質(zhì)譜成像（Mass Spectrometry Imaging, MSI）作為一種重要的分子成像技術(shù)，通過專用成像分析軟件將質(zhì)譜儀記錄的特定區(qū)域離子化分子的離子強度、質(zhì)荷比和坐標等信息轉(zhuǎn)換為像素點模型，重新構(gòu)造出被測化合物的空間離子分布圖像，可實現(xiàn)從元素到化合物、多肽、蛋白質(zhì)等分析。該技術(shù)具有樣品前處理簡單、靈敏度高、無需標記等優(yōu)勢，目前已廣泛應用于成分多樣、代謝產(chǎn)物繁雜的藥用植物、農(nóng)作物等樣本的空間分布分析，為植物的進一步研究提供參考。
近日，廣州中醫(yī)藥大學中藥學院王宏斌/靳紅磊團隊與陳奕君博士在Advanced Biotechnology在線發(fā)表了題為“Application of mass spectrometry imaging in botanical research”的綜述文章，系統(tǒng)闡述3種常見的質(zhì)譜成像技術(shù)的原理、特點、優(yōu)勢及其在植物學中的應用，并對該技術(shù)當前研究中存在的主要問題、解決辦法及未來發(fā)展前景進行了匯總和展望，以期為植物學研究中質(zhì)譜成像方法的合理選擇及深入應用提供指導。
傳統(tǒng)代謝組學技術(shù)在揭示植物有效成分的合成與轉(zhuǎn)運途徑、次生代謝產(chǎn)物的累積與環(huán)境的關(guān)系等方面發(fā)揮著重要作用，具有高靈敏度、高特異性和高分辨率的優(yōu)勢。但經(jīng)典的色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)需要對待測組織進行勻漿、提取、凈化等前處理，進而造成代謝物在植物組織中的原始空間分布信息的丟失。MSI作為一種新型的分子成像技術(shù)，可通過原理與構(gòu)造各異的離子化探針掃描樣本，實現(xiàn)樣本中待測物的原位解吸/電離，并傳輸?shù)劫|(zhì)譜中進行檢測，從而獲取與樣本空間位置關(guān)聯(lián)的質(zhì)譜圖集合；同時，利用質(zhì)譜成像軟件處理得到的質(zhì)譜圖集合以獲得每個質(zhì)荷比（m/z）的組織分布圖像，可在不對組織中待測化合物預先標記的情況下，完成多個成分的非靶向空間分布分析（圖1）。因此，MSI技術(shù)除具有質(zhì)譜技術(shù)的優(yōu)勢外，還具有化學成分高覆蓋、高通量、原位表征等優(yōu)勢，可一次實現(xiàn)數(shù)百個化合物的成像分析。
圖1 質(zhì)譜成像在植物組織研究的原理圖
植物體內(nèi)的次生代謝產(chǎn)物的合成和累積具有精確的空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，代謝產(chǎn)物在組織中的特異性分布與其生理功能具有緊密的關(guān)聯(lián)。因此，利用MSI研究植物不同生長階段、不同組織器官中次生代謝產(chǎn)物的組織分布特征及其累積規(guī)律，對于植物次生代謝產(chǎn)物合成研究以及調(diào)控、優(yōu)化栽培生產(chǎn)技術(shù)，培育和保護優(yōu)良種質(zhì)資源等方面都有重要意義。植物育種方面：MSI能夠為種子中代謝物的空間分布及轉(zhuǎn)運過程提供可視化的信息，并為植物種子的改良方向提供指導。在植物生長、發(fā)育及品質(zhì)鑒別等方面：MSI可直觀、高效、原位地展示植物體內(nèi)成分的空間分布情況，為挖掘植物次生代謝產(chǎn)物的精準分布特征及其調(diào)控規(guī)律提供幫助。在植物抗逆性研究方面：MSI可以解析植物面對逆境環(huán)境時防御性次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生和積累路徑，為植物的發(fā)育和抗逆性品質(zhì)提升提供指導。在植物加工、炮制研究方面：通過MSI分析植物加工前后成分的時空變化特點，可以為植物加工、炮制等過程中的質(zhì)量控制和方法選擇提供有效指導。在農(nóng)藥及重金屬研究方面：MSI通過解析導向農(nóng)藥在植物中的輸導機制，可視化展示導向農(nóng)藥從轉(zhuǎn)運蛋白協(xié)助跨膜、韌皮部由上往下輸導，濃度差擴散到木質(zhì)部，并最終在葉片邊緣富集的動態(tài)轉(zhuǎn)運過程。
綜上，MSI技術(shù)可貫穿藥用植物育種、代謝物分析及其生物合成途徑解析、植物防御、植物農(nóng)藥殘留、重金屬轉(zhuǎn)運途徑分析以及藥用植物生理生態(tài)變化反應等全過程的應用，對植物的開發(fā)、利用和保護均具有重要意義，未來還將有更大的發(fā)展和應用空間。
廣州中醫(yī)藥大學中藥學院王宏斌教授和靳紅磊教授為本論文的共同通訊作者，廣州中醫(yī)藥大學中藥學院青年骨干教師陳奕君博士和博士研究生曾海生為共同第一作者，相關(guān)工作得到了國家自然科學基金和廣東省特支計劃等的資助。
原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s44307-024-00014-y
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