通过GC-MS进行植物挥发性成分分析的准确且可靠的方法

《Talanta Open》：Accurate and robust method for plant volatilome analysis by GC-MS

番茄植物挥发性有机物（VOCs）的GC-MS方法学优化与验证及其在真菌接种处理下的生态效应研究。摘要：本研究开发并验证了一种符合AOAC指南的GC-MS定量分析方法，优化了VOCs采样装置（动态密闭吸附系统）和制备流程（Tenax吸附剂与动态溶剂萃取），建立了15种番茄VOCs（包括单萜烯、倍半萜烯及酯类）的线性范围（0.08-1290 μg/L）、检出限（0.08-1.8 μg/L）和精密度（RSDr≤20.94%，RSDR≤19.10%）。通过接种Trichoderma菌株的对比实验，发现(+)-2-carene、(R)-(+)-limonene、methyl salicylate等VOCs浓度在实验组与对照组间存在显著差异（p<0.05），而myrcene、trans-β-farnesene等则无显著变化。该方法为植物VOCs的定量分析提供了标准化流程，对农业生物防治和品质改良具有重要应用价值。

　　植物持续释放多种挥发性有机化合物（VOCs），这些化合物属于不同的化学类别，参与了各种生物和生态功能。此外，VOCs的组成不仅影响植物的感官特性，还直接决定了其在食品市场中的商业价值。VOCs的组成会随着植物种类、生长阶段以及所受刺激的不同而发生变化，导致释放的分子种类或浓度出现微妙变化，从而使得采集的样本呈现出高度的多样性。因此，为了确保结果的准确性与可靠性，必须采用稳健且可靠的样本采集与分析方法。本研究提出了一种定量气相色谱-质谱联用（GC-MS）方法，并依据AOAC指南对十五种通常存在于番茄（*Solanum lycopersicum*）中的VOCs进行了优化和验证。同时，采集程序的优化也作为重点，因为其对方法的重复性和再现性具有决定性作用。

该方法在实际的番茄植物中得到了应用，以研究不同处理条件下植物挥发性组分的变化。通过整合优化的GC-MS分析协议和严谨的验证过程，该方法成为研究植物次生代谢及其生态意义的重要工具。这项研究不仅提高了我们对植物挥发性组分变化的识别能力，还为提升农业产品的质量和抗逆性提供了新的研究视角，同时也加深了我们对植物与环境之间相互作用的理解。

植物的挥发性组分是其与外界环境进行信息交流的重要媒介，包括与同种或异种植物之间的通信、抵御病原体和害虫、吸引传粉昆虫等。此外，这些挥发性物质还与植物的感官特性及产品质量密切相关，影响着食品、农业等相关领域。在番茄植物中，主要的挥发性组分包括单萜类、倍半萜类以及其他具有生物活性的化合物。例如，甲基茉莉酮参与植物的应激反应和系统性防御调控，而水杨酸甲酯则作为信号分子，参与多种抗性机制。萜类化合物在植物的生存和生态适应中发挥着多重作用，如作为毒素、驱避剂或信号分子，以抵御食草动物、病原体和非生物胁迫。单萜如α-蒎烯和柠檬烯具有显著的抗菌和驱虫特性，而倍半萜如反式-β-芳樟醇则可以作为警报信号，以阻止食草动物或吸引捕食性昆虫。

植物挥发性组分的采集是一项对分析技术要求极高的工作，需要一个能够将植物与外部环境隔离的装置，同时还需要开发能够确保采集所有释放物质准确性和精确性的程序。为了实现这一目标，本研究采用了封闭式空气吸入系统（如图1A和B所示），该系统通过循环泵将已知体积的受控空气强制通过吸附管，随后使用有机溶剂进行动态提取，以进行GC-MS分析。在采集过程中，优化了包括吸附材料、植物数量、暴露时间、溶剂类型和溶剂体积等参数，以确保最佳的VOCs采集效果。

为了评估整个采集过程的回收效率，进行了一系列回收实验。结果显示，虽然某些组分的回收率较低，但通过统一的实验条件和装置，这些回收率能够提供可比的数据，并有效减少偏差。此外，还对吸附管的可重复使用性进行了研究，发现通过三次使用3.0 mL纯己烷进行提取并随后在通风烘箱中干燥，可以实现多次重复使用而不影响分析性能。

该方法在实际应用中表现出良好的精确性和可靠性，适用于所有目标分析物的检测。在采集和分析过程中，为了确保数据的准确性和一致性，所有数据均根据平均回收率进行了校正。同时，通过采用不同的实验条件，例如使用不同数量的植物或不同的暴露时间，进一步优化了采集效率。

通过对番茄植物在不同处理条件下（如接种*Trichoderma*菌株）的挥发性组分进行分析，发现某些组分的浓度在不同处理之间存在显著差异。例如，香叶醇在对照组中浓度较高，而在处理组中有所下降。α-蒎烯和柠檬烯的浓度仅在处理组TR1中有所增加。通过单因素方差分析（One-Way ANOVA）和Tukey事后检验，进一步验证了这些差异的显著性。这些结果表明，所采用的处理方法可能对VOCs的释放产生影响，而这种影响可以通过本研究的方法进行有效检测。

然而，值得注意的是，尽管方法已经充分验证和优化，但植物挥发性组分的分析仍然存在一定的数据波动性，这主要是由于生物系统本身的自然变化所致。因此，为了确保分析结果的稳健性，进行大量真实实验重复是必要的。此外，使用来自克隆的植物有助于减少生物变异，从而提高对不同栽培方法、外界因素影响等的分析可靠性。

本研究开发的分析方法不仅在番茄植物中得到了成功应用，而且由于其全面性和准确性，可以推广到其他植物的挥发性组分研究中。这一方法的建立为植物挥发性组分的系统性研究提供了坚实的基础，同时也为农业实践中的环境适应性和质量控制提供了新的研究工具。通过深入理解植物挥发性组分的变化规律，我们能够更好地应对农业生产中的挑战，推动可持续农业的发展。