唐毓瑋,李佳慧,毛立彥 ,龍凌云,黃秋偉,於艷萍,蘇 群,王妍虹
(1.廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所,南寧 530001;2.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所,南寧 530007)
【研究意義】睡蓮屬(Nymphaea) 隸屬于睡蓮科(Nymphaeaceae),是世界溫帶至熱帶地區(qū)重要的水生花卉,該屬有50多個(gè)原種(含變種),我國(guó)分布的睡蓮屬原種(含變種)有5個(gè)[1-2]。睡蓮花朵中含有黃酮類、酚酸類、生物堿及多糖等多種活性成分,在功能性食品、化妝品和傳統(tǒng)醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大[3]。植物花朵中不同組織的活性成分存在差異,針對(duì)睡蓮花朵不同組織的代謝特點(diǎn)進(jìn)行活性成分提取,可以降低其開(kāi)發(fā)利用成本,但目前對(duì)睡蓮花朵不同組織(花瓣、雌蕊和雄蕊)的優(yōu)勢(shì)活性成分尚不了解。非靶向代謝組學(xué)技術(shù)能同時(shí)檢測(cè)樣本的數(shù)百乃至數(shù)千種代謝物(包括已知和未知代謝物),具有耗時(shí)短及高通量特點(diǎn),已在多種植物上應(yīng)用[4]。因此,利用非靶向代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)睡蓮花朵進(jìn)行代謝產(chǎn)物的鑒定與分析,有助于全面了解睡蓮花朵不同組織的營(yíng)養(yǎng)和藥用成分,對(duì)睡蓮的開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】睡蓮花朵不僅具有較高的觀賞價(jià)值,還可用于花茶和精油加工[5-6],其茶湯和提取物具有豐富的類黃酮和較高的抗氧化活性[7-8]。睡蓮花朵在維吾爾族醫(yī)藥中應(yīng)用歷史悠久,常用于感冒發(fā)熱、頭痛咳嗽和咽痛等疾病的治療[9]。新疆維吾爾自治區(qū)藥物研究所致力于睡蓮花朵有效成分抗肝纖維化研究,發(fā)現(xiàn)睡蓮花朵中總黃酮對(duì)四氯化碳(CCl4)誘導(dǎo)的小鼠肝纖維化具有保護(hù)作用[10],從體外細(xì)胞試驗(yàn)層面證實(shí)睡蓮中的酚類物質(zhì)能減緩氧化應(yīng)激造成的肝細(xì)胞損傷[11],花朵中分離出的代謝物異窄單寧(Isostrictiniin)對(duì)Con A誘導(dǎo)的小鼠肝損具有保護(hù)作用[12]。睡蓮的藥用價(jià)值也引起了國(guó)外學(xué)者的關(guān)注,Laila等[13]研究發(fā)現(xiàn),代謝物Nymphayol(1種睡眠藥)對(duì)乳腺癌MCF-7細(xì)胞具有明顯的抗增殖作用。Rajagopal等[14]采用不同劑量睡蓮花朵提取物開(kāi)展糖尿病大鼠飼喂試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)睡蓮花朵提取物對(duì)四氧嘧啶誘導(dǎo)的糖尿病大鼠具有降低血糖和血脂作用。Alam等[15]通過(guò)體外細(xì)胞試驗(yàn)證實(shí)睡蓮花朵提取物具有一定的抗氧化能力。代謝組學(xué)是研究生物體內(nèi)源代謝物種類、數(shù)量及其在不同因素作用下變化規(guī)律的一門(mén)學(xué)科,是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分[4]。植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生了大量結(jié)構(gòu)不同的小分子代謝物,這些代謝物不僅促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育,而且是人類食物和藥物的重要來(lái)源[16]。