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Entwicklung von bioinformatischen Visualisierungswerkzeugen für Metabolitdaten von Nährstoffmangelsituationen bei Arabidopsis thaliana

Development of bioinformatics visualization tools for metabolitedata resulting from situations of deficiency at Arabidopsis thaliana

  • Diese Arbeit umfasst die Archivierung, Visualisierung anhand bioinformatischer Methoden und Interpretation eines vorhandenen Messdatensatz (Element [ICP-MS]-, Ionen [IC]- und Metabolitdaten [RP-HPLC und GC/TOF-MS]) der Pflanze Arabidopsis thaliana getrennt in Blätter und Wurzeln. Die Pflanzen wurden den sechs Mangelsituationen der Nährstoffe Eisen, Kalium, Magnesium, Stickstoff, Phosphor und Schwefel ausgesetzt und zu neun Messzeitpunkten [0.5-, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-in Tagen und „resupply“ (vier Stunden nach dem vierten Tag)] analysiert. Es erfolgte die Integration der Messdaten in eine SQlite-Datenbank. Die Veranschaulichung erfolgte mit Hilfe der Programmiersprache R. Anhand einiger Pakete zur Erweiterung des Funktionsumfangs von R wurde erstens eine Schnittstelle zur SQLite- Datenbank hergestellt, was ein Abfragen an diese ermöglichte und zweitens verhalfen sie zu der Erstellung einer Reihe zusätzlicher Darstellungsformen (Heatmap, Wireframe, PCA). Selbstgeschriebene Skripte erlaubten den Datenzugriff und die grafische AusgabeDiese Arbeit umfasst die Archivierung, Visualisierung anhand bioinformatischer Methoden und Interpretation eines vorhandenen Messdatensatz (Element [ICP-MS]-, Ionen [IC]- und Metabolitdaten [RP-HPLC und GC/TOF-MS]) der Pflanze Arabidopsis thaliana getrennt in Blätter und Wurzeln. Die Pflanzen wurden den sechs Mangelsituationen der Nährstoffe Eisen, Kalium, Magnesium, Stickstoff, Phosphor und Schwefel ausgesetzt und zu neun Messzeitpunkten [0.5-, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-in Tagen und „resupply“ (vier Stunden nach dem vierten Tag)] analysiert. Es erfolgte die Integration der Messdaten in eine SQlite-Datenbank. Die Veranschaulichung erfolgte mit Hilfe der Programmiersprache R. Anhand einiger Pakete zur Erweiterung des Funktionsumfangs von R wurde erstens eine Schnittstelle zur SQLite- Datenbank hergestellt, was ein Abfragen an diese ermöglichte und zweitens verhalfen sie zu der Erstellung einer Reihe zusätzlicher Darstellungsformen (Heatmap, Wireframe, PCA). Selbstgeschriebene Skripte erlaubten den Datenzugriff und die grafische Ausgabe als z. B. Heatmaps. In der Entstehung dieser Arbeit sind weiterhin zwei weitere Visualisierungsformen von PCA-Daten entwickelt worden: Das Abstandsdiagramm und die animierte PCA. Beides sind hilfreiche Werkzeuge zur Interpretation von PCA-Plots eines zeitlichen Verlaufes. Anhand der Darstellungen der Element- und Ionendaten ließen sich die Nährstoffmangelsituationen durch Abnahme der entsprechenden Totalelemente und Ionen nachweisen. Weiterhin sind starke Ähnlichkeiten der durch RP-HPLC bestimmten Metaboliten unter Eisen-, Kalium und Magnesiummangel erkannt worden. Allerdings gibt es nur eine geringe Anzahl an Interkationen der Metabolitgehalte, da der Großteil der Metabolitlevel im Vergleich zur Kontrolle unverändert blieb. Der Literaturvergleich mit zwei Publikationen, die den Phosphat- und Schwefelmangel in Arabidopsis thaliana untersuchten, zeigte ein durchwachsenes Ergebnis. Einerseits gab es eine gleiche Tendenz der verglichenen Aminosäuren zu verzeichen, aber andererseits wiesen die Visualisierungen auch Gegensätzlichkeiten auf. Der Vergleich der mit RP-HPLC und GC/TOF-MS gemessenen Metaboliten erbrachte ein sehr kontroverses Ergebnis. Zum einen wurden Übereinstimmungen der gleichen Metaboliten durch gemeinsame Cluster in den Heatmaps beobachtet, zum anderen auch Widersprüche, exemplarisch in den Abstandsdiagrammen der Blätterdaten jedes Verfahrens, in welchen unterschiedliche Abstandshöhepunkte erkennbar sind.show moreshow less
