【用户文章】比较代谢组学分析揭示喜马拉雅山脉中两种濒临灭绝红豆杉之间的代谢差异

文章信息

比较代谢组学分析揭示喜马拉雅山脉中两种濒临灭绝红豆杉之间的代谢差异

Comparative metabolomics reveals the metabolic variations between two endangered Taxus species (T. fuana and T. yunnanensis) in the Himalayas

发表单位：杭州师范大学

发表期刊：BMC Plant Biology

影响因子：3.93

技术手段：UPLC-MS/MS非靶向代谢组学分析

发表时间：2018

研究背景

红豆杉属植物由于其天然产物紫杉醇（一种成功的抗癌药物）而备受关注。目前，随着人类疾病的爆发，紫杉醇供不应求，这可能受限于野生紫杉生长缓慢、低紫杉醇含量和复杂的合成途径。目前，已经揭示了紫杉醇的生物合成途径，其合成过程中会产生大量的紫杉醇前体，中间体和衍生物。非靶向代谢组提供了系统分析和比较物种间主要和次级代谢物特征的捷径。

T. fuana和T. yunnanensis是两种主要分布在喜马拉雅山脉的濒临灭绝的红豆杉品种。对这两种形态相似的红豆杉之间的紫杉烷以及其他次级代谢产物的种间差异积累的代谢特征的研究将有助于增强高产物种的育种，并揭示物种和环境依赖的代谢变异机制。此外，喜马拉雅山脉是世界上为数不多的罕见植被天堂之一，本研究可能为保护这两种濒临灭绝的红豆杉种类的种质资源提供有价值的信息。

研究方法

从西藏吉隆县的T. fuana和墨脱县的T. yunnanensis两个品种中各收集15株10年生野生红豆杉（Taxus tree）的新鲜枝条样品。每个样本经代谢物提取处理，并将同一品种的样品取等体积混合作为ＱＣ样本，随后保存至-80℃备用。后续利用UPLC-MS/MS非靶向代谢组学分析样品中代谢物的差异，并对其中紫杉醇和黄酮类化合物进行了定量分析。

研究结果

图１　两个紫杉醇物种的代谢物热图（n = 15）

T. fuana和T. yunnanensis的代谢物谱分析如图1所示。与枝条形态相似性不同，T. fuana和T. yunnanensis之间代谢组差异显著。基于注释，许多代谢物被分配至至少一种主要或次要代谢类别，前20大代谢类别有卟啉和叶绿素代谢，2-氧代羧酸代谢，氨基酸生物合成，ABC转运蛋白及二萜生物合成等。

图２　鉴定T. fuana和T. yunnanensis之间的DAMs

主成分分析显示PC1和PC2分别占差异的59.75％和5.43％，表明这两种红豆杉物种之间有明显的分离。通过筛选差异累积的代谢物（DAM），确定了1972个显著的DAMs，T. yunnanensis中788个，T. fuana中1184个。所有DAM都被分配到各种主要代谢类别，包括生物碱，氨基酸，类黄酮，激素，脂质，萜类化合物，苯丙素类及糖类等。其中，主要在T. fuana中积累的代谢物的数量与T. yunnanensis中的相似。然而，47种黄酮类化合物主要在T. fuana中积累，而在T. yunnanensis中仅有14种黄酮类化合物积累。每种代谢物的归一化离子强度显示在图2c中。

图３　T. fuana和T. yunnanensis中紫杉醇的前体、中间体、竞争物丰度的变化

紫杉醇生物合成是一个复杂的代谢途径，涉及大量的次级代谢产物，包括紫杉醇的前体、中间体和竞争物，图3a所示即为搜索到的6种前体、6种中间体以及4种紫杉醇竞争物。T. fuana和T.yunnanensis中前体积累没有显著差异；然而，紫杉醇主要累积在T.yunnanensis中；大多数中间体在T.yunnanensis中高度积累，而所有紫杉醇类代谢物在T. fuana中均显著积累（图3b）。

图４　T. fuana和T. yunnanensis中紫杉烷含量的测定

为了确定T. fuana和T.yunnanensis中紫杉醇及其衍生物含量的差异，利用UPLC-MS/MS方法定量7种紫杉醇及其衍生物。非靶向代谢组学分析表明紫杉醇主要在T.yunnanensis中积累，T.yunnanensis中的紫杉醇含量（0.084 mg/g）是T. fuana（0.027mg/g）的3.1倍。此外，与T. fuana相比，其他6种紫杉烷在T.yunnanensis中均有显著积累（图4a）。T. fuana和T. yunnanensis之间紫杉烷的代表性TIC色谱图显示在图4b和c中。

图５　非靶向代谢组学分析揭示T. fuana和T. yunnanensis之间黄酮类化合物的变化

迄今为止，已从各种红豆杉种中分离出大量黄酮类化合物，本研究鉴定了参与类黄酮生物合成的35种代谢物和涉及异黄酮生物合成的17种代谢物。对于黄酮类生物合成，除了叶黄素，黄腐酚和白藜芦醇外，大多数代谢物在T. fuana中显著积累。对于异黄酮类生物合成，大多数代谢物，除（-）-药物杀伤剂，假性茶碱素和大豆苷元外，主要在T. fuana中积累（图5）。

图６　T. fuana和T. yunnanensis中总黄酮和单个黄酮含量的测定

本研究测定了T. fuana和T. yunnanensis中总黄酮和8种单个黄酮类化合物的含量，包括芹菜素，木犀草素，山奈酚，槲皮素，（+）-儿茶素，（ - ）-表儿茶素，阿曼托黄素和银杏黄素。T. fuana中总黄酮含量显著高于T. yunnanensis（图6a），大多数类黄酮（芹菜素，木犀草素，山奈酚，槲皮素，阿曼托黄素和银杏黄素）主要在T. fuana中积累，只有两种黄酮类化合物（+）-儿茶素和（ - ）-表儿茶素主要在T. yunnanensis中积累（图6b），T. fuana和T. yunnanensis样品中黄酮类化合物的代表性TIC色谱图如图6c和d所示。

研究结论

本研究采用代谢组学方法检测了T. fuana和T. yunnanensis枝条的代谢变化，总共识别出属于不同代谢类别的4986个注释代谢物。T. yunnanensis中的紫杉醇水平显著高于T. fuana。所有鉴定的紫杉醇生物合成中间体主要在T. yunnanensis中积累。此外，T. fuana中的总黄酮和一些单个黄酮类化合物的含量显著高于T. yunnanensis。本研究可为在不同环境中生长的两种濒危红豆杉种类的种质资源的综合利用和保存提供有价值的信息。

本研究中的代谢组学分析由联川生物提供

参考文献

Yu et al. Comparative metabolomics reveals the metabolic variations between two endangered Taxus species (T. fuana and T. yunnanensis) in the Himalayas．BMC Plant Biology　(2018)18:197．Doi：org/10.1186/s12870-018-1412-4

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