《Journal of Plant Physiology》：Identification and Quantification of Dandelion Metabolites by NMR for the Characterization and Differentiation of Dandelion Germplasm
編輯推薦：
蒲公英屬代謝組學及天然橡膠合成研究|氫核磁共振（1H NMR）|根器官特異性代謝分析|多元統(tǒng)計分析|植物育種技術(shù)優(yōu)化
克里斯汀·德里斯萊因（Christine Drie?lein）|安德烈亞斯·克倫佩爾（Andreas Krumpel）|弗雷德·艾克邁耶（Fred Eickmeyer）|邁克爾·雷蒂格（Michael Rettig）|克萊門斯·蒂倫（Clemens Thielen）
慕尼黑工業(yè)大學斯特勞賓生物技術(shù)和可持續(xù)發(fā)展校區(qū)優(yōu)化與可持續(xù)決策教授職位，地址：Am Essigberg 3，94315 斯特勞賓，德國
摘要
蒲公英是一種具有多種藥理特性的草本植物。俄羅斯蒲公英（Taraxacum koksaghyz）的根系能產(chǎn)生質(zhì)量良好的天然橡膠，因此可以作為傳統(tǒng)橡膠樹的替代品。目前正努力將這種植物與普通蒲公英（Taraxacum officinale）進行雜交，以提高其根部的橡膠產(chǎn)量。核磁共振（NMR）光譜技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，因為它能夠同時檢測多種代謝物，從而成為代謝組學中的強大工具。在本研究中，我們利用基于NMR的代謝組學方法分析了兩種蒲公英物種Taraxacum koksaghyz和Taraxacum officinale的代謝譜型，作為發(fā)現(xiàn)生物標志物的初步步驟，并首次全面比較了這兩種物種葉片和根部器官的1H NMR代謝組學數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集包括100個Taraxacum koksaghyz和94個Taraxacum officinale葉片樣本，以及43個Taraxacum koksaghyz和85個Taraxacum officinale根部樣本。在1D 1H NMR光譜中，我們鑒定并量化了56種代謝物，其中9種化合物在之前尚未在任一蒲公英物種中被報道過。隨后，我們將代謝物結(jié)果與多變量統(tǒng)計方法結(jié)合分析，揭示了蒲公英物種內(nèi)部及其不同器官之間的代謝差異。器官類型是決定代謝變化的主要因素，而物種特異性差異在根部最為顯著。這些NMR譜型為橡膠育種中的生物標志物發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，突顯了NMR在蒲公英代謝組學中的實用價值，并加深了我們對它們器官特異性代謝過程的理解。
引言
Taraxacum屬屬于菊科（Asteraceae）、菊亞科（Cichorioideae）和乳苣族（Lactuceae），常見于北半球的溫帶地區(qū)，生長在田野、路邊和雜草叢中。該屬的傳統(tǒng)藥用價值已有多年記載（Schütz等人，2006a）。研究表明，蒲公英具有抗炎、鎮(zhèn)痛、抗氧化和抗癌等作用（Jung等人，2011），可用于治療肝炎、消化不良和厭食等癥狀。Taraxacum屬包含超過2500種植物，多為二年生或多年生草本植物（Mingarro等人，2015）。其中一些物種，如Taraxacum officinale（通常稱為蒲公英），分布廣泛且具有高度入侵性（Martinez等人，2015）。Taraxacum officinale是一種多年生植物，廣泛分布于花園、牧場和受干擾的區(qū)域，高度可達40厘米（Di Napoli和Zucchetti，2021）。該植物耐旱耐寒，能承受低至-29°C的溫度，適應(yīng)多種土壤類型（從沙質(zhì)到排水良好的土壤，甚至重粘土）。其根系為長而不分枝的塊根，含有乳狀乳膠（Lim，2014）。根長約為60-100厘米，平均直徑為2.5厘米（Schulze Gronover等人，2011）。另一種蒲公英物種是俄羅斯蒲公英（Taraxacum koksaghyz），在第二次世界大戰(zhàn)期間被視為有前景的天然橡膠替代來源，因為其根部富含高質(zhì)量橡膠（Van Beilen和Poirier，2007b）。盡管Taraxacum koksaghyz的根形態(tài)會受環(huán)境條件影響，但其典型特征是直而深入的塊根，偶爾有側(cè)枝，根長20-40厘米，冠部直徑約1-1.5厘米（Suomela，1950）。由于其栽培特性，該物種適合北半球的溫帶氣候作為一年生橡膠作物（Van Beilen和Poirier，2007b）。野生Taraxacum koksaghyz的根部干重含橡膠量通常為2-3%，但某些優(yōu)良品種可高達5-6%（Kupzow，1980）。最佳栽培條件下，每公頃可產(chǎn)200公斤橡膠（Van Beilen和Poirier，2007a）。然而，進一步優(yōu)化農(nóng)藝性能以提高產(chǎn)量和加工效率至關(guān)重要，這可通過選擇具有較大體積和適宜形態(tài)的根系來實現(xiàn)（Wieghaus等人，2022）。另一種方法是將Taraxacum koksaghyz與Taraxacum officinale雜交，后者雖然根系發(fā)達但天然橡膠產(chǎn)量很低（Schulze Gronover等人，2011）。如果通過雜交成功提高Taraxacum koksaghyz的橡膠含量至約20%，理論上每公頃可產(chǎn)1,200-1,800公斤橡膠（Van Beilen和Poirier，2007a）。