中國科大在植物葉片代謝物質譜成像取得新進展

近日，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室潘洋教授團隊利用自行研發的解吸電噴霧電離/二次光電離（DESI/PI）質譜成像平臺（Analytical Chemistry,2019,91, 6616-6623）結合多孔聚四氟乙烯印跡技術，實現對多種植物葉片中代謝物的空間成像。研究成果以“Enhanced Coverage ａnd Sensitivity of ImprintDESI Mass Spectrometry Imagingfor Plant Leaf Metabolites by Post-Photoionization”為題，以frontcover形式發表于國際分析化學領域著名期刊《Analytical Chemistry》雜志（doi.org/10.1021/acs.analchem.2c03329）。

在已知植物種群中，有約200,000個植物代謝物的化學結構被鑒定出來。植物代謝物的成分分析和空間成像對探討植物代謝物的生物合成、運輸、生理機制、自我調節機制及植物與生態的相互作用具有重要意義。質譜成像是近年來涌現出的分子成像技術，具有免熒光標記、不需要復雜樣品前處理等優點。然而，由于植物角質層和表皮蠟的存在，常規MALDI和DESI等軟電離技術很難穿透角質層作用于葉肉組織，從而無法對植物葉片中的代謝物進行直接成像。

圖1.期刊封面

圖2.印跡DESI/PI質譜成像流程圖

課題組通過印跡方法，將葉片中的植物代謝物轉移至多孔聚四氟乙烯材料上，并對印跡后的材料進行成像，可實現對葉片植物代謝物的間接成像。由于使用DESI/PI技術，相比于傳統DESI方法，正離子模式下可新檢出多達百種萜類、黃酮類、氨基酸和苷類等次生代謝產物；負離子模式下整體代謝物信號強度可增強一個數量級。

圖3.銀杏葉葉片印跡質譜成像

課題組進一步利用該技術對茶葉進行研究，發現咖啡因在葉中脈富集、茶氨酸在葉柄富集并延伸至中脈和葉尾，為咖啡因主要在茶葉中脈合成和茶氨酸在茶葉根部合成并轉運至葉片的生物合成位點及轉運路徑提供了強有力的證據。實驗還檢測到茶葉中兒茶素（EC/C, EGC/GC, ECG/CG, EGCG/GCG）生物合成網絡中重要的黃酮類代謝物并以質譜成像的形式展示出空間分布，表明印跡DESI/PI成像技術在探索植物代謝轉化位點和途徑方面有巨大的潛力。

圖4.茶葉印跡成像以及兒茶素生物合成網絡

論文第一作者為吳劉天博士生，劉成園特任副研究員和潘洋教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金和中國科學院關鍵技術人才計劃支持。