基于MALDI-MS成像的形态多样枣果实中激素代谢物的空间分布特征

《Foods》：Spatial Distribution Characterization of Hormonal Metabolites in Morphologically Diverse Jujube Fruits via MALDI-MS Imaging

　　

Ziziphus jujuba Mill.是中国重要的经济树种，具有营养、生态和观赏价值，其果实大小和形状存在丰富变异。植物激素（phytohormones）调控果实形态发生，然而不同形状枣果实中内源植物激素的空间分布特征仍不清楚。本研究采用基质辅助激光解吸/电离质谱成像（MALDI-MSI）技术，探索了圆形、缢缩形和长形枣果实中植物激素的空间分布模式。结果表明，在圆形和缢缩形果实的果肉和果皮中，植物激素均匀分布。某些生长素（auxins）和赤霉素（gibberellins）在长形果实的外果皮中未被检测到，而一种细胞分裂素（cytokinin）主要积累在果实基部。植物激素的差异分布可能是触发枣果实形态分化的潜在因素。本研究阐明了内源植物激素的空间变异，有助于阐明枣果实形状的调控机制。

**论文解读：MALDI-MSI揭示不同形状枣果实中激素代谢物的空间分布特征**

**研究背景与问题**

枣（Ziziphus jujuba Mill.）是中国重要的经济果树，栽培历史超过3000年，具有抗逆性强、早产高产、营养丰富等特点，在乡村振兴中发挥先锋树种作用。野生枣种质通常产生圆形或近圆形果实，但经驯化后果实形状高度多样化，形成了丰富的种质资源。农业生产中，鲜食枣市场偏好形状规则、大小均匀的大果，而加工行业则要求一致的果实形态以利于清洗、分级、去核等自动化生产，从而降低损耗、提高效率。因此，枣果实形状研究对遗传改良和新品种培育至关重要。植物激素作为果实形状的关键调控因子，其在不同形状果实中的分布模式尚不明确。以往研究多依赖整体果实匀浆测定，丢失了激素在组织间的空间信息；尽管已知生长素（auxin）、赤霉素（gibberellin, GA）、细胞分裂素（cytokinin, CK）等通过细胞分裂与扩张调控果实大小和形状，但这些激素的空间异质性及其如何通过区域差异化分布影响形态尚未被清晰揭示。此外，尽管MALDI-MSI已在少数果实样品中应用，但缺乏对形态对比鲜明果实的系统性多激素成像研究，尤其是在果实形状多样性突出的枣中。

**研究开展与结论**

为填补上述空白，研究人员采用基质辅助激光解吸/电离质谱成像（MALDI-MSI）技术，分析了三种不同形状枣果实（圆形品种‘京育5号’、缢缩形品种‘磨盘枣’、长形品种‘马牙枣’）在授粉后30天（30 DAA）这一关键形态发生期的激素代谢物空间分布。共检测到45种代谢物，涵盖生长素、赤霉素、脱落酸（abscisic acid, ABA）、茉莉酸（jasmonic acid, JA）和细胞分裂素五大类。研究发现：生长素和赤霉素在圆形和缢缩形果实的果肉和果皮中均匀分布，但长形果实的外果皮中某些生长素（如N-(3-吲哚乙酰基)-L-苯丙氨酸）和赤霉素（GA₃）未被检测到；一种细胞分裂素（2-甲硫基-N⁶-异戊烯基腺嘌呤）在长形果实基部显著积累。这些差异分布暗示激素的区域特异性可能是导致枣果实形态分化的潜在因素。该研究从空间视角阐明了内源激素的变异规律，为枣果实形状调控机制的理解提供新见解，论文发表在《Foods》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用MALDI-MSI（基质辅助激光解吸/电离质谱成像）技术，使用Bruker timsTOF flex质谱系统（配备10 kHz smartbeam 3D激光），在正离子模式下以50 μm空间分辨率进行组织成像。样本来自北京市农林科学院林业果树研究所种质资源圃的三种枣品种（‘京育5号’圆形、‘磨盘枣’缢缩形、‘马牙枣’长形），于授粉后30天采集，经冷冻切片（10 μm）后分别使用两种基质：DMPI（N,N-二甲基哌嗪碘化物，用于生长素、赤霉素、ABA、JA）和CHCA（α-氰基-4-羟基肉桂酸，用于细胞分裂素）进行喷涂。数据通过SCiLS Lab软件处理，采用RMS归一化，并通过MS/MS及自建MWDB数据库和PMhub、MoNA公共数据库进行代谢物注释。每个形状样品设置三个生物学重复。

**研究结果**

**3.1 不同形状果实中激素代谢物的鉴定**
通过MALDI-MSI分析，在三种形状的幼果中共鉴定出45种激素代谢物（排除同分异构体），其中以DMPI为基质检测到13种生长素、5种赤霉素、脱落酸（ABA）和3种茉莉酸（JA）；以CHCA为基质检测到23种细胞分裂素（CK）。所有代谢物均在正离子模式下获得。

