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空间代谢组揭示三七中代谢物的分布和时空变化规律

2022-04-29
中科新生命
1477

三七(P. notoginseng)在中医药中被广泛用于治疗心血管疾病和血液系统疾病,也被许多国家视为重要的功能性食品,其根茎和根中所含的代谢物是三七发挥药理作用的物质基础。然而三七的组织结构具有高度的异质性,且三七代谢物的区域特异性分布也会导致三七不同植物部位的药理作用不同,而目前研究三七代谢物空间分布的报道较少。
2021年4月,齐鲁工业大学(山东省科学院)团队在Journal of Ginseng Research  上发表了题为“Visualizing the distributions and spatiotemporal changes of metabolites in Panax notoginseng by MALDI mass spectrometry imaging”的文章。该文使用MALDI-MSI 方法对三七不同部位(包括根茎、主根、支根和须根)和不同微区(包括韧皮部、木质部、髓质和软木)及三七蒸煮过程中代谢物的时空变化进行成像分析,从而拓展了对植物代谢物空间特征的认识,也为更细致地探索药材加工过程中的分子变化提供了新途径。


研究材料
三七根和根茎

技术路线

· 步骤1:优化三七代谢物成像的MALDI基质;
· 步骤2:三七不同组织及不同组织微区代谢产物的空间分布研究;
· 步骤3:三七蒸煮过程中代谢物的时空变化研究。

研究结果
1. 优化三七代谢物成像的MALDI基质

为了获得更丰富的代谢物信息,作者对来自同一三七根上的三个相邻切片分别喷涂 9-AA、CHCA 和 1,5-DAN基质,然后比较了MALDI-MSI 在检测三七根中代谢物的性能。结果发现当 1,5-DAN 用作 MALDI 基质时,所有检测到的初级和次级代谢物都表现出更强的离子强度,例如三七皂苷-R1、人参皂苷-Re、苹果酸 、棕榈酸等(图1)。
此外,作者在三七根切片中代谢物水平高的组织区域进行了原位 MS/MS 实验。图 2 显示了典型的原位 MALDI-MS/MS 谱图以及三七皂苷-R1 和人参皂苷-Re 的裂解途径,结果表明皂苷倾向于碎裂糖苷键以产生特征产物离子。


图1 比较9-AA、CHCA和1,5-DAN作为基质在三七根切片中的代谢产物成像

图2 三七皂苷-R1 (A) 和人参皂苷-Re (B) 的原位 MS/MS 谱图

2. 三七不同组织及不同组织微区代谢产物的空间分布研究
将三七根切片进一步分为韧皮部、木质部、髓质和软木组织,然后使用优化的 MALDI-MSI 方法对三七中不同类别代谢物的空间分布进行了成像分析,包括三七皂苷、人参皂苷、氨基酸、丹参碱、葡萄糖酸和低分子量有机酸。结果发现不同代谢物在不同组织微区里的空间分布差异较大,例如三七皂苷-R1 在韧皮部和外木质部显示出更强的离子信号,而人参皂苷-Re在髓质和内木质部中的含量远高于韧皮部和外木质部,苯丙氨酸、谷氨酰胺和天冬酰胺等氨基酸主要分布在髓质和韧皮部区域,包括苹果酸和柠檬酸在内的低分子量有机酸在韧皮部和髓质中都表现出比木质部更强的离子强度等(图3)。
作者接着对同一株三七植物上的根茎、主根、分枝根和须根进行了MALDI-MSI分析,并对根茎和不同根组织切片进行了主成分分析 (PCA),发现三七根茎的代谢物谱与三七根的代谢物谱有较大差异。质谱成像显示根茎和不同根组织中三七皂苷-R1的含量相似,三七皂苷-Fc 和人参皂苷-Re在根茎组织中表达较多,谷氨酰胺和天冬酰胺在根茎中呈现比根组织强得多的离子信号等(图4)。


图3 三七根切片不同微区中代表性代谢物的质谱成像图

图4 三七不同组织切片的质谱成像分析

3. 三七蒸煮过程中代谢物的时空变化研究
生三七和蒸三七都被认为是治疗各种疾病的重要药物。三七在蒸制过程中代谢物的变化被认为是造成生、熟三七药理作用差异的重要原因。作者将三七根组织分成四等份,一份不蒸,另外三份分别在 110 ℃下蒸 20 min、1 h 和 2 h,然后组织切片并进行MALDI-MS成像分析。结果发现三七皂苷-R1、三七皂苷-Fc和人参皂苷-Re等高丰度皂苷的含量在生三七根与蒸三七根中差异不大,可能不是生三七与蒸三七之间生物学差异的主要原因。另外结果还显示一些代谢物随蒸煮而发生变化,如蒸煮后三七根中的丹参碱含量显著降低,精氨酸和谷氨酰胺的含量随着蒸煮时间的延长而逐渐增加等,这些变化可能是生三七与蒸三七药理作用不同的主要原因(图5)。


图5 生三七和三七蒸煮过程中代表性代谢物的质谱成像分析

小结
本研究利用MALDI-MS成像技术,首次成功地成像了三七不同部位和不同微区的代谢物信息。此外,还研究了三七根蒸煮过程中代谢产物的时空变化,筛选出了一系列随蒸煮过程而变化的代谢产物。

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