基于质谱技术的药用植物多组分全面、原位及动态分析新方法研究

The aim of the project is to solve the key problem regarding the complex components, large scale of the contents and their changes according to the time, cultivated varieties and ecological condition of the medicinal plant by the integrated LC-MS/MS based metabolomics and the technique of mass spectrometry imaging (MSI), and the development of a new method for overall, dynamic and in situ MS analysis about comprehensive components (including active and characteristic ingredients) of medicinal plant will be carried out. The object of this study will focus on the Uighur medicinal plants Artemisia rupest L. The LC-MS/MS analytical method will be established to obtain the structures and contents of known and unknown components. Furthermore, the metabolic character and dynamic rules of different cultivated varieties, ecological condition，growth and development period of this plant will be acquired. A novel AFAI-MSI method will be carried out to obtain the specific distribution of the active and variant ingredients. The correlation between the ecological factor, growth process and the metabolic and distributional mode will be discussed according to the comprehensive analysis, and it will be useful for revealing the plant physiology and metabolic mechanism. This project aims at establishing a novel method and strategy for quality evaluation, variety improvement and reasonable development of medicinal plant.

本项目针对药用植物成分多样、含量差异大且随时间、品种和生态环境等因素而变化的关键科学问题，采用基于质谱技术的多组分群分析方法，代谢组学与质谱成像技术相结合的分析思路，开展药用植物不同组分包括活性成分及特征成分的整体、动态及原位表征的质谱分析新方法研究。选择维吾尔医药用植物新疆一枝蒿为研究对象，建立适合于已知及未知成分结构及含量分析的LC-MS/MS分析方法。在此基础上，采用代谢组学分析方法发现不同品种、生态环境、生长发育期该植物的代谢组特征及动态变化规律；进一步采用新型敞开式离子化质谱成像技术（AFAI-MSI）开展原位分析，获取主要活性成分及差异成分在一支蒿各部位的特异性分布信息。通过综合分析，探讨生态因子、生长发育过程与关键成分代谢模式、分布模式的相关性，为揭示植物生理与代谢适应机制提供全新的视角。本项目建立的分析方法有望为药用植物资源的质量评价、品种改良和合理开发提供新研究策略。

本项目针对药用植物成分多样、含量差异大且随时间、品种和生态环境等因素而变化的关键科学问题，采用代谢组学与质谱成像技术相结合的分析思路，建立了新疆一枝蒿（Artemisia rupest L.）植物中不同组分的整体、动态及原位表征的质谱分析新方法。首先，通过考察植物样品前处理过程中干燥方法、提取溶剂等条件，并以代谢物覆盖度为主要指标，对LC-MS分析的关键参数进行优化与方法学验证，建立了新疆一枝蒿植物非靶向代谢组学LC-MS/MS分析方法；发现了该药用植物根、茎、枝、叶、花不同组织器官中代谢组的显著性差异，不仅丰富了其物质基础信息，同时也为其有效成分的合理利用提供了重要信息。采用上述方法，对采集自新疆阿勒泰富蕴、新疆哈密两个地区的野生与人工栽培品种的盛花期新疆一枝蒿植物的花、茎、枝叶部位进行多维度的代谢组分析，整合非靶向与代表性代谢物的靶向分析，发现产地因素主要影响野生品种，品种差异主要体现在阿勒泰富蕴地区采集的样本，并发现该植物中93个与产地相关的差异代谢物、199个与品种相关的差异代谢物；在此基础上，针对阿勒泰富蕴地区野生和人工栽培品种样本进行了de novo转录组分析与q-PCR验证，发现了与24个主要差异代谢物密切相关的6个基因，揭示了其代谢组差异的遗传背景。随后，通过对两个地区人工栽培品种的幼苗期、生长发育期、盛花期样本的代谢组分析，获取了该植物生长过程中代谢组的动态变化特征及若干个生长相关的代谢物。此外，通过气象数据检索与分析，初步构建了生态因子与上述关键成分代谢模式、分布模式的相关性网络，为该植物生理与代谢适应机制提供新的分子信息。进一步通过考察与优化组织粘合剂、包埋剂、切片厚度、喷雾溶剂系统、喷雾气等条件，建立了该植物花、茎部位的冰冻切片制备方法和AFADESI-MSI质谱成像分析新方法，实现1000余个代谢物的原位表征，为药用植物物质基础研究提供了新的分析手段和研究策略。本项目发表SCI论文3篇；申请专利1项，获授权专利1项；培养硕士研究生5名；项目负责人等应邀作学术报告十余次。