 органических кислот, 5 жирных кислот и их производных, а также 10 аминокислот. Были обнаружены стерины, вторичные соединения, спирты и другие соединения. Суммарно полученный профиль метаболитов P. anserina и C. paluste насчитывал около 600 масс-спектров. Из них было идентифицировано 50 и еще примерно 60 - до класса. Как и в случае ирисов, самой большой группой были сахара, в том числе 17 пентоз, 26 гексоз, 34 олигосахарида. Обращает на себя внимание лишь очень небольшое количество аминокислот (5). В тоже время количество карбоксилатов было выше, чем в предыдущем случае (более 20). Также идентифицированы жирные кислоты и их производные (5), стерины, и ряд вторичных соединений. На основе полученных результатов были составлены тепловые карты, а также составлены графики матриц счетов, полученных методом главных компонент (PCA), которые были подтверждены кластерным анализом по методу Варда и дискриминантным анализом ортогональными проекциями на латентные структуры (OPLS-DA). Показано, что гидрофиты характеризовались большим накоплением карбоксилатов, например, 2-оксоглутарата, сукцината, фумарата и малата, мажорных гексоз (глюкоза, фруктоза) и таких аминокислот, как ГАМК и оксопролин, а также меньшим уровнем соединений, связанных с липидным метаболизмом, таких как стеариновая кислота. Вторичные соединения показывали разнонаправленные тренды, с доминированием катехина у мезофильных видов. Сравнительный анализ метаболомов гидрофитных и мезофитных растений выявил накопление в первой группе дикарбоновых кислот цикла Кребса, а для второй – катехина. В целом обращение дикарбоновой части цикла Кребса характеризует стимуляцию аноплеротических путей реокисления НАД(Ф)Н, препятствующих аккумуляции токсичных анаэробных метаболитов при адаптации к затоплению. Таким образом, анализ с применением ГХ-МС впервые выявил своеобразие метаболомных профилей листьев каждого из исследованных видов растений, которые можно использовать в хемотаксономии. В то же время были обнаружены характерные особенности метаболомов растений, обитающих в условиях дефицита кислорода (гидрофитов), и луговых растений (мезофитов), независимые от таксономической принадлежности.