Digital chemical mapping by treatment of narrow-band LED light in the plant metabolome

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K05711
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 37020:Chemistry and chemical methodology of biomolecules-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: Kusano Miyako 筑波大学, 生命環境系, 教授 (60415148)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 立川 仁典 横浜市立大学, データサイエンス学部, 教授 (00267410) ; 青木 裕一 東北大学, 東北メディカル・メガバンク機構, 助教 (40747599) ; 福島 敦史 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 上級研究員 (80415281)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 量子化学計算 / 植物 / シロイヌナズナ / 二次代謝物

Outline of Final Research Achievements

Plant secondary metabolites have large chemical diversities. However, information of physicochemical properties of these compounds can be obtained by referring articles or measurement of target compounds. As it takes time due to curating published papers as well as quantifying target compounds, novel computational methods is required for predicting compounds’ properties to shorten time with high accuracy. We developed the novel method for improving accuracy of spectroscopic data of secondary metabolites in Arabidopsis predicted by quantum chemical calculation. In this study, we focused on defense metabolites produced by Arabidopsis, in particular anthocyanins, accumulated by UV-B irradiation. By quantum chemical calculation of the 19 metabolites, we favorably predicted UV-vis spectra Therefore, the high-resolution prediction method may contribute to shed light on complex biosynthetic pathways in plants.

Free Research Field

メタボロミクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、様々な環境下で生育する植物の生存戦略のひとつである多様な二次代謝物の「作り分け」のしくみを、量子化学計算による構造安定性から迫る初の試みである。現状では、代謝研究において化合物の実測値を文献検索や実際に測定して得ることは困難な作業となる。本研究はこの問題を解決するため、ab initio計算によりUV照射時に蓄積する二次代謝物のUV-visスペクトルを実測値と遜色なく予測することができた。本結果は、代謝物の安定性等、その化合物が有する物性値について、実測値に頼らず得ることができる成果である。本法の応用により、多様な生合成経路の解明に繋がるのではと考えている。