《Frontiers in Plant Science》：Exploring dynamic changes in metabolic profiles of Artemisia argyi leaves across different growth stages via plant metabolomics
编辑推荐：
摘要
引言：艾（Artemisia argyi Levl. et Vant.）是一种具有重要药用价值的传统中草药。艾叶（AAL）表现出多种与其化学成分密切相关的生物活性。在生长过程中，生物活性代谢物的动态积累趋势随AAL的发育而发生变化。然而，关于其主要化学成
摘要
引言：艾（Artemisia argyi Levl. et Vant.）是一种具有重要药用价值的传统中草药。艾叶（AAL）表现出多种与其化学成分密切相关的生物活性。在生长过程中，生物活性代谢物的动态积累趋势随AAL的发育而发生变化。然而，关于其主要化学成分在整个生长周期中的动态变化规律及调控机制的系统性研究仍较为匮乏。本研究旨在阐明AAL在发育过程中的代谢动态模式。
方法：采用基于质谱的代谢组学平台对8个不同生长期的AAL样品进行化学轮廓分析。应用顶空-气相色谱-质谱联用（HS-GC-MS）、柱前衍生化气相色谱-质谱联用（GC-MS）及超高效液相色谱-四极杆-飞行时间质谱（UHPLC-Q-TOF-MS）对挥发性和非挥发性代谢物进行分析。进一步采用正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）和聚类分析筛选差异成分。通过将注释代谢物映射至其生物合成途径，构建了AAL的动态代谢网络。
结果：HS-GC-MS共注释到44种挥发性代谢物，包括36种单萜类、3种倍半萜类、3种醇类和2种芳香烃类。柱前衍生化GC-MS分析检测到88种代谢物，包括38种糖衍生物、21种氨基酸、16种有机酸和13种其他代谢物。UHPLC-Q-TOF-MS进一步检测到44种代谢物，包括26种黄酮类、12种酚酸类、5种香豆素类和1种萜类。多数单萜类和酚酸类在生长早期表现出显著较高（P < 0.05）的相对丰度。多数黄酮类在旺盛生长期达到丰度峰值。糖衍生物在AAL生长早期维持在较低水平，但在旺盛生长期和衰老期显著积累。研究构建了一个涵盖碳水化合物、氨基酸、黄酮类、萜类和有机酸代谢途径的代谢网络，以进一步探究AAL发育过程中的代谢调控机制。
讨论：AAL不同生长期主要代谢物的综合图谱为AAL药用资源的质量评价和可持续开发利用提供了科学依据。
**基于植物代谢组学的艾叶不同生长期代谢谱动态变化研究解读**
**一、研究背景与意义**
艾（Artemisia argyi Levl. et Vant.）作为一种具有较高经济价值的多年生草本植物，广泛分布于亚洲和欧洲地区。艾叶（AAL）在亚洲国家被广泛用作药用和芳香成分，在传统中医（TCM）临床上用于治疗炎症、出血、疼痛和痛经等病症。植物化学研究表明，AAL富含初级代谢物（如氨基酸、碳水化合物、膳食纤维）和次级代谢物（包括酚酸类、黄酮类、挥发油和萜类），这些生物活性成分赋予AAL多样的药理活性，包括抗炎、抗菌、抗氧化、免疫调节和改善微循环等作用。除临床应用外，AAL还可加工成花草茶、功能性糕点、精油和艾灸制剂等高附加值产品。
采收时间显著影响AAL中化学成分的积累。清明节前后采摘的嫩叶因质地细腻、苦味物质含量低而适于制作传统食品；端午节前后采收的成熟叶中挥发油和黄酮类含量达到峰值，是药用和艾灸产品的最佳原料。然而，现有研究仅阐明了AAL发育过程中总挥发油、总黄酮、总酚酸及若干单一成分的变化，难以全面反映AAL的采收品质。因此，有必要建立更全面的化学组成动态积累图谱，以确定AAL的最佳采收期。植物代谢组学已成为食品和中药质量评价中的关键分析技术，能够通过靶向和非靶向方法系统表征不同生长期AAL代谢物的动态变化。本研究综合运用HS-GC-MS、柱前衍生化GC-MS和UHPLC-Q-TOF-MS结合多元数据分析，系统考察多生长期AAL的代谢变异，旨在阐明其主要化学成分在整个生长周期中的动态变化规律和调控机制，为最佳采收期的确定提供科学依据。