Chen等[17]運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)從鐵觀音植株中鑒定到其花朵特有的代謝物三香豆酰亞精胺和雙香豆酰腐胺。Zou等[18]運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)鑒定了黃色和白色肉質(zhì)枇杷味道差異的關(guān)鍵成分。岳文杰等[19]利用非靶向代謝組學(xué)技術(shù)揭示了白茶自然萎凋過(guò)程中類黃酮、原花青素和糖苷衍生物的變化規(guī)律。【本研究切入點(diǎn)】目前,已有研究對(duì)睡蓮花朵進(jìn)行化學(xué)成分分析,但針對(duì)睡蓮不同花器官代謝特異性的研究鮮見(jiàn)報(bào)道?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以熱帶睡蓮品種‘巴拿馬’(Nymphaea‘Panama pacific’)為試驗(yàn)材料,利用非靶向代謝組學(xué)技術(shù)研究睡蓮花朵不同組織的代謝特異性,為促進(jìn)睡蓮花朵活性成分在提取、加工和功能食品領(lǐng)域中的精準(zhǔn)應(yīng)用提供參考依據(jù)。
試驗(yàn)于2020年7月在廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,睡蓮品種‘巴拿馬’種植于廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所睡蓮種質(zhì)資源圃,該品種屬于廣熱帶亞屬睡蓮,非常適宜在熱帶和亞熱帶地區(qū)繁殖生長(zhǎng),其花瓣呈藍(lán)紫色,花香濃郁,是用于睡蓮花茶加工的主要品種之一。
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 睡蓮品種‘巴拿馬’均采用相同農(nóng)藝措施種植,每天早上10:00—11:00隨機(jī)采集不同單株初開(kāi)的花朵,連續(xù)采摘5 d(即5個(gè)生物學(xué)重復(fù))。采摘后立即帶回實(shí)驗(yàn)室,用自來(lái)水清洗,然后用滅菌剪刀將花朵的花瓣、雌蕊和雄蕊分離,再用PBS緩沖液沖洗,分別將不同單株上花朵的花瓣混合為一個(gè)樣品H,雌蕊混合為一個(gè)樣品C,雄蕊混合為一個(gè)樣品X,立即放入液氮中,然后轉(zhuǎn)入超低溫冰箱-80 ℃保存?zhèn)溆迷O(shè)。設(shè)5個(gè)生物學(xué)重復(fù),共15份試驗(yàn)樣品。
1.2.2 代謝物提取與檢測(cè) 分別對(duì)-80 ℃保存的3組樣品進(jìn)行液氮研磨,各稱取約0.3 g,分別置于15 mL EP管1中,加入2 mL甲醇冰浴超聲30 min,12 000 r/min離心10 min,從EP管1中取出1 mL上清液于2 mL EP管2中,在37 ℃下真空離心濃縮至干。再向EP管1中加入2 mL甲醇冰浴超聲30 min,12 000 r/min離心10 min,從EP管1中取出1 mL上清液于EP管2中,再次真空離心濃縮至干。殘?jiān)?00 μL甲醇溶解,于12 000 r/min,4 ℃下離心10 min,取上清液進(jìn)樣1 μL,使用UPLC-M檢測(cè)上清液中的代謝物。
1.2.3 液相色譜—質(zhì)譜分析 利用超高液相色譜進(jìn)行物質(zhì)分離(Nexera UHPLC LC-30A,SHIMADZU)和串聯(lián)質(zhì)譜(MASS TripleTOF5600+,AB SCIEXTM)對(duì)樣本進(jìn)行分析。①色譜條件:色譜柱為Waters HILIC BEH Column(100 mm×3 mm,1.7 μm),柱溫35 ℃,流速0.300 mL/min。流動(dòng)相:水相為0.1%乙酸—水(A溶劑),有機(jī)相為乙腈(B溶劑)。洗脫梯度:0 min比例為5%A∶95%B,10 min比例為50%A∶50%B,13 min比例為95%A∶5%B,14 mim比例為5%A∶95%B,15 min比例為5%A∶95%B。