《Journal of Chromatography A》：Metabolomics Integrated with Mass Spectrometry Imaging Reveals Geographic Variation in Chemical Composition of Ophiopogon japonicus
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麦冬浙江与四川栽培品种代谢差异及空间分布研究，结合UPLC-QTOF-MS与AP-MALDI-MSI技术，发现ZMD富含homoisoflavonoids和皂苷类成分，在木质部及根部呈现显著空间富集特征，分子对接证实其活性成分与肺部靶点结合，为道地药材鉴定提供新方法。
李木子|刘桥|崔国谦|钱世燕|陈玉龙|何涛|卢莉|卢晓燕|沈国芳|陈胜双|范晓辉
中国浙江省杭州市浙江大学药学院药物信息学研究所，310058
摘要
麦冬（Ophiopogon japonicus）是一种传统中药，其在浙江（ZMD）和四川（CMD）品种之间存在化学类型差异，但其道地性的空间代谢特征尚未得到研究。本研究结合了UPLC-QTOF-MS和AP-MALDI-MSI技术，分析了根部的代谢差异及植物化学物质的组织特异性分布。多变量分析鉴定出40种差异代谢物，发现ZMD品种3年的生长周期较长，这与其较高的苯丙素生物合成能力和抗氧化能力相关。对12种关键代谢物的空间分布分析显示，ZMD中富含木脂素和苷类化合物，而CMD中则以甾体皂苷为主。分子对接实验证实，ZMD特有的化合物（如芦竹素）与肺部相关靶点（5-LO、PI3Kδ）之间存在强烈相互作用，这支持了麦冬在呼吸系统中的传统用途及其潜在的抗癌活性。空间代谢组学研究进一步证明了组织特异性积累与生物活性的关联，从而通过化学空间特征验证了ZMD的道地性。本研究建立了一种评估功能性食品成分质量的方法框架，并阐明了其生物活性背后的代谢机制。
引言
麦冬（Ophiopogon japonicus）的干燥块根具有滋补阴液、促进津液生成、润肺止咳的功效。临床上，麦冬广泛用于抗肿瘤、抗衰老、调节免疫和降血糖等方面。此外，它还被作为功能性食品在中国及其他东亚国家日常饮食中使用[1]。由于其厚实的果肉和丰富的糖分，麦冬具有芳香和甜美的风味，适合加工成果酱、花草茶和药酒[2,3]。目前市场上的麦冬根据产地分为四川麦冬（CMD）和浙江麦冬（ZMD）两种。这两种都是真正的药材，但在生长周期和特性上存在显著差异。ZMD主要在浙江杭州湾周边的慈溪、余姚、萧山等地种植，生长周期为2至3年；CMD则主要在四川的绵阳、三台等地沿涪江种植，生长周期仅为1年，具有周期短、产量高的特点[4,5]。ZMD作为著名的“浙八味”之一，在中医文献中一直备受推崇，品质更为优良。然而，中国市场上主流的麦冬产品是CMD。由于ZMD的栽培周期较长，加之市场价格、产业结构调整等因素，ZMD的种植面积和劳动力逐渐减少，导致市场上销售的麦冬品种出现混乱，并对ZMD的种质资源造成损害[4,6]。从总皂苷含量来看，ZMD收获时的含量约为0.29–0.31%，而CMD的含量范围为0.40–1.20%[3]。ZMD主要含有芦竹素B，而CMD则以芦竹素D为主，同时含有少量芦竹素B[4]。值得注意的是，ZMD中的异黄酮成分（如甲基麦冬酮A和甲基麦冬酮B）含量显著高于CMD[6]。从单位面积块根产量和年经济效益来看，3年的栽培周期对ZMD更为有利。此外，ZMD的水提取物具有更强的DPPH自由基清除能力，表明其抗氧化性能更优。因此，研究ZMD的特征成分有助于保护这一品种，并进一步探索其在疾病治疗中的应用潜力，为临床应用提供实验室数据支持。
目前的研究主要集中在比较不同品种麦冬的化学成分上，尤其是指纹图谱、木脂素和甾体皂苷等方面。何等人[7]使用顶空气相色谱-离子迁移谱（HS-GC-IMS）方法建立了14种特征挥发性有机化合物的指纹图谱，以区分ZMD和CMD。田等人[8]利用HPLC-Q-TOF-MS/MS技术鉴定出麦冬中的51种化合物，包括22种皂苷和24种木脂素。查等人[9]通过UPLC-Q/TOF-MS、GC-MS和LC-MS方法研究了CMD和ZMD的块根，发现ZMD在品质评估上优于CMD。李等人[10]通过HPLC-ELSD发现ZMD中的芦竹素B和芦竹素D'含量高于CMD，而芦竹素D的含量则约为CMD的一半。ZMD中的总皂苷、甲基麦冬酮A和甲基麦冬酮B含量也高于CMD，且收获延迟时总皂苷含量会增加[11]。总体而言，关于麦冬的化学成分已有大量研究，主要集中在不同地区药材的差异上。然而，其道地性的化学空间特征尚不明确，地理和生长周期的差异导致了麦冬化学组成的变化。作为真正的地域性药材，ZMD为何需要3年生长周期的原因尚未从生物活性成分的空间积累和分布角度得到解释。
