基于MALDI-MSI的空间代谢物分析技术揭示了唐古特蓼（Rheum tanguticum）根系在不同生长年份中的代谢变化，进一步证明了其作为功能性食品的潜力

《Food Bioscience》：MALDI-MSI-Based Spatial Metabolite Mapping of Rheum tanguticum Roots across Growth Years Reveals Functional Food Potential

　　基于MALDI-MSI、UPLC-MS/MS和RNA-seq多组学分析，揭示了Rheum tanguticum根系中anthraquinones和flavonoids的时空分布规律及分子机制。研究发现PKSIII基因和MYB转录因子（如RtanMYB07）的表达热点与代谢物富集区域高度吻合，并首次鉴定Diphyllin等新型活性成分。该成果为制定优质种植策略和开发功能性食品/药物奠定理论基础。

　　这项研究聚焦于藏药大黄（Rheum tanguticum Maxim. ex Balf.）根部的次生代谢物及其在不同生长阶段的积累和空间分布。大黄作为一种具有“药食同源”潜力的植物，其根部富含多种具有生物活性的化合物，如蒽醌类物质（AQs）和黄酮类物质（flavonoids），这些物质不仅赋予了大黄药用价值，也在食品领域展现出重要潜力。研究团队通过整合多种技术手段，包括基质辅助激光解吸/离子化质谱成像（MALDI-MSI）、超高效液相色谱-电喷雾电离-串联质谱（UPLC-ESI-MS/MS）和转录组测序（RNA-seq），系统解析了大黄根部的代谢物分布模式及其与基因表达的关联性。研究发现，AQs和黄酮类物质在大黄根部中占据重要比例，且它们的空间分布呈现出互补的梯度变化，随着根部年龄的增长，这种分布模式也发生显著变化。转录组分析显示，特定的PKSIII和MYB基因在这些代谢物富集区域表现出高表达，揭示了它们在代谢物合成中的关键作用。这一发现不仅为大黄的代谢物积累提供了新的时空蓝图，还为通过基因标记辅助育种和定向加工策略提升其药用和功能性食品价值提供了高分辨率的靶点。

大黄是蓼科（Polygonaceae）植物中的一种重要种类，其根部因其泻下和抗炎作用而被广泛用于中药和保健品中。然而，不同地区对其利用方式存在显著差异。在西方，大黄被用作甜点和酱料的重要成分，同时作为天然黄色染料被使用。而在东方，大黄则因其悠久的药用历史而备受推崇，其根部和根茎被正式归为“大黄”这一药典名称下的药材。值得注意的是，大黄在高原地区有悠久的食用传统，其加工产品如炮制大黄和蒸制大黄被列为可靠的健康食品和功能性食品原料。因此，深入研究大黄根部的代谢物积累模式及其空间分布，不仅有助于提升其药用价值，也为开发具有健康益处的食品提供了理论依据。

研究团队通过对大黄根部在三个不同生长阶段（1年、2年、3年）的样本进行分析，揭示了代谢物在根部中的动态变化。通过MALDI-MSI技术，他们成功绘制了大黄根部中多种代谢物的空间分布图，包括AQs、黄酮类物质以及一些具有潜在药用价值的化合物。此外，结合UPLC-ESI-MS/MS和转录组分析，团队进一步验证了这些代谢物的含量变化及其与基因表达的关联性。研究发现，随着大黄根部的成熟，AQs的积累呈现出明显的增加趋势，而黄酮类物质则在根部中心区域显示出较高的浓度。这些发现不仅丰富了对大黄代谢物分布模式的理解，也为优化其种植和加工提供了科学依据。

在代谢物的积累过程中，AQs和黄酮类物质表现出显著的区域性特征。例如，AQs主要富集在根部的皮层和髓部，而黄酮类物质则在根部的皮层和中心区域分布广泛。这种分布模式表明，根部的代谢物积累与特定的基因表达密切相关。研究中识别出的PKSIII和MYB基因在代谢物富集区域表现出高度表达，为解析这些代谢物的合成机制提供了关键线索。PKSIII作为聚酮合成途径中的核心基因，其表达模式与AQs的积累趋势高度一致，而MYB转录因子则在黄酮类物质的合成中起着调控作用。通过亚细胞定位和转基因烟草实验，研究团队进一步验证了这些基因的功能，发现RtanMYB07在调控AQs和黄酮类物质合成中具有重要作用。

此外，研究还发现了大黄根部中一种之前未被关注的具有潜在药用价值的化合物——Diphyllin。这种化合物在不同生长阶段的大黄根部中均被检测到，尤其在1年和3年生的根部中表现出较高的浓度。Diphyllin的分布模式表明，其在根部的特定区域具有重要的生理功能，可能与大黄的抗病毒、抗肿瘤等生物活性有关。这一发现为大黄的药理学研究提供了新的方向，同时也为开发新型功能性食品提供了潜在的物质基础。

研究团队还通过统计分析和功能注释，进一步探讨了这些代谢物的积累与基因表达之间的关系。他们发现，不同代谢物在根部中的分布模式与特定的基因表达区域高度吻合，这种空间上的对应关系为解析代谢物合成的分子机制提供了重要线索。此外，通过比较不同生长阶段的代谢物含量和基因表达水平，团队还揭示了大黄根部在不同生长阶段的代谢物积累趋势。例如，随着根部年龄的增长，AQs的含量显著增加，而黄酮类物质的含量则呈现出不同的变化趋势。这种变化可能与根部结构的发育以及代谢物的转化过程有关。

在应用层面，研究结果对大黄的“药食同源”开发具有重要意义。通过对代谢物分布模式的解析，团队提出了一个合理的利用策略：将根部的外层（皮层）作为药用原料，而将根部的内层（髓部）用于功能性食品的开发。这种策略不仅符合大黄的代谢物分布特征，还考虑到了其在不同生长阶段的利用价值。此外，研究还指出，由于某些代谢物的含量较低，难以通过传统质谱成像技术直接检测，因此可以借助其糖苷化、甲基化等衍生物的分布模式进行间接预测。这种方法为其他植物中类似代谢物的研究提供了参考。

从植物生理学角度来看，大黄根部的代谢物积累与根部结构的发育密切相关。例如，随着根部的成熟，木质化程度逐渐增加，这可能影响代谢物的分布和积累。在1年生的大黄根部中，代谢物的分布较为均匀，而在2年和3年生的根部中，代谢物的富集区域变得更加明显。这种变化可能反映了根部结构和代谢功能的动态调整。此外，根部的代谢物积累还受到环境因素的影响，如干旱和紫外线辐射等，这些因素可能通过调节代谢物的合成途径和基因表达水平，影响大黄的药用和食用价值。

本研究的创新点在于首次结合MALDI-MSI与多组学分析，揭示了大黄根部代谢物的时空分布规律及其与基因表达的关联性。这种跨学科的研究方法不仅深化了对大黄代谢机制的理解，还为优化其种植、加工和利用提供了科学依据。未来，研究团队计划进一步探索这些基因在其他植物中的功能，以期在更广泛的植物中推广这一研究思路。同时，他们也希望通过分子育种技术，培育出富含AQs和黄酮类物质的大黄品种，从而提升其在食品和医药领域的应用潜力。

总的来说，这项研究为大黄的药食同源开发提供了重要的理论支持和技术手段。通过对代谢物和基因表达的系统分析，研究团队揭示了大黄根部代谢物积累的复杂机制，并为未来的大黄研究和应用指明了方向。随着对大黄代谢物分布和合成途径的深入理解，其在功能性食品和医药领域的应用前景将更加广阔。