②質(zhì)譜條件:分別采用電噴霧電離(ESI)正離子和負(fù)離子模式進(jìn)行檢測(cè)。ESI源條件:Ion Source Gas1為50 psi,Ion Source Gas2為50 psi,Curtain Gas為25 psi,Source Tempreture為500 ℃(正離子)和450 ℃(負(fù)離子),Ion Sapary Voltage Floating為5500 V(正離子)和4400 V(負(fù)離子),TOF MS scan range為100~1200 Da,Product ion scan range為50~1000 Da,TOF MS scan accumulation time為0.20 s,Product ion scan accumulation time為0.01 s,二級(jí)質(zhì)譜采用Information dependent acquisition(IDA)獲得,并采用High sensitivity模式,Declustering potential為±60 V,Collision Energy為(35±15)eV。
1.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理和多元統(tǒng)計(jì)分析 通過(guò)Analysis base file converter將液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(LC-MS)獲得的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ABF格式,將ABF格式文件導(dǎo)入MS-DIAL 4.10[20]進(jìn)行預(yù)處理,包括峰提取、去噪音、反卷積和峰對(duì)齊,導(dǎo)出CSV格式的三維數(shù)據(jù)矩陣[包括樣品信息、保留時(shí)間、質(zhì)核比和質(zhì)譜響應(yīng)強(qiáng)度(峰面積)]。將提取的信息與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),對(duì)MassBank、Respect和GNPS 3個(gè)庫(kù)進(jìn)行全庫(kù)檢索,將得到的代謝組數(shù)據(jù)進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)3組樣本進(jìn)行主成分分析(PCA),在最大程度保留原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上將多維復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理,建立可靠模型對(duì)樣本的代謝特征進(jìn)行歸納和總結(jié)。
1.3.2 差異代謝物篩選和富集分析 將0.5<相對(duì)含量差異倍數(shù)(Fold change,F(xiàn)C值)<2.0及T檢驗(yàn)P<0.05的代謝物定義為差異代謝物。利用單變量分析的P和FC值篩選差異代謝物,并以TBtools[21]繪制火山圖、聚類熱圖和韋恩圖等,同時(shí)將得到的相應(yīng)差異代謝物使用MBRole 2.0[22]進(jìn)行京都基因和基因組百科全書(shū)(KEGG)pathway富集分析,基于KEGG的注釋進(jìn)一步了解代謝物的生物學(xué)功能。以R語(yǔ)言Ggplot繪制富集氣泡圖。