因此，育種工作主要集中在增加根系生物量以利于收獲和提高橡膠產(chǎn)量（Van Beilen和Poirier，2007b）。目前，關(guān)于蒲公英橡膠含量和根形態(tài)的遺傳標記研究主要采用分子生物學方法，而代謝組學分析尚未得到充分探索。代謝組學涵蓋了細胞或生物體內(nèi)參與生長、維持和生理功能的所有小分子化合物（代謝物）。代謝物的產(chǎn)生和利用與細胞生理狀態(tài)及生物體表型密切相關(guān)，因此比基因表達水平或蛋白質(zhì)豐度更具代表性（Nobeli和Thornton，2006）。因此，代謝物的鑒定具有多重用途，可用于植物生理學研究、植物成分分析及代謝途徑分析。這些分析常用液相色譜-質(zhì)譜、氣相色譜-質(zhì)譜和核磁共振（NMR）等技術(shù)。盡管質(zhì)譜方法占已發(fā)表代謝組學研究的70%以上，但NMR方法在數(shù)據(jù)量和分析能力方面具有顯著優(yōu)勢（Wishart等人，2022）。盡管NMR的靈敏度相對較低，但它具有穩(wěn)健性、高重復(fù)性、簡便的樣品制備、強大的定量能力和非破壞性測量特性（Wishart，2019）。1H NMR光譜還能準確顯示分子內(nèi)質(zhì)子的分布，從而準確測定復(fù)雜混合物中相應(yīng)代謝物的濃度，這對于構(gòu)建代謝網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要（Emwas等人，2019）。NMR和質(zhì)譜方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大且復(fù)雜，通常需要統(tǒng)計方法輔助分析。本研究關(guān)注的是Taraxacum officinale和Taraxacum koksaghyz水提取物的1D 1H NMR代謝譜型。通過添加純標準物質(zhì)進行對比實驗，我們共鑒定出56種代謝物，其中9種在之前未在任一物種中發(fā)現(xiàn)，為它們的代謝提供了新見解。本研究的目的不是尋找提高橡膠含量或根生物量的生物標志物，而是利用多變量統(tǒng)計方法探討這些代謝譜型是否以及如何區(qū)分這兩種物種及其不同器官。這種器官和物種特異性的代謝組學比較是首次全面分析這兩種蒲公英物種的水基1H NMR譜型。這些代謝譜型的區(qū)分為未來發(fā)現(xiàn)與橡膠產(chǎn)量相關(guān)的生物標志物奠定了基礎(chǔ)。
試劑
試劑
除非另有說明，本研究中使用的所有試劑純度均不低于99%。所用的磷酸鹽緩沖液（H2O，0.1 g/L NaN3，0.067 mol/L Na2HPO4，0.033 mol/L NaH2PO4）購自AnalytiChem GmbH（德國杜伊斯堡）。氘氧化物（D2O）來自Deutero GmbH（德國卡斯特勞恩）。3-(Trimethylsilyl)propionic-2,2,3,3-d4酸的鈉鹽（TSP）購自abcr GmbH（德國卡爾斯魯厄）。馬來酸、L-異亮氨酸和D-天冬酰胺也來自相同公司。
代謝物鑒定
首先，需要對代謝物進行全面可靠的鑒定。為此，我們在蒲公英根基質(zhì)中加入純標準物質(zhì)進行靶向添加，并通過疊加光譜確認所有列出的代謝物（表1）。通過化學位移和分裂模式的組合，我們獲得了明確的鑒定結(jié)果。
討論
本研究旨在確定1D 1H NMR譜型是否能夠清晰區(qū)分兩種蒲公英物種及其不同器官。我們的目標不是尋找特定性狀標記，而是建立代謝基礎(chǔ)，為未來的生物標志物發(fā)現(xiàn)和功能研究提供依據(jù)。為了進行有意義的比較分析，首先進行了代謝物鑒定。
結(jié)論
本研究利用基于NMR的代謝組學技術(shù)首次全面分析了Taraxacum koksaghyz和Taraxacum officinale的根和葉片的水溶性代謝譜型，發(fā)現(xiàn)了這兩種物種中9種未報道的代謝物。通過多變量統(tǒng)計分析和途徑分析，成功區(qū)分了不同器官和物種之間的差異。器官類型是決定代謝差異的主要因素。
作者貢獻聲明
克萊門斯·蒂倫（Clemens Thielen）：撰寫、審稿與編輯、項目管理和概念構(gòu)思。弗雷德·艾克邁耶（Fred Eickmeyer）：撰寫、審稿與編輯、資源協(xié)調(diào)、項目管理和數(shù)據(jù)管理。邁克爾·雷蒂格（Michael Rettig）：撰寫、審稿與編輯、項目管理和方法學研究、數(shù)據(jù)管理。克里斯汀·德里斯萊因（Christine Drie?lein）：撰寫、審稿與編輯、初稿撰寫、數(shù)據(jù)可視化、軟件應(yīng)用、方法學研究、數(shù)據(jù)分析。
寫作過程中使用生成式AI和AI輔助技術(shù)的聲明
在撰寫過程中，作者使用了OpenAI的ChatGPT和DeepL Write工具來提升手稿的可讀性和語言表達。使用這些工具后，作者對內(nèi)容進行了必要的審查和修改，并對最終發(fā)表的文章內(nèi)容負全責。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的可能影響本文研究的財務(wù)利益或個人關(guān)系。
致謝
作者感謝lifespin GmbH團隊的支持，特別是Ramona Mirke、Christian Marquardt、Selina Strathmeyer和Stefan Kramel。
本研究的開放獲取資金由Projekt DEAL提供和組織。該研究得到了巴伐利亞州食品、農(nóng)業(yè)、林業(yè)和旅游部（StMELF）的資助 [資助編號G2/N/21/08]。
