《Journal of Plant Physiology》：Identification and Quantification of Dandelion Metabolites by NMR for the Characterization and Differentiation of Dandelion Germplasm
编辑推荐：
蒲公英属代谢组学及天然橡胶合成研究|氢核磁共振（1H NMR）|根器官特异性代谢分析|多元统计分析|植物育种技术优化
克里斯汀·德里斯莱因（Christine Drie?lein）|安德烈亚斯·克伦佩尔（Andreas Krumpel）|弗雷德·艾克迈耶（Fred Eickmeyer）|迈克尔·雷蒂格（Michael Rettig）|克莱门斯·蒂伦（Clemens Thielen）
慕尼黑工业大学斯特劳宾生物技术和可持续发展校区优化与可持续决策教授职位，地址：Am Essigberg 3，94315 斯特劳宾，德国
摘要
蒲公英是一种具有多种药理特性的草本植物。俄罗斯蒲公英（Taraxacum koksaghyz）的根系能产生质量良好的天然橡胶，因此可以作为传统橡胶树的替代品。目前正努力将这种植物与普通蒲公英（Taraxacum officinale）进行杂交，以提高其根部的橡胶产量。核磁共振（NMR）光谱技术具有广泛的应用前景，因为它能够同时检测多种代谢物，从而成为代谢组学中的强大工具。在本研究中，我们利用基于NMR的代谢组学方法分析了两种蒲公英物种Taraxacum koksaghyz和Taraxacum officinale的代谢谱型，作为发现生物标志物的初步步骤，并首次全面比较了这两种物种叶片和根部器官的1H NMR代谢组学数据。数据集包括100个Taraxacum koksaghyz和94个Taraxacum officinale叶片样本，以及43个Taraxacum koksaghyz和85个Taraxacum officinale根部样本。在1D 1H NMR光谱中，我们鉴定并量化了56种代谢物，其中9种化合物在之前尚未在任一蒲公英物种中被报道过。随后，我们将代谢物结果与多变量统计方法结合分析，揭示了蒲公英物种内部及其不同器官之间的代谢差异。器官类型是决定代谢变化的主要因素，而物种特异性差异在根部最为显著。这些NMR谱型为橡胶育种中的生物标志物发现奠定了基础，突显了NMR在蒲公英代谢组学中的实用价值，并加深了我们对它们器官特异性代谢过程的理解。
引言
Taraxacum属属于菊科（Asteraceae）、菊亚科（Cichorioideae）和乳苣族（Lactuceae），常见于北半球的温带地区，生长在田野、路边和杂草丛中。该属的传统药用价值已有多年记载（Schütz等人，2006a）。研究表明，蒲公英具有抗炎、镇痛、抗氧化和抗癌等作用（Jung等人，2011），可用于治疗肝炎、消化不良和厌食等症状。Taraxacum属包含超过2500种植物，多为二年生或多年生草本植物（Mingarro等人，2015）。其中一些物种，如Taraxacum officinale（通常称为蒲公英），分布广泛且具有高度入侵性（Martinez等人，2015）。Taraxacum officinale是一种多年生植物，广泛分布于花园、牧场和受干扰的区域，高度可达40厘米（Di Napoli和Zucchetti，2021）。该植物耐旱耐寒，能承受低至-29°C的温度，适应多种土壤类型（从沙质到排水良好的土壤，甚至重粘土）。其根系为长而不分枝的块根，含有乳状乳胶（Lim，2014）。根长约为60-100厘米，平均直径为2.5厘米（Schulze Gronover等人，2011）。另一种蒲公英物种是俄罗斯蒲公英（Taraxacum koksaghyz），在第二次世界大战期间被视为有前景的天然橡胶替代来源，因为其根部富含高质量橡胶（Van Beilen和Poirier，2007b）。尽管Taraxacum koksaghyz的根形态会受环境条件影响，但其典型特征是直而深入的块根，偶尔有侧枝，根长20-40厘米，冠部直径约1-1.5厘米（Suomela，1950）。由于其栽培特性，该物种适合北半球的温带气候作为一年生橡胶作物（Van Beilen和Poirier，2007b）。野生Taraxacum koksaghyz的根部干重含橡胶量通常为2-3%，但某些优良品种可高达5-6%（Kupzow，1980）。最佳栽培条件下，每公顷可产200公斤橡胶（Van Beilen和Poirier，2007a）。然而，进一步优化农艺性能以提高产量和加工效率至关重要，这可通过选择具有较大体积和适宜形态的根系来实现（Wieghaus等人，2022）。另一种方法是将Taraxacum koksaghyz与Taraxacum officinale杂交，后者虽然根系发达但天然橡胶产量很低（Schulze Gronover等人，2011）。