為了解睡蓮花朵不同組織的代謝成分差異,使用LC-MS對(duì)睡蓮的雌蕊、雄蕊和花瓣進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析,共檢測(cè)到1084個(gè)代謝物,其中有956個(gè)代謝物注釋到相應(yīng)的分類(Ontology)。為了解不同花器官之間的代謝物積累情況,對(duì)花瓣(H)、雌蕊(C)、雄蕊(X)3個(gè)樣品進(jìn)行主成分分析,從主成分分析得分圖(圖1)可看出,第一主成分(PC1)的有效解釋率R2X[1]為29.1%,第二主成分(PC2)的有效解釋率R2X[2]為26.8%,雌蕊的主成分分析位點(diǎn)均分布于第二象限,雄蕊的主成分分析位點(diǎn)均分布在第四象限,而花瓣的主成分分析位點(diǎn)均分布在第三象限,主成分分析位點(diǎn)均分布在Hotelling’s T2(95%)置信橢圓中,表明所有樣本均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,3組樣品明顯分離于不同象限,表明睡蓮花朵雌蕊、雄蕊和花瓣中代謝物的含量差異明顯。
圖1 睡蓮花朵不同組織的主成分分析得分Fig.1 Principal component analysis scores in different tissues of water lily flowers
由載荷圖(圖2)可看出,代謝物的分布明顯集中在3個(gè)區(qū)域。其中,第一簇代謝物主要集中分布在第二象限,結(jié)合主成分分析得分圖(圖1)可知,第二象限也是雌蕊主成分分析位點(diǎn)集中的位置,由此判斷,匯集于第二象限代謝物的相對(duì)含量在雌蕊中較高,是雌蕊的優(yōu)勢(shì)代謝物;第二簇代謝物主要集中分布在第三象限,第三象限代謝物的相對(duì)含量在花瓣中較高,屬于花瓣的優(yōu)勢(shì)代謝物;第三簇代謝物集中分布在第四象限,是睡蓮雄蕊的優(yōu)勢(shì)代謝物,與第二和第三象限的兩簇代謝物略有不同,位于第四象限的代謝物分布更集中緊密。因此,相較睡蓮的花瓣和雌蕊,雄蕊可能具有更高的代謝特異性。
圖2 睡蓮花朵不同組織的代謝產(chǎn)物Fig.2 Metabolites in different tissues of water lily flowers
依次將花瓣(H)、雄蕊(X)、雌蕊(C)的代謝物進(jìn)行兩兩比較,在雌蕊(C)與花瓣(H)的比較組中(圖3),差異代謝物共有553個(gè),上調(diào)的代謝物有345個(gè),下調(diào)的代謝物有208個(gè)(C vs H下調(diào)的代謝物即為H vs C上調(diào)的代謝物,另兩個(gè)比較組同理);在雌蕊(C)與雄蕊(X)的比較組中(圖4),差異代謝物共有569個(gè),上調(diào)的代謝物有240個(gè),下調(diào)的代謝物有329個(gè);在花瓣(H)與雄蕊(X)的比較組中(圖5),差異代謝物共有613個(gè),上調(diào)代謝物199個(gè),下調(diào)代謝物414個(gè)。將各比較組的上調(diào)代謝物進(jìn)行交集,可得到該樣本相對(duì)于花朵其他組織共同上調(diào)的代謝物。花瓣(H)相對(duì)于雌蕊(C)和雄蕊(X),共有138個(gè)代謝物上調(diào),將這138個(gè)代謝物命名為H_up代謝集,并視為花瓣(H)的優(yōu)勢(shì)代謝物(圖6)。同理,雌蕊(C)相對(duì)于花瓣(H)和雄蕊(X),有165個(gè)代謝物上調(diào),命名為C_up代謝集,視為雌蕊(C)的優(yōu)勢(shì)代謝物(圖7),雄蕊(X)的X_up代謝集包含206個(gè)代謝物,視為雄蕊(X)的優(yōu)勢(shì)代謝物(圖8)。可見(jiàn),睡蓮花瓣(H)中的優(yōu)勢(shì)代謝物數(shù)量較少,僅138個(gè),而雄蕊(X)中優(yōu)勢(shì)代謝物數(shù)量較多,有206個(gè)。
圖3 睡蓮雌蕊(C)與花瓣(H)差異代謝物Fig.3 Differential metabolites between pistil(C)and petal(H)of water lily
圖4 睡蓮雌蕊(C)與雄蕊(X)差異代謝物Fig.4 Differential metabolites between pistil(C) and stamen(X) of water lily
圖5 睡蓮花瓣(H)與雄蕊(X)的差異代謝物Fig.5 Differential metabolites between petals(H)and stamens(X)of water lily
