代谢组学是系统生物学中最接近于表型的组学技术，通过对小分子代谢物的研究来揭示生物体的生理和功能状态，与上游的基因组学和蛋白质组学信息关联，有助于全面地了解生物系统。基于其独特的优势，目前代谢组学研究已被广泛应用于植物化学和中药研究领域。
本期我们特别分享来自中国中医研究院中药研究所孙伟团队最新发表在 Food Chemistry 上的一篇代谢组学文章[1]，文章采用基于液质联用的代谢组学方法，研究了苦荞种子中的多酚类活性成分与表型之间的关联。
专家解读核心信息
苦荞属于蓼科的一年生非单子叶植物作物，主要生长在中国西南部、印度北部、不丹、尼泊尔等山区。苦荞种子属于无麸质谷物，具有抗高血压、疲劳和高脂血症等功效，有极好的农业价值。多酚（黄酮类和蒽醌类）是苦荞最重要的植物化学成分之一。苦荞种子的形态（颜色和形状）是植物识别和分类的重要特征。然而，苦荞种子中的次生代谢产物与形态差异之间的关系尚不清楚。我们开发了一种基于液相色谱-质谱联用的靶向代谢组学方法，用于对 40 种苦荞种子中的 60 种黄酮和 11 种蒽醌进行研究，旨在阐明苦荞种子形态与多酚类代谢产物之间的关联。
研究背景与目的
与非靶向代谢组学相比，靶向代谢组学可以更灵敏、更具特异性地对代谢物进行检测，适合探索形态差异与复杂植物基质中化学成分之间的相关性。在本研究中，选择了来自不同地区的 40 种苦荞种子，利用基于超高效液相色谱-三重四极杆液质联用系统(UHPLC-MS/MS)的靶向代谢组学方法来研究多酚类成分与形态差异之间的关系。
研究包括四个步骤：
1）建立了一种基于 UHPLC-MS/MS的代谢组学方法，用于检测苦荞种子中黄酮类和蒽醌类的化学成分
2）40 种苦荞麦种子分为谷粒和谷壳两组，进行颜色和形状分析
3）探讨了苦荞谷粒和谷壳的形态差化与代谢产物之间的关系
4）探讨了苦荞种子的谷粒和谷壳之间的差异
图 1. Agilent 6470 三重四极杆液质联用系统（LC/QQQ）
研究结果
1）苦荞种子中黄酮类和蒽醌类化合物的鉴定
采用质谱技术对苦荞种子中黄酮和蒽醌类成分进行鉴定。通过与对照品比对，以及通过质量数、碎片离子信息以及黄酮类化合物的裂解规律对苦荞种子中的多酚类化合物进行推断，在苦荞种子中鉴定出 71 种化合物，包括 60 种类黄酮（43 种黄酮、11 种黄烷醇和 6 种其它黄酮）和 11 种蒽醌。
图 2. 苦荞种子中 60 种黄酮（A）和 11 种蒽醌（B）的 MRM 色谱图
2）苦荞种子的形态分析
不同品种的苦荞种子可以按不同颜色（黑色和黄棕色）和形状（长和短）来区分。
图 3. 四种苦荞种子（TB063、TB177、TB054和TB278）的颜色和形状
3）苦荞种子的形态与代谢产物的关联分析
通过 OPLS-DA 模型和 t-test 可以寻找不同形态的苦荞种子中的差异代谢产物。研究发现谷粒中有 12 种黄酮和 3 种蒽醌与种子颜色相关，11 种黄酮与种子形状相关；谷壳中 16 种黄酮和 2 种蒽醌与种子颜色相关，2 种黄酮与种子形状相关。实验结果表明苦荞种子中部分黄酮类和蒽醌类次生代谢产物与种子表型之间具有很好的相关性。
图 4. 苦荞种子（谷粒和谷壳）中次生代谢产物（黄酮和蒽醌）与其形态（颜色和形状）之间的关联。（A）不同形态苦荞种子的 OPLS-DA；（B）次生代谢产物的火山图；（C）不同形态苦荞种子差异代谢物的峰面积比较
4）苦荞种子谷粒和谷壳的差异分析
研究发现 64 种代谢物（53 种黄酮和 11 种蒽醌）的含量在谷粒和谷壳中具有显著差异。其中 17 种在谷壳中含量较高，46 种在谷粒中含量较高。值得注意的是，谷壳中芦丁（苦荞中一种主要成分）的含量高于谷粒，约为谷粒的两倍。据文献报道荞麦谷壳的抗氧化活性可能高于谷粒，因此推断苦荞的谷壳也可能具有较高的抗氧化活性。利用苦荞壳作为原料，不仅可以减少环境污染，而且可以提高苦荞种子的使用价值。
图 5. 谷粒和谷壳之间的化学差异。（A）OPLS-DA 得分图；（B）火山图；（C）谷壳中比谷粒中含量高的差异代谢物；（D）谷粒中比谷壳中含量高的差异代谢物
结论
本研究建立了基于液质联用的靶向代谢组学方法，用于对苦荞种子中的 60 种黄酮和 11 种蒽醌类成分进行了分析，并对不同地区的 40 种苦荞种子进行了研究。研究结果表明苦荞种子中黄酮和蒽醌类代谢产物与种子的颜色和形状之间具有相关性。这项研究为苦荞种子的选育、鉴定和利用提供了依据，本文建立的方法也将为更广泛的植物表型与活性成分的关联研究提供参考。
参考文献
[1] Wei Yang, Yong Su, Gangqiang Dong,Guangtao Qian, Yuhua Shi, Yaolei Mi, Yiming Zhang, Jianping Xue, Wei Du,Taoxiong Shi, Shilin Chen, Yi Zhang, Qingfu Chen, Wei Sun. Liquidchromatography–mass spectrometry-based metabolomics analysis of flavonoids andanthraquinones in Fagopyrum tataricum L. Gaertn. (tartary buckwheat)seeds to trace morphological variations. Food Chemistry. Volume 331, 30November 2020, 127354.
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