**3.2 生长素代谢物的空间可视化与共定位**
生长素在三种形状果实的果肉中几乎均匀分布，但含量存在差异：长形果实中IAA（吲哚-3-乙酸）含量显著高于圆形和缢缩形果实。N-(3-吲哚乙酰基)-L-苯丙氨酸（m/z 419.2367）在长形果实的外果皮中呈带状积累，而在其他两种形状中未检测到；吲哚-3-乙酰-L-天冬氨酸（m/z 387.2037）在三种形状果实的果皮周边均呈带状分布。这些空间异质性可能通过影响局部细胞伸长、分裂或壁松弛共同导致不同果形形成。

**3.3 赤霉素代谢物的空间可视化与共定位**
赤霉素在三种形状果实的果肉中均匀分布，其中GA₁（m/z 445.2623）和GA₁₉（m/z 459.2779）丰度最高，且长形果实中含量高于圆形和缢缩形。GA₃（m/z 443.2466）在圆形和缢缩形果实的周缘果皮中显著富集，而在长形果实中无明显周缘积累，提示GA₃可能通过限制周缘扩张参与果形调控。

**3.4 脱落酸和茉莉酸代谢物的空间可视化与共定位**
ABA（m/z 361.2420）在三种形状果实中丰度均较低，与以往认为小果含高ABA的结论不一致，提示在本实验条件下ABA并非枣果形的主要决定因子。茉莉酸类代谢物分布更丰富，其中茉莉酸（JA，m/z 307.2306）在果皮周缘区域含量最高，且长形果实中JA和12-羟基茉莉酸（m/z 323.2255）含量显著高于圆形和缢缩形果实。

**3.5 细胞分裂素代谢物的空间可视化与共定位**
Kinetin（激动素，m/z 216.0885）在三种形状果实的果皮周缘区域丰度最高，提示其基础性作用。2-甲硫基-N⁶-异戊烯基腺嘌呤（m/z 250.1126）在长形果实顶端区域显著富集，而在上部区域丰度较低，暗示其与顶端生长区空间相关，可能通过刺激纵向分裂促进伸长。

**3.6 目标代谢物的空间分割分析**
采用空间狄利克雷高斯混合模型（Spatial-DGMM）进行分割分析，结果显示：吲哚-3-乙酰-L-天冬氨酸（m/z 387.2037）和GA₃（m/z 443.2466）在果皮中的强度显著高于果肉；茉莉酸（m/z 307.2306）在果肉中强度高于果皮；2-甲硫基-N⁶-异戊烯基腺嘌呤（m/z 250.1126）在缢缩形和长形果实的顶端富集。这些结果与上述空间分布模式一致。

**3.7 植物激素代谢物的共定位分析**
基于皮尔逊相关系数和曼德斯共定位系数的共定位分析显示，生长素（除吲哚-3-乙酰-L-天冬氨酸外）、赤霉素、茉莉酸和脱落酸代谢物之间呈强正相关，而细胞分裂素与这些激素呈负相关。UPGMA聚类树表明，三种形状果实中，3-氧代-2-(2-(Z)-戊烯基)环戊烷-1-丁酸（m/z 335.2619）、吲哚-3-乙酰-L-天冬氨酸（m/z 387.2037）和GA₉（m/z 413.2725）在三种形状中分布几乎一致，主要积累于果皮或近果皮区域；而GA₃（m/z 443.2466）和2-香豆酸（m/z 261.1523）在长形果实中均匀分布，与在另两种果形中的果皮限制性分布不同。

**3.8 研究局限性**
本研究所用三个品种遗传背景不同，观察到的激素空间分布差异不能完全归因于果形变异，基因型差异可能影响基线代谢物水平。此外，研究仅在一个发育阶段（30 DAA）进行，多时间点取样将有助于全面描绘空间模式的动态轨迹。

**总结讨论部分**
讨论部分指出，生长素、赤霉素和细胞分裂素的空间异质性可能是枣果实形态分化的关键因素。例如，长形果实中IAA含量高且GA₃在周缘缺失，可能解除了对纵向生长的抑制，促进伸长；而细胞分裂素2-甲硫基-N⁶-异戊烯基腺嘌呤在长形果实顶端的富集，提示其可能通过刺激顶端细胞分裂促进纵向伸长。这些结果与以往在桃、番茄、黄瓜等物种中的发现一致，表明激素调控果形的机制可能具有保守性。共定位分析进一步揭示了激素间的协同与拮抗关系，为理解多激素网络调控果形提供了空间视角。研究局限性部分强调遗传背景差异和单时间点取样的限制，未来需结合近等基因系和遗传操作手段及多时间点采样以建立因果联系。

**研究结论**
本研究采用MALDI-MSI定性和空间定位了不同形状枣果实切片中的植物激素代谢物（生长素、赤霉素、脱落酸、茉莉酸和细胞分裂素）。比较了三种形状枣果实中这些代谢物的相对丰度和空间分布模式。结果显示，生长素（N-(3-吲哚乙酰基)-L-苯丙氨酸）、赤霉素（GA₃）和细胞分裂素（2-甲硫基-N⁶-异戊烯基腺嘌呤）表现出显著的形状间差异，提示这些代谢物可能与枣果实的形态分化空间相关。MALDI-MSI似乎是表征枣果实中植物激素空间分布的适宜方法。这些发现为不同形状枣果实中内源植物激素的变异规律和空间分布特征提供了新见解，并通过识别与特定果实形态相关的区域特异性激素特征，为果实形状改良建立了空间框架。