项目文章 | AFADESI空间代谢组学探究小麦颖果氨基酸和有机酸对多基因响应~

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小麦单代对大气CO₂浓度(e[CO₂])升高的响应正在累积研究中，但e[CO₂]对小麦的多代效应在很大程度上是未知的。在本研究中，运用以质谱成像为主的空间分辨代谢组学来探究多代e[CO₂]暴露的小麦颖果中氨基酸和有机酸的空间分布。

2023年2月，中国科学院东北地理与农业生态研究所李向楠课题组（一作：李书鑫）在Environmental and Experimental Botany期刊发表的题为 “Visualized analysis of amino acids and organic acids in wheat caryopsis in response to multigenerational effects of elevated atmospheric CO₂ concentration”（IF：6.028）的研究文章。本研究应用空间代谢组学技术，将多代高CO₂处理和常规CO₂处理条件下的小麦颖果中氨基酸和有机酸的空间分布进行了可视化。

中文标题：小麦颖果氨基酸和有机酸对多基因响应的可视化分析

研究对象：小麦

发表期刊：Environmental and Experimental Botany

影响因子：6.028

发表时间：2023年2月

运用组学技术：AFADESI-MSI空间代谢组学（由鹿明生物提供技术支持）

研究结论

随着全球环境污染的加剧，空气中二氧化碳浓度不断升高。高CO₂浓度（e[CO₂]）生长环境下对小麦果实中营养成分以及小分子代谢物的积累的影响研究越来越多，本研究从多代e[CO₂]生长环境出发，将e[CO₂]生长环境和常规大气CO₂浓度(a[CO₂])生长环境培育的第7代小麦颖果中氨基酸和有机酸的空间分布状态进行了对比。

在连续a[CO₂]生长环境下，小麦颖果中9种氨基酸和3种有机酸呈现出胚胎分布模式。此外，e[CO₂]可以诱导氨基酸和有机酸的不均匀空间分布。研究人员进一步考察e[CO₂]多代暴露下胚/胚乳中氨基酸积累的差异，发现胚中缬氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸和组氨酸的丰度在e[CO₂]多代暴露下降低，对于植物本身而言，缬氨酸和赖氨酸分别通过参与支链氨基酸降解和三羧酸循环为种子萌发提供足够的能量。这一结果表明，多代e[CO₂]暴露抑制了种子萌发的能量储存。

天冬氨酸不仅是氮的理想运输和储存形式天冬酰胺的前体，也是必需氨基酸的前体。e[CO₂]多代暴露下胚乳中赖氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的丰度呈现上调的趋势，这种胚乳中氨基酸积累可以满足氮化合物的合成需求和种子萌发期间胚中DNA的修复。以上研究结果表明，胚乳中的天冬氨酸和谷氨酸在满足种子萌发期间主动代谢过程的需求中起着关键作用。

除氨基酸外，多代e[CO₂]降低了抗坏血酸和顺乌头酸的含量，而增加了苹果酸的含量，但对胚和胚乳没有影响。胚乳苹果酸水平的提高可能有助于促进TCA循环，为后代活力提供原料和能量。这项研究为利用空间分辨代谢组学研究e[CO₂]对小麦种子的长期影响提供了新的见解，这可能进一步影响人类营养和小麦后代的活力。

综上所述，在本研究中，作者使用AFADESI-MSI空间代谢组学对暴露于多代e[CO₂]的小麦颖果中的氨基酸和有机酸谱进行了空间代谢组学研究。在连续e[CO₂]条件下，异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸、缬氨酸、精氨酸、酪氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺和组氨酸等9种差异表达氨基酸呈现胚胎分布模式。多代e[CO₂]降低了胚胎中缬氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸和组氨酸的丰度，而胚乳中的赖氨酸、天冬氨酸酸和谷氨酸呈现出不同的趋势。

除氨基酸外，在胚和胚乳中多代e[CO₂]降低了抗坏血酸和顺乌头酸的含量，而增加了苹果酸的含量。多代e[CO₂]暴露抑制了种子萌发的能量储存，胚乳在萌发过程中的能量提供在这种情况下至关重要，胚乳中苹果酸水平的提高可能有助于促进TCA循环，为后代活力提供原料和能量。这项研究为运用空间分辨代谢组学研究e[CO₂]对小麦种子的长期影响提供了新的见解，这可能进一步影响人类营养和小麦后代的活力。

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灵犀撰文

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