  • This manuscript deals with archiving, visualization with bioinformatic methods and the interpretation of an existing measuring dataset (element [ICP-MS]-, ions [IC]- and metabolit data [RP-HPLC and GC/TOF-MS]) of the plant Arabidopsis thaliana – for either its leaves and roots. These plants have been subjected to six situations of deficiency according to the nutrients iron, potassium, magnesium, nitrate, phosphor, and sulfur. They have been analyzed for nine time-points of measurement [0.5-, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7- in days and “resupply” (four hours after the fourth day). While the measuring data has been integrated in a SQLite-database, its illustration has been carried out with the help of the programming language R. In order to extend the functional range of R, first, an interface to the SQLite-database has been established, which offered the query to this and, secondly, it helped to create a row of additional display formats (heatmaps, wireframe, PCA). Self-written scripts allowed the access to the data and the graphicalThis manuscript deals with archiving, visualization with bioinformatic methods and the interpretation of an existing measuring dataset (element [ICP-MS]-, ions [IC]- and metabolit data [RP-HPLC and GC/TOF-MS]) of the plant Arabidopsis thaliana – for either its leaves and roots. These plants have been subjected to six situations of deficiency according to the nutrients iron, potassium, magnesium, nitrate, phosphor, and sulfur. They have been analyzed for nine time-points of measurement [0.5-, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7- in days and “resupply” (four hours after the fourth day). While the measuring data has been integrated in a SQLite-database, its illustration has been carried out with the help of the programming language R. In order to extend the functional range of R, first, an interface to the SQLite-database has been established, which offered the query to this and, secondly, it helped to create a row of additional display formats (heatmaps, wireframe, PCA). Self-written scripts allowed the access to the data and the graphical output, for example as heatmaps. Additionally two more visualization formats for the PCA-data have been designed in the development of this manuscript: the distance-diagram and the animated PCA. Both are useful tools to interpret PCA-plots during a specific course of time. Based on the illustration of element and ion data the situations of deficiency for several nutrients could be detected by the decrease of the corresponding total-elements and ions. Furthermore, obvious similarities between the metabolits, which were measured through RP-HPLC, have been examined under iron-, potassium- and magnesium-deficit. There are certainly only a low number of interactions regarding to the content of metabolits because most of the metabolit level did not change in comparison to the control. The comparative study of specialist literature – in this case of two particular publications –, which analyzed the deficit of phosphate and sulfate in Arabidopsis thaliana, presented an intermingled result. On the one hand a similar tendency of the compared amino acid could be observed, but on the other hand the visualizations showed opposites, too. The comparison of the metabolits measured by RP-HPLC and GC/TOF-MS effected a very controversial result. Although there are analogies between the same metabolits through common clusters in the heatmaps, contradictory elements can also be found – for example in the distance-diagram of the data of the leaves for each procedure in which different distance-peaks are recognizable.show moreshow less

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Metadaten
Author:Matthias Voigt
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-33047
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Year of Completion:2009
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Release Date:2009/07/27
Tag:Arabidopsis thaliana; Statistikprogramm R; animierte PCA
Arabidopsis thaliana; animated PCA; statistics program R
RVK - Regensburg Classification:ST 690
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Informatik und Computational Science
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht
Notes extern:Datum der mündlichen Prüfung: 20.03.2009