**二、主要技术方法**
研究人员从河北中医学院药用植物园（河北省安国市，坐标：115°23′27.6″E；38°26′27.6″N；海拔25.15 m）采集了代表8个不同生长期的48批AAL样品。每个采样时间点设置6个独立生物学重复，每个重复由3株随机选取单株的混合叶片构成。根据叶片发育特征，将8个采样阶段分为三个时期：生长早期（S1-S2）、旺盛生长期（S3-S5）和衰老期（S6-S8）。分析采用三种互补的质谱平台：HS-GC-MS用于挥发性成分直接检测；柱前衍生化GC-MS用于非挥发性初级代谢物分析（经甲氧胺化和三甲基硅烷化衍生处理）；UHPLC-Q-TOF-MS（正离子模式）用于非挥发性次级代谢物分析。数据处理采用Agilent MassHunter软件进行峰提取和去卷积，化合物注释通过NIST 17数据库、MassBank、Agilent Herbal Library及文献检索完成。多元统计分析采用SIMCA软件进行OPLS-DA，以VIP > 1筛选差异成分，并通过200次置换检验验证模型可靠性。
**三、研究结果**
**3.1 代谢物检测与注释**
HS-GC-MS共注释44种挥发性代谢物，包括36种单萜类、3种倍半萜类、3种醇类和2种芳香烃类。柱前衍生化GC-MS检测到88种代谢物，包括38种糖衍生物、21种氨基酸、16种有机酸和13种其他代谢物。UHPLC-Q-TOF-MS检测到44种次级代谢物，包括26种黄酮类、12种酚酸类、5种香豆素类和1种萜类。
**3.2 多元统计分析揭示AAL发育过程中的代谢变异**
层次聚类分析（HCA）结果显示，44种挥发性化合物中27种在生长初期相对含量较高，随后下降；11种（如樟脑、莰烯、蒎烯）在旺盛生长期达到峰值；石竹烯是唯一在整个发育阶段持续积累的挥发性成分，在衰老期含量最高。初级代谢物呈现三种动态模式：14种糖衍生物、7种氨基酸、5种有机酸等在生长初期含量较高；14种糖衍生物、10种氨基酸、8种有机酸等在旺盛生长期含量最高；10种糖衍生物、4种氨基酸、3种有机酸在衰老期达到峰值。次级代谢物方面，22种黄酮类和超过半数酚酸类在旺盛生长期达到最大相对丰度，与总黄酮和总酚酸含量的前期研究结果一致。
OPLS-DA分析显示，8个生长期的AAL样品被清晰分为8个离散簇，三个平台的模型参数R2X、R2Y和Q2值分别为0.912/0.960/0.948（HS-GC-MS）、0.979/0.990/0.986（衍生化GC-MS）和0.972/0.987/0.983（UHPLC-Q-TOF-MS），200次置换检验的Q2截距均为负值，排除了过拟合风险。共筛选出17种差异挥发性成分、37种差异初级代谢物和21种差异次级代谢物（VIP > 1）。
**3.3 基于KEGG通路分析的AAL成分调控机制解析**
研究人员将检测到的代谢物映射至KEGG代谢通路数据库，构建了涵盖碳水化合物代谢、氨基酸代谢、黄酮代谢、萜类代谢和有机酸代谢五大核心通路的代谢网络。蔗糖通过糖酵解途径分解产生葡萄糖-6-磷酸、3-磷酸甘油酸、丙酮酸和乙酰辅酶A等关键中间体，这些中间体是TCA循环产能及氨基酸、黄酮和萜类生物合成的重要前体。
在生长早期，植物更易遭受低温和病原菌侵染等环境胁迫，苯丙烷途径来源的抗菌酚酸（如咖啡酰奎宁酸类）和MEP途径合成的挥发性单萜（如1,8-桉叶油素、α-蒎烯）大量积累，有助于AAL抵御病害和虫害。在旺盛生长期，光合效率显著增强，碳水化合物代谢的核心中间体优先转向次级代谢物生物合成，查尔酮合酶和黄酮合酶等催化碳骨架转化为槲皮素、山柰酚、木犀草素、芦丁等黄酮类化合物。在衰老期，整体代谢活性逐渐下降，多数代谢物含量降低，但具有强抗氧化活性的代谢物（如鼠李素、石竹烯等）显著积累，可能有助于缓解叶片衰老相关的氧化损伤。
**四、讨论与结论**
本研究初步阐明了AAL化学成分的动态积累特征。生长早期AAL优先合成防御性化合物，导致酚酸和单萜类显著积累；旺盛生长期光合能力和代谢效率增强，碳骨架大量流向黄酮生物合成，芦丁等黄酮类显著富集；衰老期整体代谢活性大幅下降，石竹烯、糖衍生物、黄酮类和咖啡酸衍生物等抗氧化代谢物的大量积累可能有助于减轻氧化损伤和衰老相关胁迫。该研究为AAL基于应用目的和目标产品的最佳采收期确定和质量评价提供了基础数据，有助于推动AAL采收从经验实践向精准标准化栽培转变，提升中药材资源利用效率，促进中药产业高质量发展。
