三七（P. notoginseng）在中醫藥中被廣泛用于治療心血管疾病和血液系統疾病，也被許多國家視為重要的功能性食品，其根莖和根中所含的代謝物是三七發揮藥理作用的物質基礎。然而三七的組織結構具有高度的異質性，且三七代謝物的區域特異性分布也會導致三七不同植物部位的藥理作用不同，而目前研究三七代謝物空間分布的報道較少。

2021年4月，齊魯工業大學（山東省科學院）團隊在Journal of Ginseng Research  上發表了題為“Visualizing the distributions and spatiotemporal changes of metabolites in Panax notoginseng by MALDI mass spectrometry imaging”的文章。該文使用MALDI-MSI 方法對三七不同部位（包括根莖、主根、支根和須根）和不同微區（包括韌皮部、木質部、髓質和軟木）及三七蒸煮過程中代謝物的時空變化進行成像分析，從而拓展了對植物代謝物空間特征的認識，也為更細致地探索藥材加工過程中的分子變化提供了新途徑。

研究材料
三七根和根莖

技術路線
· 步驟1：優化三七代謝物成像的MALDI基質；
· 步驟2：三七不同組織及不同組織微區代謝產物的空間分布研究；
· 步驟3：三七蒸煮過程中代謝物的時空變化研究。

研究結果
1. 優化三七代謝物成像的MALDI基質
為了獲得更豐富的代謝物信息，作者對來自同一三七根上的三個相鄰切片分別噴涂 9-AA、CHCA 和 1,5-DAN基質，然后比較了MALDI-MSI 在檢測三七根中代謝物的性能。結果發現當 1,5-DAN 用作 MALDI 基質時，所有檢測到的初級和次級代謝物都表現出更強的離子強度，例如三七皂苷-R1、人參皂苷-Re、蘋果酸 、棕櫚酸等（圖1）。
此外，作者在三七根切片中代謝物水平高的組織區域進行了原位 MS/MS 實驗。圖 2 顯示了典型的原位 MALDI-MS/MS 譜圖以及三七皂苷-R1 和人參皂苷-Re 的裂解途徑，結果表明皂苷傾向于碎裂糖苷鍵以產生特征產物離子。

圖1 比較9-AA、CHCA和1,5-DAN作為基質在三七根切片中的代謝產物成像


圖2 三七皂苷-R1 (A) 和人參皂苷-Re (B) 的原位 MS/MS 譜圖

2. 三七不同組織及不同組織微區代謝產物的空間分布研究
將三七根切片進一步分為韌皮部、木質部、髓質和軟木組織，然后使用優化的 MALDI-MSI 方法對三七中不同類別代謝物的空間分布進行了成像分析，包括三七皂苷、人參皂苷、氨基酸、丹參堿、葡萄糖酸和低分子量有機酸。結果發現不同代謝物在不同組織微區里的空間分布差異較大，例如三七皂苷-R1 在韌皮部和外木質部顯示出更強的離子信號，而人參皂苷-Re在髓質和內木質部中的含量遠高于韌皮部和外木質部，苯丙氨酸、谷氨酰胺和天冬酰胺等氨基酸主要分布在髓質和韌皮部區域，包括蘋果酸和檸檬酸在內的低分子量有機酸在韌皮部和髓質中都表現出比木質部更強的離子強度等（圖3）。
作者接著對同一株三七植物上的根莖、主根、分枝根和須根進行了MALDI-MSI分析，并對根莖和不同根組織切片進行了主成分分析 (PCA)，發現三七根莖的代謝物譜與三七根的代謝物譜有較大差異。質譜成像顯示根莖和不同根組織中三七皂苷-R1的含量相似，三七皂苷-Fc 和人參皂苷-Re在根莖組織中表達較多，谷氨酰胺和天冬酰胺在根莖中呈現比根組織強得多的離子信號等(圖4)。

圖3 三七根切片不同微區中代表性代謝物的質譜成像圖


圖4 三七不同組織切片的質譜成像分析

3. 三七蒸煮過程中代謝物的時空變化研究
生三七和蒸三七都被認為是治療各種疾病的重要藥物。三七在蒸制過程中代謝物的變化被認為是造成生、熟三七藥理作用差異的重要原因。作者將三七根組織分成四等份，一份不蒸，另外三份分別在 110 ℃下蒸 20 min、1 h 和 2 h，然后組織切片并進行MALDI-MS成像分析。結果發現三七皂苷-R1、三七皂苷-Fc和人參皂苷-Re等高豐度皂苷的含量在生三七根與蒸三七根中差異不大，可能不是生三七與蒸三七之間生物學差異的主要原因。另外結果還顯示一些代謝物隨蒸煮而發生變化，如蒸煮后三七根中的丹參堿含量顯著降低，精氨酸和谷氨酰胺的含量隨著蒸煮時間的延長而逐漸增加等，這些變化可能是生三七與蒸三七藥理作用不同的主要原因（圖5）。

圖5 生三七和三七蒸煮過程中代表性代謝物的質譜成像分析

小結
本研究利用MALDI-MS成像技術，首次成功地成像了三七不同部位和不同微區的代謝物信息。此外，還研究了三七根蒸煮過程中代謝產物的時空變化，篩選出了一系列隨蒸煮過程而變化的代謝產物。

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