圖6 睡蓮花瓣(H)優(yōu)勢(shì)代謝物Fig.6 Water lily petals specific metabolites
圖7 睡蓮雌蕊(C)的優(yōu)勢(shì)代謝物Fig.7 Water lily pistil(C) specific metabolites
圖8 睡蓮雄蕊(X)優(yōu)勢(shì)代謝物Fig.8 Water lily stamen(X) specific metabolites
分別將H_up、C_up和X_up 3個(gè)代謝集上傳至MBRole 2.0進(jìn)行KEGG id轉(zhuǎn)化。其中,C_up的165個(gè)代謝物中有72個(gè)獲得相應(yīng)的KEGG id,H_up的138個(gè)代謝物中有56個(gè)獲得相應(yīng)的KEGG id,X_up的206個(gè)代謝物中有86個(gè)代謝物獲得相應(yīng)的KEGG id。結(jié)果(圖9)顯示,在C_up的代謝集中,代謝物顯著富集在煙酸和煙酰胺代謝(富集因子=0.068)(P<0.05,下同)、苯丙烷類化合物生物合成(富集因子=0.062)、氰基氨基酸代謝(富集因子=0.073)和類黃酮生物合成(富集因子=0.058)通路,H_up顯著富集在苯丙烷類化合物生物合成(富集因子=0.082)、TCA循環(huán)(富集因子=0.100)和類黃酮生物合成(富集因子=0.073)通路,X_up代謝集顯著富集在吲哚生物堿生物合成(富集因子=0.063)、黃酮和黃酮醇生物合成(富集因子=0.090)及植物激素生物合成(富集因子=0.059)通路。
富集因子為差異代謝物位于該P(yáng)athway的數(shù)量與全部有注釋代謝物位于該P(yáng)athway的代謝物總數(shù)的比值Rich factor is the ratio of the number of differential metabolites located in the pathway to the total number of metabolites with all annotated metabolites located in the pathway圖9 睡蓮花朵不同組織優(yōu)勢(shì)代謝物的KEGG富集Fig.9 KEGG enrichment of dominant metabolites in different tissues of water lily flowers
由表1可知,睡蓮雌蕊和花瓣的較多優(yōu)勢(shì)代謝物共同參與苯丙烷類化合物的生物合成,其中包括富馬酸、阿魏酸、松柏醛、金雀異黃素、表兒茶素、羅漢松樹(shù)脂酚、蘋(píng)果酸、異檸檬酸、山奈酚和矢車(chē)菊素等14種活性物質(zhì)。此外,雌蕊中天冬氨酸的相對(duì)含量分別約為雄蕊的2.25倍和花瓣的9.01倍,酪氨酸的相對(duì)含量分別約為雄蕊的5.20倍和花瓣的2.78倍,谷氨酸的相對(duì)含量分別約為雄蕊的2.79倍和花瓣的6.14倍;雄蕊中四氫鴨腳木堿和長(zhǎng)春新堿等生物堿成分的相對(duì)含量較高,其中,四氫鴨腳木堿的相對(duì)含量分別約為雌蕊的2.06倍和花瓣的5.09倍,而長(zhǎng)春新堿的相對(duì)含量遠(yuǎn)高于雌蕊和花瓣,分別約為雌蕊的1192.00倍和花瓣的553.00倍。可見(jiàn),雌蕊中含有較高的氨基酸類物質(zhì),雄蕊中含有較高的生物堿物質(zhì)。
表1 睡蓮花朵不同組織特異性代謝物顯著富集的代謝通路
