褪黑素种子引发重塑褐芥菜（Brassica juncea L.）芽的代谢组学特征与功能属性

《Scientific Reports》：Melatonin seed priming reconfigures the metabolomic profile and functional attributes of brown mustard (Brassica juncea L.) sprouts

　　

尽管芥菜种子是生物活性化合物的主要储存库，但关于褪黑素（MT）引发处理对芥菜芽化学模式、代谢途径和生物学属性重塑的影响，目前数据尚不充分。因此，当前工作旨在利用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）和化学计量学分析，研究MT引发处理后芥菜芽中的代谢变化。鉴于此，MT引发的发芽样品中酚酸显著升高，特别是羟基苯甲酸、阿魏酸、丁香酸和绿原酸，与未引发对照相比增加约2.5至6倍。在MT引发的芥菜芽中，一些脂肪族芥子油苷，如葡萄糖芥苷（gluconapin）、葡萄糖金莲葡糖硫苷（glucotropaeolin）和黑芥子苷（sinigrin），与未引发对应物相比显著升高，分别增加3.5、2.9和2.6倍。此外，一些黄酮类化合物和二苯乙烯类化合物，主要是异鼠李素（isorhamnetin）、丁香亭-O-葡萄糖苷（syringetin-O-glucoside）、槲皮素（quercetin）和异荭草苷元（isorhapontigenin），在引发的芥菜芽中相对于其他样品表现出显著的富集模式。KEGG通路分析揭示，苯丙烷生物合成、黄酮生物合成、芥子油苷生物合成以及二苯乙烯类、二芳基庚烷类和姜辣素生物合成途径是主要调控这些代谢波动的关键代谢通路。关于乙酰胆碱酯酶（AChE）和单胺氧化酶B（MAO-B）抑制筛选，MT引发的发芽样品记录了最领先的结果，IC₅₀分别为7.667 ± 0.306 mg/dl和45.389 ± 0.953 mg/dl。OPLS驱动的相关分析指出，在MT引发的样品中主要检测到的丁香酸、鞣花酸和绿原酸，以及槲皮素、紫檀芪（pterostilbene）、黑芥子苷、葡萄糖芥苷和二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid），是除AChE和MAO-B抑制活性之外的生物活性化合物。这些发现支持褪黑素引发作为一种可持续、有效的技术，用于生产高质量、营养丰富且促进健康的农产品，以改善慢性疾病。

本文解读的论文发表在《Scientific Reports》上，题为“Melatonin seed priming reconfigures the metabolomic profile and functional attributes of brown mustard (Brassica juncea L.) sprouts”，该研究聚焦于褪黑素（MT）种子引发对褐芥菜芽代谢组与功能属性的重塑作用。

阿尔茨海默病（AD）是一种多因素、起病隐匿的神经退行性疾病，全球约5000万患者，预计2050年将增加两倍。目前临床治疗以乙酰胆碱酯酶（AChE）抑制剂为主，但并非可靠疗法且存在副作用。因此，寻找更安全有效的替代策略成为研究热点。芥菜种子作为传统中药，富含硫代葡萄糖苷、黄酮、酚酸和omega-3脂肪酸等生物活性成分，但在认知障碍领域的应用尚未充分开发。种子萌发和引发是提升食用种子营养价值的绿色技术，其中褪黑素引发已在多种作物中证明能提高发芽率、增强胁迫耐受性并激活抗氧化酶系统。然而，MT引发对芥菜芽化学图谱、代谢通路及AD相关酶抑制活性的影响尚属空白。为此，研究人员设计了本研究，旨在通过代谢组学与生物活性评价揭示MT引发的作用机制。

研究人员采用超高效液相色谱-三重四极杆串联质谱（UPLC-QqQ-MS/MS）对MT引发和未引发的褐芥菜芽提取物进行非靶向代谢组学分析；利用主成分分析（PCA）、正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）和KEGG通路富集识别差异代谢物及关键代谢通路；通过体外AChE和MAO-B抑制实验评估功能属性，并采用OPLS模型关联代谢物与酶抑制活性。样本来自埃及开罗大学农业研究中心，褐芥菜种子经100 μM MT溶液引发后发芽10天，未引发发芽种子作为对照。该研究首次系统描绘了MT引发芥菜芽的代谢重编程图谱，为开发高附加值功能食品提供了理论依据。

