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日本菖蒲在UVC辐射下通过细胞壁重组、膜脂质重排及酚类物质积累维持结构完整与生理功能，光谱组学首次实现从组织到单细胞的代谢重塑可视化分析。
Syeda Takmeel Zahra | ?ukasz Chajec | Krzysztof M. Tokarz | Wojciech Makowski | Kamilla Malek
克拉科夫雅盖隆大学化学系化学物理系，Gronostajowa 2, 30-387，波兰克拉科夫
摘要
本研究探讨了Reynoutria japonica Houtt.（日本虎杖）对紫外线C（UVC）辐射的生化和结构响应，将其作为非生物胁迫的模型。通过结合ATR-FTIR光谱、透射FTIR和共聚焦拉曼显微成像技术，我们首次获得了从组织到细胞层面急性胁迫相关代谢变化的多层次、空间分辨的见解。我们表征了从组织到细胞层面的初级和次级代谢的变化。半定量ATR-FTIR分析揭示了碳水化合物、蛋白质和脂质含量的变化，尤其是在叶绿体和光合组织中。对叶片、茎和根横截面的FTIR和拉曼高光谱成像，结合化学计量分析，揭示了代谢物和细胞壁成分的空间重新分布，包括纤维素的减少、果胶的迁移以及酚类化合物的合成增强。这些变化没有伴随解剖结构的损伤，表明了其强大的生化可塑性。我们的发现表明，R. japonica 通过协调的生化重塑——结合结构强化、膜脂质重组和酚类积累——在急性UVC暴露下保持其功能完整性。这种多层次的洞察力确立了振动光谱技术作为研究植物对环境胁迫适应性的强大诊断工具。
引言
环境胁迫，包括非生物因素，显著影响植物的代谢过程、生理学和生态动态[1]、[2]。了解植物如何应对非生物胁迫至关重要，尤其是那些表现出显著适应性和对不利环境条件抵抗力的入侵物种[3]。日本虎杖（Reynoutria japonica Houtt.）在这些入侵物种中脱颖而出，因为它能够在多种生境中生存，生长迅速，并具有广泛的根茎系统[4]、[5]。其有效的资源分配和快速恢复能力使其能够殖民新的区域并改变所占据的生态位的功能。这种植物还能合成和积累大量的生物活性次级代谢物，这些代谢物通过化感作用影响其他植物或微生物[3]、[5]。因此，关于日本虎杖的次级代谢及其受胁迫因素诱导的研究是开发新的天然药物物质的重要方向[6]、[7]。该物种与Reynoutria 属的另外两种代表Reynoutria sachalinensis 和Reynoutria x bohemica 一起，被列入全球最危险的100种入侵外来物种名单，对本地生态系统构成重大威胁[8]。然而，关于这些植物抗性机制的文献资料不足，理解这些机制对于有效控制虎杖或将其作为有价值次级代谢物的来源至关重要。
紫外线辐射（UV）占太阳辐射的6.3%，是宇宙射线的自然来源。在紫外线光谱中，紫外线C（UVC）辐射的能量比紫外线A（UVA）和紫外线B（UVB）范围更高。因此，UVC辐射常被用作实验植物生物学研究中高能辐射胁迫效应的模型。暴露于UVC辐射可以引发一系列分子和细胞事件，导致氧化应激以及初级和次级代谢的变化[9]、[10]。植物可以通过多种方式应对UV胁迫，包括合成吸收UVC的生化化合物、上调抗氧化系统以及改变细胞壁结构[11]、[12]。
振动光谱技术，如衰减全反射-傅里叶变换红外（ATR-FTIR）、傅里叶变换红外（FTIR）和拉曼（RS）光谱及其显微镜技术，为高级光谱成像提供了强大的工具，用于探测植物组织和细胞的生化组成（包括初级和次级代谢物）及结构组织[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。它们通过振动特征编码样本的化学组成。这两种技术都对生物成分（如蛋白质、脂质、碳水化合物、核酸和次级代谢物）敏感，但方式不同，这构成了它们众所周知的互补性[13]、[18]。当应用于成像模式时，它们可以可视化组织和单个细胞中的代谢物分布，但通常需要使用半统计和化学计量分析（如单因素方差分析、聚类分析、主成分分析和真实成分分析）进行数据还原[13]、[19]、[20]、[21]。尽管这些无标记、原位方法具有巨大的应用潜力，但目前仍缺乏对其所能提供的分子分析的全面比较。特别是需要一张维管植物器官中存在的生物分子的地图，以将振动光谱技术引入植物生理学、生物化学和遗传学研究的常规生物技术工具中，并探索用于评估植物与胁迫因素相互作用以及植物来源的药物物质的模型。FTIR和RS光谱都可以填补植物器官快速清晰生化评估的空白，并提供同时查询单个分子的化学指纹。