睡蓮花色豐富,形態(tài)多樣,在水生園林景觀中應(yīng)用廣泛[23],除觀賞價(jià)值外,睡蓮的食用和藥用價(jià)值也已逐漸得到挖掘[3]。睡蓮花型較大,單花直徑可達(dá)15~20 cm,對(duì)其活性成分的高效提取存在一定困難,因此,需充分了解不同花器官的優(yōu)勢(shì)活性成分。Zhu等[24]對(duì)35個(gè)不同色系熱帶睡蓮的花瓣進(jìn)行檢測(cè),鑒定出飛燕草素、矢車(chē)菊素等花青素及其衍生物。本研究中,通過(guò)非靶向代謝組學(xué)技術(shù)從藍(lán)色系睡蓮‘巴拿馬’的花瓣、雌蕊和雄蕊中檢測(cè)到相應(yīng)的代謝物,其中,矢車(chē)菊素在花瓣中的相對(duì)含量更高,而飛燕草素在雌蕊中含量可能更高;雌蕊和花瓣的優(yōu)勢(shì)代謝物雖然不同,但是均顯著富集到苯丙烷類化合物生物合成和類黃酮生物合成2條代謝通路,說(shuō)明雌蕊和花瓣2個(gè)花器官可能具備相同的生物學(xué)功能。苯丙烷代謝途徑是生物體內(nèi)次生代謝的重要途徑,一切含苯丙烷骨架的苯丙烷類化合物都是該途徑的直接或間接產(chǎn)物,該途徑中的化合物在生物體內(nèi)具有多種多樣的生理功能[25]。黃酮類化合物主要由本丙烷類化合物衍生,經(jīng)不同合成途徑形成,如本研究中睡蓮雌蕊的優(yōu)勢(shì)代謝物表兒茶素由苯丙烷化合物的生物合成途徑形成,花瓣的優(yōu)勢(shì)代謝物柚皮素、山奈酚和矢車(chē)菊素由類黃酮生物合成途徑合成,雄蕊的優(yōu)勢(shì)代謝物蘆丁由黃酮和黃酮醇的生物合成途徑合成。
雌蕊是產(chǎn)生雌配子、接受花粉和孕育子代的重要組織。郭玉華等[26]研究發(fā)現(xiàn),睡蓮子房提取物中含有17種氨基酸,且絕大多數(shù)氨基酸含量顯著高于睡蓮其他組織。本研究也得到相似的結(jié)果,天冬氨酸、酪氨酸和谷氨酸是睡蓮雌蕊的優(yōu)勢(shì)代謝物,其含量高于睡蓮花朵的其他組織。這些氨基酸不僅在植物、人體生長(zhǎng)發(fā)育中發(fā)揮重要生理作用,還可用于食品增味劑等輕工業(yè)領(lǐng)域[27]。
熱帶睡蓮花朵中約有70%的揮發(fā)性物質(zhì)來(lái)源于雄蕊[28],因此雄蕊主要應(yīng)用于精油研究和開(kāi)發(fā)。黃秋偉等[6]通過(guò)超臨界CO2工藝萃取睡蓮精油,并從精油中分離出42種揮發(fā)性物質(zhì)。郭玉華等[29]報(bào)道,海南野生延藥睡蓮(NymphaeastellataWilld.)花的主要揮發(fā)成分是二十一烷(Heneicosane)、香葉基香葉醇(Geranylgeraniol)、二十四烷(Tetracosane)和二十八烷(Octacosane)。關(guān)于睡蓮揮發(fā)性物質(zhì)的研究已有較多報(bào)道,但關(guān)于睡蓮雄蕊非揮發(fā)性成分的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究發(fā)現(xiàn),睡蓮雄蕊中的長(zhǎng)春新堿和四氫鴨腳木堿含量相對(duì)較高。吲哚類生物堿是迄今發(fā)現(xiàn)最多的一種生物堿類型,主要通過(guò)莽草酸途徑生成色氨酸后經(jīng)過(guò)次生代謝而合成[30],其中長(zhǎng)春新堿為目前應(yīng)用最廣的天然抗癌藥物,主要用于治療急性淋巴白血病、何杰金氏病、乳腺癌和惡性淋巴瘤等疾病[31]。因此,睡蓮的雄蕊作為天然原料在醫(yī)藥領(lǐng)域具有一定的開(kāi)發(fā)潛力。
非靶向代謝組學(xué)技術(shù)屬于高通量檢測(cè)方法,可用于代謝物的初步挖掘,但準(zhǔn)確性相對(duì)較低,因此,還需進(jìn)一步運(yùn)用靶向代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)本研究挖掘到的長(zhǎng)春新堿、表兒茶素、矢車(chē)菊素、蘆丁、柚皮素和山奈酚等多種具有抗氧化、抗炎和抗癌作用的活性成分[32-34]進(jìn)行絕對(duì)定量研究,為睡蓮花朵活性成分的提取、加工及在功能食品領(lǐng)域中的精準(zhǔn)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
睡蓮花朵不同組織間的代謝物含量差異明顯,優(yōu)勢(shì)代謝物顯著富集到苯丙烷類化合物生物合成、類黃酮生物合成、黃酮和黃酮醇生物合成及吲哚生物堿生物合成等8個(gè)代謝通路。利用非靶向代謝組學(xué)技術(shù)能初步篩選睡蓮花朵不同組織的優(yōu)勢(shì)代謝產(chǎn)物。