香椿心材黄酮类化合物的广泛靶向代谢组学分析揭示其与木材特性的分子关联

本研究针对香椿(Toona sinensis)心材形成机制不明的问题，通过广泛靶向代谢组学(UPLC-MS/MS)结合形态生理学分析，系统鉴定了2-6年生木质部772种代谢物，发现6年生心材(6YH)特异性富集黄酮类化合物(如儿茶素含量达9684μg/g)，并首次揭示其围绕导管分布的时空特征，为心材着色机制和药用开发提供新见解。

　　

在传统家具制造和药用植物领域，香椿(Toona sinensis)因其独特的红褐色心材备受推崇。这种珍贵木材不仅具有优异的机械性能，还蕴含着丰富的生物活性成分。然而长久以来，关于香椿心材形成过程中关键代谢物的动态变化及其空间分布规律，科学界仍缺乏系统认知。心材作为树木成熟的标志性组织，其形成涉及复杂的程序性细胞死亡(PCD)过程和次生代谢产物积累，这些化合物直接影响木材的色泽、耐久性和药用价值。特别值得注意的是，香椿心材中黄酮类化合物的组成特征及其与木材特性的关联机制，一直是未被破解的科学谜题。

为揭示这一奥秘，阜阳师范学院和亚热带林业研究所的研究团队开展了一项创新性研究。通过整合广泛靶向代谢组学和形态生理学分析技术，研究人员系统比较了2-6年生香椿木质部的代谢特征，首次绘制出心材形成过程中的代谢图谱。相关成果发表在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》上，为理解木材着色机制和开发植物源功能成分提供了重要依据。

研究采用UPLC-MS/MS技术对样本进行广泛靶向代谢组学分析，结合主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)进行数据挖掘。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证功能基团，并利用二苯基硼酸-2-氨基乙酯(DPBA)荧光染色实现黄酮类化合物的原位可视化。样本来自安徽阜阳的2-6年生"黑油椿"枝条，其6年生木质部分为心材(6YH)和边材(6YS)两组。

"代谢物鉴定"部分显示，772种代谢物中被鉴定出102种黄酮类化合物、100种氨基酸及其衍生物和147种酚酸。主成分分析表明6YH具有独特的代谢特征，与边材样本相关性最低。差异代谢物分析揭示6YH中295种代谢物下调、115种上调，其中黄酮类化合物显著富集，包含8个亚类，以黄酮醇(29种)最为丰富。

"心材富含黄酮类化合物"章节通过KEGG通路分析发现，6YH中黄酮和黄酮醇生物合成通路显著激活。定量检测显示6YH的黄酮和花青素含量分别是5年生样本的2.1倍和1.9倍。FTIR光谱证实3420 cm^-1(-OH)和1064 cm^-1(C-O-C)特征峰强度最高，半定量分析表明6YH具有最强的黄酮类信号。

"黄酮生物合成通路分析"通过聚类热图显示，6YH中68/100种黄酮含量升高。代谢通路重构发现32种黄酮在6YH特异性积累，包括染料木素-8-C-葡萄糖苷等独特成分。靶向定量验证显示6YH中表儿茶素(9684 μg/g)、儿茶素(2482 μg/g)和矢车菊素(266 μg/g)含量显著高于边材。

"黄酮类化合物的组织定位"部分通过DPBA荧光染色揭示，黄酮类物质主要分布在导管周围，早材中的积累量明显高于晚材。值得注意的是，射线薄壁细胞区域未见明显黄酮积累，6YH的荧光信号强度显著高于边材和幼龄样本。

这项研究首次系统阐明了香椿心材形成过程中的代谢重编程事件，特别是揭示了黄酮类化合物作为关键功能成分的空间分布规律。6年生心材中表儿茶素等物质的超高含量(较茶叶高出数十倍)，为其药用开发提供了物质基础。研究发现黄酮类物质围绕导管分布的时空特征，为理解植物次生代谢产物的转运机制提供了新视角。从应用角度看，该研究不仅为香椿木材品质改良提供了分子标记，其建立的分析方法也可推广至其他珍贵树种的心材形成研究。这些发现对开发基于植物心材的功能性材料和天然药物具有重要指导价值。