空间代谢组揭秘：土豆发芽还能吃？

文章题目

The distribution and changes of glycoalkaloids in potato tubers under different storage time based on MALDI-TOF mass spectrometry imaging

发表期刊

Talanta

（IF=6.057）

发表时间：2020

摘要

      糖生物碱(GAs)是马铃薯中有毒的次生代谢产物，对人体有害。贮藏时间对GAs的合成和分布有很大影响。本文利用空间代谢组学研究了不同贮藏时间(0、10、15、20、30、40和60天)的马铃薯块茎中GAs的分布和变化。用logistic方程建立了4种主要GAs在芽、周皮和髓质中的生长趋势模型。结果表明4种GAs在芽和周皮的生长速度和相对含量均显著高于髓质。本研究有助于了解马铃薯中GAs在不同部位的代谢情况和监测食品安全。

研究背景

    糖生物碱(GAs)是茄科植物如马铃薯、茄子中常见的次生代谢产物。GAs是一种天然的有毒物质，对人类健康和食品安全构成威胁。机械损伤、光照、储存时间和温度等多种环境因素可刺激GAs的生物合成。因此，研究贮藏时间对马铃薯块茎中GAs含量的影响具有重要意义。

    目前测定马铃薯制品中GAs的方法主要有传统的酶联免疫吸附分析(ELISA)，气相色谱质谱(GC-MS)，高效液相色谱紫外检测器(HPLC-UV)和液相色谱质谱或串联质谱(LC-MS)。但这些方法都需要复杂的样品制备。例如，GC-MS总是需要复杂的衍生化，LC-MS必须经过复杂的样品提取和纯化过程。由于分析是在组织匀浆上进行的，缺乏样品中分析物的空间定位。

    基质辅助激光解吸电离(MALDI)是一种常见的质谱成像技术（MSI），MALDI-MSI可以实现高空间分辨率、高精度的测量，是目前应用最广泛的测量技术。MALDI-MSI由于其独特的优势，已广泛应用于各个研究领域，特别是生物组织切片的医学和药学研究。

技术路线

检测结果

1. 方法考察结果

图1 α-茄碱标曲

    为了提供马铃薯块茎组织更准确的数据，作者进行了α-茄碱标准品的定量实验。检测了不同浓度α-茄碱(0.01-5 μg/mL)的2,5-二羟基苯甲酸（2,5-dihydroxybenzoic acid，DHB）基质表达，标准曲线如图1所示。这一结果说明了MALDI-TOF-MSI方法用于组织样品的GAs鉴定和定量分析的潜力。2. 储存时间对马铃薯块茎不同部位GAs相对含量及空间分布的影响    如图2所示，我们可以清楚地查看马铃薯块茎的光学图像和分布的四个GAs：dehydrochaconine([M+H]+850.49 m/z)，α-chaconine ([M+H]+852.50 m/z)，dehydrosolanine ([M+H]+866.49 m/z)，α-solanine([M + H]+868.50 m/ z)在不同部位在不同存储时间。从光学图像可以直接观察到马铃薯块茎发芽的形态变化。图2 马铃薯块茎光学图像和四种GAs的质谱图像    从图2a可以看出，马铃薯块茎的外观没有变化，0天时，几乎检测不到四种GAs。这一结果表明，在正常贮藏条件下，新鲜马铃薯块茎中所含的GAs极少。当贮藏时间在第10天时，可以观察到明显的变化，如图2b所示。4种GAs开始生物合成和增加，并在马铃薯块茎组织中表现出明显的分布特征。在本次实验中，块茎GAs的生物合成主要发生在周皮的内层细胞层中，并且清楚地观察到马铃薯块茎的周皮先于髓质产生GAs。从质谱图上看，这4种GAs主要分布在表皮和皮周，皮周的GAs相对含量高于髓质。第15天，马铃薯块茎出现了小芽，形成了芽、周皮和髓质三个明显区域，如图2c所示。马铃薯块茎中GAs的相对含量显著增加，且在这三个部位分布不均匀。在质谱图像的颜色尺度上，颜色越亮，该区域的GAs含量越高。总体而言，4种GAs在3个部位的分布基本一致，芽中含量最高，周皮次之，髓质中含量最低。从第20 ~ 30天开始，如图2d和e所示，3个部分中4种GAs的相对含量随着芽的生长迅速增加。同时，GAs的分布特征仍主要集中在芽和髓质区域。后期(40 ~ 60天)，如图2f和g所示，芽生长缓慢，GAs分布向髓质扩散，但仍主要分布在芽和周皮区域。同时，4种GAs的相对含量趋于稳定或缓慢增长。3. GAs含量增长模型构建

