利用超高效液相色谱-质谱联用技术（UHPLC-Q-TOF/MS-MS）结合化学计量学和分子网络分析，揭示牡丹（Paeonia suffruticosa）花朵的代谢组异质性及其与生物活性的关联：通过分子对接和动力学模拟获得的机制洞察

《Food Bioscience》：Unveiling metabolomic heterogeneity of Paeonia suffruticosa flowers using UHPLC-Q-TOF/MS-MS with chemometrics and molecular networking linked to bioactivity: Mechanistic insights from docking and dynamics simulations

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  使用UHPLC-qTOF/MS技术对PAS_f代谢物进行了全面的化学分析
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  MVDA和GNPS网络揭示了与颜色相关的代谢异质性
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  紫色花朵含有最高的酚类和花青素含量及生物活性
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  PAS_f代谢物与DNA旋转酶和SaFabI目标进行了对接研究
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  分子动力学和ΔG-GBSA研究阐明了结合稳定性和能量学
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  将食品来源的化合物与计算机模拟研究相结合可能促进新的治疗创新

引言

Paeonia suffruticosa L.（芍药）在中国文化遗产中占有重要地位，其栽培历史超过1500年，因为它具有卓越的观赏价值和深远的象征意义（C. Zhang et al., 2014）。除了其文化遗产价值之外，P. suffruticosa L. 在经济和药用方面也具有重要意义，它是精油的丰富来源，并具有广泛的民间药用价值（Xin et al., 2023）。芍药花朵在中国烹饪中传统上被用作草药茶，也是食品工业中的多用途成分。它们被用于各种食品中，包括蛋糕、甜点和饮料，并因其多样而鲜艳的色素而被用作天然着色剂（He et al., 2019）。由于其在传统医学中的高效率，P. suffruticosa被记录在不同的传统书籍中，包括《中华人民共和国药典》和《中国本草》（J. Liu et al., 2023）。它被认为是医药和食品的中国同源物（Xie et al., 2024）。2014年，中国的食品药品监督管理局也将其认定为天然化妆品和抗氧化剂资源（S. Wang et al., 2020）。这种植物表现出多种药理作用，例如促凝血、抗抑郁（Lei et al., 2024）、抗高尿酸（Y. Zhang et al., 2023）、抗氧化、抗炎和抗肿瘤、免疫调节以及抗菌（Ekiert et al., 2022）。

这些花朵呈现出从雪白、浅粉到深红和紫色的广泛颜色，这些颜色不仅视觉上引人注目，还显示出独特的植物化学成分特征（Ekiert et al., 2022），包括氨基酸、多酚、花青素、黄酮类、萜类、单宁、生物碱和挥发油（J. Liu et al., 2023）。花青素是通过苯丙素途径生物合成的黄酮类化合物。不同类型花朵中花青素的定量和定性差异是其颜色多样性的主要原因（Xu et al., 2024）。先前的文献报道，花青素中的主要成分是氰苷、天竺葵素、peonidin及其糖基化衍生物（L.-S. Wang et al., 2004）。它们含有大量的代谢物，如黄酮类和花青素，对代谢健康具有潜在益处，使其成为营养保健品配方和食品着色剂的宝贵天然成分，可以作为有害合成产品的替代品。

由于抗菌素耐药性的普遍存在，细菌感染已成为一个重大的国际健康问题（Salam et al., 2023）。尽管传统抗生素被广泛用于治疗细菌感染，但其长期使用导致了有害副作用、效率降低以及多重耐药菌株的出现（Uddin et al., 2021）。在这种情况下，迫切需要更安全的替代品或补充性抗菌剂，同时需要更深入地了解涉及细菌抑制机制的分子相互作用。在这种情况下，天然产物仍然是结构多样的分子的宝贵来源，对药物发现具有重要意义（Hong, 2011）。

P. suffruticosa L. 的花朵在色素方面表现出显著的多样性，这归因于复杂的生物化学和遗传特性，这些特性赋予了花朵美学魅力和潜在的功能特性（Fan et al., 2024）。因此，进行深入研究以全面了解花朵的营养和健康潜力是当前的需求。为了实现这种精确的分析，人们广泛使用代谢组学方法对植物提取物进行非靶向分析（Tahir et al., 2023）。在本研究中，采用了UHPLC-MS技术对P. suffruticosa L. 的花朵进行了全面的代谢组分析，涵盖了初级和次级代谢物。此外，还使用了全球天然产物社会分子网络（GNPS-MN）平台系统且无缝地处理串联质谱（MS/MS）数据，支持代谢物注释和不同植物样本间的相对分布分析。为了解析质谱技术生成的复杂数据集，多重分析（MVA）结合了无监督方法（主成分分析（PCA）和监督方法（正交投影到潜在结构判别分析（OPLS-DA））。总体而言，本研究旨在加深我们对P. < /> L. 花朵的植物化学特征及其与不同花朵颜色相关的抗氧化和抗菌特性的理解。计算机模拟研究，包括对接和分子动力学，在确定哪些代谢物最有可能通过稳定结合DNA旋转酶和SaFabI蛋白来发挥PAS_f的抗菌活性方面起着关键作用。尽管已有部分关于P. suffruticosa L. 花朵的研究（He et al., 2019; Z. Li et al., 2023; Niu et al., 2022），但目前的研究提供了白色、粉色和红紫色花朵的全面且异质的代谢组谱，通过UHPLC-MS/MS和基于GNPS的分子网络整合了初级和次级代谢物，并对其抗氧化和抗菌作用（体外和计算机模拟）进行了初步评估，为育种计划和药物发现/开发提供了关于这些花卉品种的植物化学多样性和生物功能潜力的见解。

章节摘录

植物材料收集

新鲜的Paeonia suffruticosa花朵在2024年4月底同一个开花季节的开花期收集，具有三种不同的颜色表型（粉色、紫色和白色）。所有采样的植物都在中国镇江的江苏大学植物园中，在相同的环境条件下生长，以减少微气候差异。为了确保生物重复性的可靠性，每种颜色表型的花朵都来自单独的植物

氨基酸

氨基酸是初级代谢物，因为它们是植物代谢、蛋白质合成和各种生理过程所需的基本生物分子。通过UHPLC-Q-TOF MS/MS光谱分析（包括正模式（图1A）和负模式（图1B），结合GNPS分子网络（图2），在所研究的芍药样本中发现了近40种氨基酸及其衍生物，包括苏氨酸、赖氨酸、组氨酸、天冬氨酸、脯氨酸、精氨酸、果糖基

结论与未来展望

尽管研究的三种PAS_f样本在分类学上相同（Paeonia suffruticosa），但它们的花朵颜色表型从浅紫色到粉色和白色，反映了次级代谢物组成的差异，特别是花青素。结果表明，紫色和粉色花朵积累了大量的花青素，如天竺葵素、peonidin、氰苷和delphinidin及其糖基化衍生物，而白色花朵则不然。

CRediT作者贡献声明

Omar M. Khattab：撰写——原始草稿、软件、方法论、数据整理。Sulafa B. H. Hashim：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、研究。Haroon Elrasheed Tahir：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、概念化。Nermeen Yosri：撰写——原始草稿、软件、正式分析、数据整理、概念化

Bai et al., 2021; Bai et al., 2021; Li et al., 2021; MassBank Record, n.d.; Zhang et al., 2019.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

Nermeen Yosri|Sulafa B.H. Hashim|Omar M. Khattab|Haroon Elrasheed Tahir

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