本研究利用无标记振动光谱技术，确定了日本虎杖植物在模型非生物胁迫下诱导的代谢变化，以检查从组织到细胞层面的生化组成适应性。我们旨在展示FTIR和RS技术在生物技术领域的应用提供了非破坏性分析和快速数据收集，提高了通量，对于需要全面分析和稳健结论的研究至关重要。首次将光谱组学方法作为研究植物抗性机制的工具。我们结合使用ATR-FTIR光谱对匀质化组织进行检测，并通过半定量分析（单因素方差分析）来确定主要植物组织（即叶片、茎和根）中的初级代谢物及其相对变化。第二种方法是利用光谱成像和显微镜技术追踪初级组织成分（FTIR成像）和单个细胞（拉曼成像）的代谢重组。我们还提供了植物组织的鉴定生物分子的互补IR和RS库，收集了相同样本的光谱数据库，并关联了它们的分布。研究人员可以根据他们的研究需求选择合适的方法，以确定生化模式及其因期望效应而发生的变化。在所选模型中，这种方法提供了多层次的分析，揭示了最具入侵性的物种在急性环境条件下的适应性和恢复力潜力。
植物培养和培养条件
植物繁殖的起始材料是体外培养的日本虎杖植物[6]。这些植物的培养得到了克拉科夫地区环境保护局的许可（基于处理入侵外来物种的许可OP.672.38.2025.JSI）。从母株培养物中取出的两叶外植体被放置在含有0.8%琼脂的? MS培养基[22]上。该培养基不含生长调节剂，含有3%的蔗糖和150 mg L?1 的抗坏血酸。
初级代谢物的快速光谱评估
对冻干并匀质的日本虎杖叶片、茎和分离出的叶绿体进行ATR-FTIR分析，旨在检测生物成分并进行半定量分析。首先，我们观察到ATR-FTIR光谱作为植物结构的指纹，揭示了碳水化合物（900–1180 cm?1 ）、蛋白质（1540, 1623–1690 cm?1 ）和脂质（2834–2958 cm?1 ）的存在[24]。植物结构中生物分子的FTIR库见表S1 。
讨论
本研究表征了日本虎杖各种营养组织在UVC暴露下诱导的生化变化，这种植物既是入侵物种，又是具有药用价值的靶标[27]。综合使用ATR-FTIR、FTIR和拉曼光谱成像技术，能够快速、非破坏性地区分胁迫的影响，克服了植物生理学家和生物技术学家常规使用的技术的局限性[28]、[29]、[30]。
结论
本研究探讨了多种光谱技术在理解植物器官不同解剖区域对胁迫响应的化学和空间复杂性方面的互补潜力。观察到的生化变化，如细胞壁多糖的动态重塑、蛋白质的选择性稳定性以及多酚的可适应性生物合成，突显了日本虎杖维持其结构完整性和生理功能的机制。
作者贡献
概念构思：K.M., W.M., K.M.T.；方法学：S.T.Z., K.M., W.M., K.M.T.；调查：S.T.Z., W.M., ?.C.；形式分析：S.T.Z.；可视化：S.T.Z.；撰写——初稿：S.T.Z.；撰写——审阅和编辑：S.T.Z., W.M., K.M.；资源：K.M., W.M., K.M.T.；监督：W.M., K.M.；资金获取：K.M., W.M., S.T.Z.；项目管理：K.M., W.M., S.T.Z.
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究使用了波兰科学与高等教育部颁发的编号为35/598515/SPUB/SP/2024的资助（授予K.M.）的设备。该出版/研究得到了雅盖隆大学化学系在“卓越计划”下的资助（授予S.T.Z.）。手稿的图形摘要是在BioRender中创建的。Malek, K. (2025)
https://BioRender.com/4nb0kv5