    为了准确预测不同组织中的GAs值，作者提出了一种描述马铃薯块茎中GAs生长的s型生长模型——logistic方程。 

图3 拟合了四种GAs的Slogistic生长模型的生长曲线    马铃薯块茎不同部位的GAs实验数据如图3所示。初始阶段增长率急剧上升，随后达到平台。GAs增长的完全趋势类似于s型曲线。结果表明，该模型与实验结果吻合较好。4种GAs在芽和周皮的生长速率保持在相同的水平，远远高于髓质。四种GAs在芽和周皮的快速生长期几乎早于髓质的快速生长期。在含量上，四种GAs的含量在芽中最高，在髓质中最低。    马铃薯块茎的芽、周皮和髓质中GAs的相对含量和分布差异较大，可能是由于不同地区呼吸代谢强度不同所致。呼吸代谢的活性取决于底物的存在、呼吸酶的浓度、氧气和二氧化碳的浓度。休眠芽萌发时，马铃薯块茎芽和周皮呼吸活动的底物浓度较高;呼吸酶浓度高；GAs合成酶活性高;氧气很容易获得;二氧化碳很容易排放。但马铃薯块茎髓质底物浓度小，呼吸酶浓度低，氧气不易获得，二氧化碳不易排放。因此，GAs主要分布在马铃薯块茎的芽和周皮中。

    通过MALDI-TOF-MSI图像将马铃薯块茎分为3部分，在芽、髓质和周皮中α-链果碱与α-茄碱的比值分别为1.59、1.21和1.65。结果表明，髓质中该比值略低于其他组织。因为α-卡茄碱的毒性高于α-茄碱，所以这个比值越低越好。因此，马铃薯块茎髓质区GAs含量和周皮区低，且相对安全。这也是很多研究人员发现去除土豆芽和土豆皮后，土豆中GAs的含量和毒性大大降低的原因。

4. 马铃薯不同组织中4种GAs的相关性分析

图4 四种GAs在不同组织中的相关分析热图

    通过相关性分析验证了不同组织中四种GAs含量之间的关系。结果表明，4种GAs在马铃薯块茎芽、周皮和芽中的分布均呈显著相关。随着贮藏时间的延长，3个部位中4种GAs的含量有相似的变化趋势。四种GAs在芽中呈上升趋势，在周皮和髓质中呈上升趋势。值得注意的是，髓质中去氢查可碱和α-查可碱的变化过程相关性较低。(图4中蓝色部分)。这可能是因为这两种GAs在髓质中的含量较低，变化趋势不明显，相关性较低。这也证实了之前的分析。

结论

    本试验采用空间代谢组技术研究了不同贮藏时间下4种有毒GAs在马铃薯块茎不同部位的空间分布及变化。从形态学和质谱上观察到四种GAs随时间的变化。采用logistic增长模型拟合了贮存时间与GAs强度的可靠关系。各组织区域GAs生长速率和相对含量差异较大，不同的GAs也呈现出不同的增长趋势。重要的是，从GAs生物合成和代谢的角度，揭示了这些结果可能的原因。本研究对揭示马铃薯块茎不同部位的GAs代谢具有重要意义，可为马铃薯的贮藏和食品安全监测提供指导。

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参考文献

Yda B ,  Mh A ,  Feng F A , et al. The distribution and changes of glycoalkaloids in potato tubers under different storage time based on MALDI-TOF mass spectrometry imaging[J]. Talanta, 2020, 221.

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