利用质谱成像和体内同位素标记研究浮萍中半乳糖脂质生物合成的时空变化

浮萍是一种水生植物，能够在高浓度的 D₂O 环境中生长，是研究同位素标记的理想模型生物。追踪植物体内代谢物的时空动态变化，对于理解植物如何协调其代谢活动以响应环境变化具有重要意义。因此，本研究旨在通过使用体内同位素标记结合质谱成像技术，探究半乳糖脂质在浮萍生长发育过程中的合成路径、合成速率以及在不同组织中的分布特征，以期揭示植物代谢途径并为作物改良和环境响应机制提供科学依据。

2024年6月，爱荷华州立大学化学系 Young Jin Lee 团队在 Plant and Cell Physiology 发表了题目为《Spatio-Temporal Study of Galactolipid Biosynthesis in Duckweed Using Mass Spectrometry Imaging and in vivo Isotope Labeling》的文章，该研究通过结合体内同位素标记技术和质谱成像（MSI）技术，在浮萍这一水生植物模型上，深入探究了半乳糖脂质生物合成的时空动态变化，揭示了半乳糖脂质在浮萍的不同组织中具有特定的空间分布模式，且这些模式随时间而变化。本研究为理解植物代谢网络提供了新的视角，也展示了 MALDI-MSI 技术在植物代谢研究中的应用潜力，为未来植物代谢组学研究提供了一种强有力的工具。

本研究利用体内同位素标记结合质谱成像技术，探究了浮萍半乳糖脂质生物合成的时空动态变化。具体包括以下四个步骤：

1. 同位素培养介质的准备与植物培养：制备含 50% D₂O 的培养介质以及 ¹³CO₂ 环境，用于模拟不同的同位素标记条件。在控制环境条件下培养浮萍，确保实验组和对照组之间的生长条件一致。

2. 样本的收集与处理：在预定的时间点收集浮萍样本，确保能够观察到不同生长阶段的代谢变化。对样本进行适当的物理处理，以便于后续的质谱成像分析。

3. MALDI-MSI 分析：使用 MALDI-MSI 技术对浮萍样本进行空间代谢分析，获取半乳糖脂质的分布图像。并优化质谱参数，确保能够精确检测并区分同位素标记的代谢物。

4. 同位素标记的追踪与数据分析：追踪不同时间点样本中半乳糖脂质的同位素标记分布，分析其生物合成动态。利用专业软件处理 MALDI-MSI 数据，包括同位素峰的识别、分布图的构建和丰度的定量分析。

该研究将浮萍在 50% D₂O 介质中培养，并与 H₂O 介质中的生长情况进行比较。研究发现，在重水介质中，浮萍的生长速率显著下降，只有原来的一半，叶片的厚度增加，而根部的生长几乎完全停止。通过 MALDI-MSI 技术，研究者获取了浮萍组织中半乳糖脂质的空间分布数据。这些数据显示，在 D₂O 介质中培养的浮萍，其半乳糖脂质，包括单半乳糖二酰基甘油（MGDG）和二半乳糖二酰基甘油（DGDG），具有非常高的氘标记效率，几乎接近 100%。这表明在 D₂O 介质中，浮萍的半乳糖脂质生物合成过程中，氢原子被氘原子有效替代。此外，该研究还监测了这些脂质的同位素标记随时间的变化。在5天的培养后，观察到三种不同的同位素标记分布，这些分布对应于半乳糖脂质的不同部分结构的标记状态：组1（仅半乳糖被标记）、组2（半乳糖和部分脂肪酸链被标记）和组3（整个分子包括两个脂肪酸链被标记）。这些发现为理解半乳糖脂质在浮萍生长发育过程中的生物合成动态提供了重要的时空信息。

图1.在D₂O介质中培养浮萍

图3.浮萍在50% D₂O中培养5天后的MALDI-MS图像

图4. ¹³CO₂标记的半乳糖脂质及其时间变化

图5.浮萍在¹³C环境中培养3天后的MALDI-MS图像

为了进一步验证 D₂O 标记实验观察到的同位素标记分布，该研究又进行了反向标记实验。将浮萍首先在 50% D₂O 介质中培养了3个月，以适应 D₂O 环境，然后转移到普通 H₂O 介质中继续培养15天。实验结果显示，在转移到 H₂O 介质后的第3天，MGDG 36:6 和 DGDG 36:6 的同位素标记分布出现了三个组，这与前向 D₂O 标记（即直接在 D₂O 中培养）观察到的模式相似，分别对应于组1（仅半乳糖被标记）、组2（半乳糖和部分脂肪酸链被标记）和组3（整个分子包括两个脂肪酸链被标记）。与 D₂O 标记时相比，反向标记过程中的 H 标记（普通氢标记）速度更快，第3天时组3已经占到了总标记的约40%。与 D₂O 标记实验相比，反向标记实验中的H标记速度显著加快，表明在去除 D₂O 环境后，浮萍的生物合成活动迅速恢复。

此外，通过追踪整个同位素标记分布的平均质量随时间的变化，研究者发现平均质量的变化趋势与前向标记实验相比存在约1.5至2天的延迟，这可能反映了浮萍在适应新环境变化时的生理调整。反向标记实验的数据还揭示了随着 H 标记的增加，同位素标记分布逐渐变窄，这与 D₂O 标记时观察到的宽分布形成了鲜明对比。

图6.浮萍的反向标记

本研究通过结合体内同位素标记技术和质谱成像技术，对浮萍中半乳糖脂质的生物合成进行了深入的时空动态分析。通过在 50% D₂O 介质中培养浮萍，研究者观察到了半乳糖脂质的同位素标记分布，并利用 MALDI-MSI 技术精确描绘了这些脂质在浮萍不同组织区域中的空间分布。实验结果显示，半乳糖脂质的生物合成在亲本叶和子叶中具有不同的标记模式，反映了新旧组织中代谢活动的差别。此外，通过 ¹³CO₂ 标记实验和反向标记实验，该研究进一步验证了 D₂O 标记实验的结果。这项研究不仅提高了我们对浮萍这种模式生物中脂质代谢途径的认识，还提供了一种追踪植物体内代谢物时空动态变化的新方法，这对于理解植物如何协调其代谢活动以响应环境变化具有重要意义，同时也为理解植物脂质代谢的复杂性和调控机制提供了新的视角。

文献地址：https://doi.org/10.1093/pcp/pcae032