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中国药科大学李彬团队Trends in Plant Science综述｜质谱成像技术在天然产物生物合成研究中的应用

花匠小妙招
2025-08-06 23:48

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生命科学

Life science

植物天然产物不仅在植物防御、环境适应和物种间相互作用中扮演重要角色，还在人类医药、食品和化妆品等领域得到广泛应用。植物的次生代谢过程十分复杂，全面解析天然产物在植物体内的合成途径与代谢调控需要多组学技术的有机整合与通力协作。近年来，质谱成像（Mass Spectrometry Imaging, MSI）技术因其具有揭示化合而物空间分布的能力在植物研究领域发挥了重要作用。来自中国药科大学的李彬教授团队近日在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Plant Science发表了题为“Exploring natural product biosynthesis in plants with mass spectrometry imaging”的综述文章，系统总结了质谱成像技术在植物天然产物合成途径与调控研究中的应用。

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生物质谱成像技术自问世以来，在样品制备方法，分析灵敏度、特异性、空间分辨率和成像速度等方面不断的完善和发展，逐步形成了特有的分子成像技术。MSI利用原理与构造各异的离子源扫描样本，实现样品表面待测物的原位解吸/电离，并传输到质谱仪中进行检测，获得与分布位置相关联的质谱图集合，并生成m/z图像，实现样品中多种化合物空间分布的可视化分析。常用的MSI离子化技术包括基质辅助激光解吸电离（MALDI）、解吸电喷雾电离（DESI）、二次离子质谱（SIMS）等。每种MSI技术在样品制备要求、分析物种类、空间分辨率、仪器成本等方面各有优劣。

▲图1. 质谱成像助力植物天然产物合成途径与调控研究

植物天然产物的生物合成涉及一系列复杂的代谢和运输过程，这些过程在不同的组织和细胞中进行，并受到植物体内代谢网络精准的调控。MSI技术能够提供天然产物及其生物合成途径中重要中间体在植物各组织中的空间分布特征，为解析天然产物的生物合成途径提供了重要线索。目前，应用MSI技术已揭示了诸如贯叶金丝桃、甘草、芍药、牡丹、银杏、桔梗、人参、三七、丹参、红豆杉、长春花等药用植物中多种类型天然产物的组织分布特征，及桔梗皂苷、人参皂苷、石斛碱、香紫苏醇等活性天然产物生物合成途径的空间特异性。

通过MSI技术获得的空间分布信息也为解析天然产物生物合成相关功能基因提供了重要线索。通过关联代谢物的空间分布与基因表达的空间分布，为高效发现天然产物生物合成相关功能基因提供重要参考。这一研究路线目前已被成功运用于多种新功能基因的发现，例如穗花牡荆中参与二萜类化合物生物合成的多种二萜合酶基因及桔梗中催化桔梗皂苷E合成的糖基转移酶基因等。MSI技术因此成为解析天然产物生物合成途径的重要工具之一，为寻找、注释参与生物合成的关键基因提供关键信息。

此外，MSI技术也逐渐应用于揭示外源刺激对植物次生代谢的调节及其信号转导途径的研究。例如利用MSI技术解析玉米、鼠尾草等植物抗真菌的防御机制，包括代谢调节与防御物质的合成等。此外，可利用MSI技术研究植物在受伤、干旱等非生物胁迫下的防御反应，揭示肌醇、茉莉酸等重要生长调节物质的空间代谢规律。

总结与展望

尽管MSI技术在植物天然产物研究中取得了显著进展，为研究植物天然产物的分布、积累和基因表达提供重要线索，但仍面临一些挑战。例如，在天然产物结构的原位鉴定、同分异构体的区分、定量成像分析等方面仍然存在技术瓶颈。为了解决这些问题，研究人员正在通过开发更高效的原位电离源、集成离子淌度分离技术、建立稳定同位素标记等方法，进一步提高MSI的综合分析能力。此外，质谱成像技术与其他成像技术的结合，如光学成像、磁共振成像等，为多模态成像分析提供新途径；整合空间多组学技术（空间转录组、空间蛋白组、空间代谢组等），联合生物信息学，为全面解析天然产物生物合成提供新思路。

未来，通过不断优化和创新，单细胞甚至亚细胞MSI将成为主要技术发展方向。MSI技术也将成为天然产物生物合成研究的主力技术之一，为生物工程、药物开发和农业科学等领域提供新的视角和方法。

论文作者介绍

李彬

教授

李彬，中国药科大学教授，博士生导师。入选国家高层次青年人才计划，江苏特聘教授，中国药科大学“兴药领军学者”。研究方向包括：生物质谱成像、空间代谢组学、中药分析新技术与新方法开发等。目前以第一/通讯作者在Angew, JACS, New Phytol, Anal Chem等期刊上发表多篇研究论文，研究成果入选2023年度中医药十大学术进展。