质谱成像（Mass Spectrometry Imaging, MSI）作为一种重要的分子成像技术，通过专用成像分析软件将质谱仪记录的特定区域离子化分子的离子强度、质荷比和坐标等信息转换为像素点模型，重新构造出被测化合物的空间离子分布图像，可实现从元素到化合物、多肽、蛋白质等分析。该技术具有样品前处理简单、灵敏度高、无需标记等优势，目前已广泛应用于成分多样、代谢产物繁杂的药用植物、农作物等样本的空间分布分析，为植物的进一步研究提供参考。
近日，广州中医药大学中药学院王宏斌/靳红磊团队与陈奕君博士在Advanced Biotechnology在线发表了题为“Application of mass spectrometry imaging in botanical research”的综述文章，系统阐述3种常见的质谱成像技术的原理、特点、优势及其在植物学中的应用，并对该技术当前研究中存在的主要问题、解决办法及未来发展前景进行了汇总和展望，以期为植物学研究中质谱成像方法的合理选择及深入应用提供指导。
传统代谢组学技术在揭示植物有效成分的合成与转运途径、次生代谢产物的累积与环境的关系等方面发挥着重要作用，具有高灵敏度、高特异性和高分辨率的优势。但经典的色谱-质谱联用技术需要对待测组织进行匀浆、提取、净化等前处理，进而造成代谢物在植物组织中的原始空间分布信息的丢失。MSI作为一种新型的分子成像技术，可通过原理与构造各异的离子化探针扫描样本，实现样本中待测物的原位解吸/电离，并传输到质谱中进行检测，从而获取与样本空间位置关联的质谱图集合；同时，利用质谱成像软件处理得到的质谱图集合以获得每个质荷比（m/z）的组织分布图像，可在不对组织中待测化合物预先标记的情况下，完成多个成分的非靶向空间分布分析（图1）。因此，MSI技术除具有质谱技术的优势外，还具有化学成分高覆盖、高通量、原位表征等优势，可一次实现数百个化合物的成像分析。
图1 质谱成像在植物组织研究的原理图
植物体内的次生代谢产物的合成和累积具有精确的空间调控网络，代谢产物在组织中的特异性分布与其生理功能具有紧密的关联。因此，利用MSI研究植物不同生长阶段、不同组织器官中次生代谢产物的组织分布特征及其累积规律，对于植物次生代谢产物合成研究以及调控、优化栽培生产技术，培育和保护优良种质资源等方面都有重要意义。植物育种方面：MSI能够为种子中代谢物的空间分布及转运过程提供可视化的信息，并为植物种子的改良方向提供指导。在植物生长、发育及品质鉴别等方面：MSI可直观、高效、原位地展示植物体内成分的空间分布情况，为挖掘植物次生代谢产物的精准分布特征及其调控规律提供帮助。在植物抗逆性研究方面：MSI可以解析植物面对逆境环境时防御性次生代谢产物的产生和积累路径，为植物的发育和抗逆性品质提升提供指导。在植物加工、炮制研究方面：通过MSI分析植物加工前后成分的时空变化特点，可以为植物加工、炮制等过程中的质量控制和方法选择提供有效指导。在农药及重金属研究方面：MSI通过解析导向农药在植物中的输导机制，可视化展示导向农药从转运蛋白协助跨膜、韧皮部由上往下输导，浓度差扩散到木质部，并最终在叶片边缘富集的动态转运过程。
综上，MSI技术可贯穿药用植物育种、代谢物分析及其生物合成途径解析、植物防御、植物农药残留、重金属转运途径分析以及药用植物生理生态变化反应等全过程的应用，对植物的开发、利用和保护均具有重要意义，未来还将有更大的发展和应用空间。
广州中医药大学中药学院王宏斌教授和靳红磊教授为本论文的共同通讯作者，广州中医药大学中药学院青年骨干教师陈奕君博士和博士研究生曾海生为共同第一作者，相关工作得到了国家自然科学基金和广东省特支计划等的资助。
原文链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s44307-024-00014-y?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20240215&utm_content=10.1007/s44307-024-00014-y
