代謝組學是系統生物學中最接近于表型的組學技術，通過對小分子代謝物的研究來揭示生物體的生理和功能狀態，與上游的基因組學和蛋白質組學信息關聯，有助于全面地了解生物系統。基于其獨特的優勢，目前代謝組學研究已被廣泛應用于植物化學和中藥研究領域。

       本期我們特別分享來自中國中醫研究院中藥研究所孫偉團隊最新發表在 Food Chemistry 上的一篇代謝組學文章[1]，文章采用基于液質聯用的代謝組學方法，研究了苦蕎種子中的多酚類活性成分與表型之間的關聯。

 

       苦蕎屬于蓼科的一年生非單子葉植物作物，主要生長在中國西南部、印度北部、不丹、尼泊爾等山區。苦蕎種子屬于無麩質谷物，具有抗高血壓、疲勞和高脂血癥等功效，有極好的農業價值。多酚（黃酮類和蒽醌類）是苦蕎最重要的植物化學成分之一。苦蕎種子的形態（顏色和形狀）是植物識別和分類的重要特征。然而，苦蕎種子中的次生代謝產物與形態差異之間的關系尚不清楚。我們開發了一種基于液相色譜-質譜聯用的靶向代謝組學方法，用于對 40 種苦蕎種子中的 60 種黃酮和 11 種蒽醌進行研究，旨在闡明苦蕎種子形態與多酚類代謝產物之間的關聯。

 

       研究背景與目的

 

       與非靶向代謝組學相比，靶向代謝組學可以更靈敏、更具特異性地對代謝物進行檢測，適合探索形態差異與復雜植物基質中化學成分之間的相關性。在本研究中，選擇了來自不同地區的 40 種苦蕎種子，利用基于超高效液相色譜-三重四極桿液質聯用系統(UHPLC-MS/MS)的靶向代謝組學方法來研究多酚類成分與形態差異之間的關系。

       研究包括四個步驟：

       1）建立了一種基于 UHPLC-MS/MS的代謝組學方法，用于檢測苦蕎種子中黃酮類和蒽醌類的化學成分

       2）40 種苦蕎麥種子分為谷粒和谷殼兩組，進行顏色和形狀分析

       3）探討了苦蕎谷粒和谷殼的形態差化與代謝產物之間的關系

       4）探討了苦蕎種子的谷粒和谷殼之間的差異

 

       研究結果

 

       1）苦蕎種子中黃酮類和蒽醌類化合物的鑒定

       采用質譜技術對苦蕎種子中黃酮和蒽醌類成分進行鑒定。通過與對照品比對，以及通過質量數、碎片離子信息以及黃酮類化合物的裂解規律對苦蕎種子中的多酚類化合物進行推斷，在苦蕎種子中鑒定出 71 種化合物，包括 60 種類黃酮（43 種黃酮、11 種黃烷醇和 6 種其它黃酮）和 11 種蒽醌。

 

       2）苦蕎種子的形態分析

       不同品種的苦蕎種子可以按不同顏色（黑色和黃棕色）和形狀（長和短）來區分。

 

       3）苦蕎種子的形態與代謝產物的關聯分析

       通過 OPLS-DA 模型和 t-test 可以尋找不同形態的苦蕎種子中的差異代謝產物。研究發現谷粒中有 12 種黃酮和 3 種蒽醌與種子顏色相關，11 種黃酮與種子形狀相關；谷殼中 16 種黃酮和 2 種蒽醌與種子顏色相關，2 種黃酮與種子形狀相關。實驗結果表明苦蕎種子中部分黃酮類和蒽醌類次生代謝產物與種子表型之間具有很好的相關性。

 

       4）苦蕎種子谷粒和谷殼的差異分析

       研究發現 64 種代謝物（53 種黃酮和 11 種蒽醌）的含量在谷粒和谷殼中具有顯著差異。其中 17 種在谷殼中含量較高，46 種在谷粒中含量較高。值得注意的是，谷殼中蘆丁（苦蕎中一種主要成分）的含量高于谷粒，約為谷粒的兩倍。據文獻報道蕎麥谷殼的抗氧化活性可能高于谷粒，因此推斷苦蕎的谷殼也可能具有較高的抗氧化活性。利用苦蕎殼作為原料，不僅可以減少環境污染，而且可以提高苦蕎種子的使用價值。

 

       結論

 

       本研究建立了基于液質聯用的靶向代謝組學方法，用于對苦蕎種子中的  60 種黃酮和 11 種蒽醌類成分進行了分析，并對不同地區的 40 種苦蕎種子進行了研究。研究結果表明苦蕎種子中黃酮和蒽醌類代謝產物與種子的顏色和形狀之間具有相關性。這項研究為苦蕎種子的選育、鑒定和利用提供了依據，本文建立的方法也將為更廣泛的植物表型與活性成分的關聯研究提供參考。