如果通过杂交成功提高Taraxacum koksaghyz的橡胶含量至约20%，理论上每公顷可产1,200-1,800公斤橡胶（Van Beilen和Poirier，2007a）。因此，育种工作主要集中在增加根系生物量以利于收获和提高橡胶产量（Van Beilen和Poirier，2007b）。目前，关于蒲公英橡胶含量和根形态的遗传标记研究主要采用分子生物学方法，而代谢组学分析尚未得到充分探索。代谢组学涵盖了细胞或生物体内参与生长、维持和生理功能的所有小分子化合物（代谢物）。代谢物的产生和利用与细胞生理状态及生物体表型密切相关，因此比基因表达水平或蛋白质丰度更具代表性（Nobeli和Thornton，2006）。因此，代谢物的鉴定具有多重用途，可用于植物生理学研究、植物成分分析及代谢途径分析。这些分析常用液相色谱-质谱、气相色谱-质谱和核磁共振（NMR）等技术。尽管质谱方法占已发表代谢组学研究的70%以上，但NMR方法在数据量和分析能力方面具有显著优势（Wishart等人，2022）。尽管NMR的灵敏度相对较低，但它具有稳健性、高重复性、简便的样品制备、强大的定量能力和非破坏性测量特性（Wishart，2019）。1H NMR光谱还能准确显示分子内质子的分布，从而准确测定复杂混合物中相应代谢物的浓度，这对于构建代谢网络至关重要（Emwas等人，2019）。NMR和质谱方法产生的数据量庞大且复杂，通常需要统计方法辅助分析。本研究关注的是Taraxacum officinale和Taraxacum koksaghyz水提取物的1D 1H NMR代谢谱型。通过添加纯标准物质进行对比实验，我们共鉴定出56种代谢物，其中9种在之前未在任一物种中发现，为它们的代谢提供了新见解。本研究的目的不是寻找提高橡胶含量或根生物量的生物标志物，而是利用多变量统计方法探讨这些代谢谱型是否以及如何区分这两种物种及其不同器官。这种器官和物种特异性的代谢组学比较是首次全面分析这两种蒲公英物种的水基1H NMR谱型。这些代谢谱型的区分为未来发现与橡胶产量相关的生物标志物奠定了基础。
试剂
试剂
除非另有说明，本研究中使用的所有试剂纯度均不低于99%。所用的磷酸盐缓冲液（H2O，0.1 g/L NaN3，0.067 mol/L Na2HPO4，0.033 mol/L NaH2PO4）购自AnalytiChem GmbH（德国杜伊斯堡）。氘氧化物（D2O）来自Deutero GmbH（德国卡斯特劳恩）。3-(Trimethylsilyl)propionic-2,2,3,3-d4酸的钠盐（TSP）购自abcr GmbH（德国卡尔斯鲁厄）。马来酸、L-异亮氨酸和D-天冬酰胺也来自相同公司。
代谢物鉴定
首先，需要对代谢物进行全面可靠的鉴定。为此，我们在蒲公英根基质中加入纯标准物质进行靶向添加，并通过叠加光谱确认所有列出的代谢物（表1）。通过化学位移和分裂模式的组合，我们获得了明确的鉴定结果。
讨论
本研究旨在确定1D 1H NMR谱型是否能够清晰区分两种蒲公英物种及其不同器官。我们的目标不是寻找特定性状标记，而是建立代谢基础，为未来的生物标志物发现和功能研究提供依据。为了进行有意义的比较分析，首先进行了代谢物鉴定。
结论
本研究利用基于NMR的代谢组学技术首次全面分析了Taraxacum koksaghyz和Taraxacum officinale的根和叶片的水溶性代谢谱型，发现了这两种物种中9种未报道的代谢物。通过多变量统计分析和途径分析，成功区分了不同器官和物种之间的差异。器官类型是决定代谢差异的主要因素。
作者贡献声明
克莱门斯·蒂伦（Clemens Thielen）：撰写、审稿与编辑、项目管理和概念构思。弗雷德·艾克迈耶（Fred Eickmeyer）：撰写、审稿与编辑、资源协调、项目管理和数据管理。迈克尔·雷蒂格（Michael Rettig）：撰写、审稿与编辑、项目管理和方法学研究、数据管理。克里斯汀·德里斯莱因（Christine Drie?lein）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件应用、方法学研究、数据分析。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写过程中，作者使用了OpenAI的ChatGPT和DeepL Write工具来提升手稿的可读性和语言表达。使用这些工具后，作者对内容进行了必要的审查和修改，并对最终发表的文章内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢lifespin GmbH团队的支持，特别是Ramona Mirke、Christian Marquardt、Selina Strathmeyer和Stefan Kramel。
本研究的开放获取资金由Projekt DEAL提供和组织。该研究得到了巴伐利亚州食品、农业、林业和旅游部（StMELF）的资助 [资助编号G2/N/21/08]。