基质辅助激光解吸电离质谱成像（MALDI-MSI）是一种先进的分析技术，近年来被广泛应用于中药成分的研究和质量控制[11]。该技术的非破坏性和高空间分辨率使得研究人员无需复杂样品处理即可直接在组织切片上成像和分析化学成分。该技术已被用于研究中药中的活性成分分布[12]、代谢途径[13]和作用机制[14]。植物中代谢物的合成和积累通常具有精确的空间分布，其生理功能与其在组织中的空间定位密切相关。因此，准确、高空间分辨率的代谢产物定位对于理解其合成、积累和代谢过程具有重要意义。MALDI-MSI为中药复杂基质的空间代谢组学分析提供了革命性的工具，通过原位、高分辨率的化学成分可视化实现了这一目标。通过MALDI-MSI，研究人员可以获取不同组织和生长阶段中成分的分布信息[15,16]，为质量控制和功能性食品开发提供了重要科学依据。然而，现有的代谢组学研究往往侧重于整体成分差异，缺乏对生长周期与组织特异性代谢之间关联的分析。
据我们所知，AP-MALDI-MSI技术尚未被用于麦冬的空间代谢组学研究。早期关于该草药的研究主要集中在化学成分分析和定量分析上，对根组织中代谢物的空间异质性关注较少。在本研究中，我们结合了UPLC-QTOF-MS和AP-MALDI-MSI技术，实现了全面的代谢物分析和组织级别的空间可视化。通过这种整合策略，不仅识别了ZMD和CMD之间的差异代谢物，还揭示了它们在根部的组织特异性积累模式，从而为理解麦冬的道地性提供了新的空间视角。UPLC-QTOF-MS用于识别与品种和地理来源相关的差异代谢物，而AP-MALDI-MSI则实现了根部不同解剖区域中关键化合物的直接映射。这种综合方法为解释麦冬的道地性和提高其品质评估提供了新的空间视角。
材料与试剂
芦竹素D’、芦竹酮C、芦竹酮C、芦竹酮Ra、6-甲酰基异麦冬酮A、8-甲酰基麦冬酮B和甲基麦冬酮A的标准品由成都乐美天药业科技有限公司（中国成都）提供。borneol 7-O-[β-D-apiofuranosyl-(1->6)]-β-D-glucopyranoside和borneol 7-O-[β-D-apiofuranosyl-(1->6)]-β-D-glucopyranoside-2由浙江省食品药品检验研究院提供，芦竹酮D则由其他机构采购。
麦冬干燥根的化学成分
麦冬（Maidong）的主要生物活性成分包括甾体皂苷（如芦竹素）、木脂素（如甲基麦冬酮）和多糖。此外，它还含有生物碱、β-谷甾醇、葡萄糖、氨基酸、维生素、挥发油和微量元素[13]。
为了全面评估ZMD和CMD的化学成分，我们进行了LC-MS分析。TIC色谱图显示两者之间存在显著差异。
结论
本研究建立了ZMD道地性的化学空间特征，为功能性食品中使用的干燥植物材料提供了有用的分析框架。将AP-MALDI-MSI应用于干燥根部的研究开创了非模式植物产品的新型分析方法，实现了生物活性化合物的精确定位，同时保持了样品的完整性——这对于食品加工中的原材料标准化至关重要。此外，本研究还
作者贡献声明
李木子：研究、方法学设计、软件应用、数据管理、初稿撰写。
刘桥：研究、方法学设计、软件应用、数据管理、初稿撰写。
崔国谦：研究、初稿撰写。
钱世燕：研究、数据管理。
陈玉龙：研究、数据管理。
何涛：研究、数据管理。
卢莉：撰写、审稿与编辑。
卢晓燕：概念构思、撰写、审稿与编辑、指导。
沈国芳：概念构思、撰写、审稿。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文过程中，作者使用了深度学习工具来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的修改，并对发表文章的内容负全责。
作者贡献声明
李木子：初稿撰写、软件应用、方法学设计、研究、数据管理。
刘桥：初稿撰写、软件应用、方法学设计、研究、数据管理。
崔国谦：初稿撰写、研究。
钱世燕：研究、数据管理。
陈玉龙：研究、数据管理。
何涛：研究、数据管理。
卢莉：撰写、审稿与编辑。
卢晓燕：撰写、审稿与编辑、指导。
沈国芳：撰写、审稿。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金区域创新与发展联合基金（U23A20513）和浙江省自然科学基金重大项目（D25H280003）的支持。