结果部分包括以下内容：

**褪黑素引发的芥菜芽的植物化学研究**：通过UPLC-MS/MS共注释到71个色谱信号，涵盖硫代葡萄糖苷、黄酮、萜类、酚酸和脂肪酸等化学类别。MT引发样品中酚酸（羟基苯甲酸、阿魏酸、丁香酸、绿原酸等）较未引发对照增加约2.5至6倍，表明MT作为植物激素可酶促触发结合态酚酸的释放与生物合成。

**多元统计化学判别**：PCA得分图显示MT引发样品与未引发样品沿PC2轴明显分离，总方差解释率为77.3%；层次聚类分析（HCA）进一步将MT引发样品聚为独立亚簇。OPLS-DA模型表现出高可靠性（R²X=0.987，R²Y=0.974，Q²=0.96），置换检验（n=200）和CV-ANOVA（F=55.55，p=0.00024）证实模型无过拟合且组间差异显著。

**代谢趋势和通路分析**：氨基酸方面，丝氨酸、亮氨酸等初级氨基酸在MT引发后下降，而苯丙氨酸、乙酰酪氨酸和阿魏酰色胺上升，其流向特化的次生代谢产物。酚酸类化合物显著富集，与苯丙烷生物合成通路激活密切相关。硫代葡萄糖苷方面，脂肪族芥子油苷（葡萄糖芥苷、葡萄糖金莲葡糖硫苷、黑芥子苷）分别上升3.5、2.9、2.6倍，吲哚族芥子油苷羟基芸苔葡糖硫苷上升2倍。黄酮和二苯乙烯类中，异鼠李素、丁香亭-O-葡萄糖苷、槲皮素、山柰酚、异荭草苷元和紫檀芪等显著增加，对应黄酮生物合成及二苯乙烯类、二芳基庚烷类和姜辣素生物合成通路。脂肪酸及其衍生物中，饱和脂肪酸（芥酸、羟基棕榈酸）和不饱和脂肪酸（二十碳五烯酸、羟基亚麻酸等）以及溶血磷脂酰胆碱（LysoPC 16:0、LysoPC 18:3）均呈上升趋势，涉及不饱和脂肪酸生物合成和甘油磷脂代谢通路。

**不同芥菜样品的AChE和MAO-B抑制活性**：所有芥菜提取物均显示出剂量依赖性抑制效应。MT引发样品的IC₅₀分别为7.667 ± 0.306 mg/dl（AChE）和45.389 ± 0.953 mg/dl（MAO-B），优于未引发对照（20.865 ± 0.626和82.646 ± 2.042 mg/dl）和未发芽种子（39.995 ± 1.053和90.896 ± 1.729 mg/dl），表明引发和萌发显著增强了生物活性。

**OPLS定向分析揭示效应化合物**：OPLS双标图（解释总方差70.3%）将MT引发样品与AChE和MAO-B抑制活性空间关联。系数图显示丁香酸、香豆酸、阿魏酸、鞣花酸、绿原酸、丁香亭-3-O-葡萄糖苷、山柰酚、槲皮素、紫檀芪、黑芥子苷、葡萄糖芥苷、羟基芸苔葡糖硫苷、葡萄糖金莲葡糖硫苷、二十碳五烯酸、蓖麻油酸、羟基亚麻酸和β-生育酚等代谢物与强抑制活性显著相关。

讨论部分指出，这些代谢物与文献报道的神经保护作用一致，例如鞣花酸对AChE和MAO-B的双靶点抑制，绿原酸在动物模型中的抗遗忘效应，以及丁香酸对脑外伤大鼠的神经保护作用。同时，研究人员承认研究局限性：缺乏转录组和酶活性的直接验证；仅评估了单一品种；相关性分析不能替代纯化合物的因果验证。结论部分翻译如下：受芥菜种子传统医学营养和治疗属性的启发，本研究首次尝试监测芥菜种子经MT引发和随后的萌发过程中的化学变化和生物学特征。与未引发发芽样品相比，MT引发的芥菜芽中酚酸、黄酮、二苯乙烯、芥子油苷和一些不饱和脂肪酸显著升高。这些代谢变化主要与苯丙烷生物合成、黄酮生物合成、芥子油苷生物合成、二苯乙烯类/二芳基庚烷类/姜辣素生物合成以及不饱和脂肪酸生物合成有关。在AChE和MAO-B抑制筛选中，MT引发发芽样品记录了最显著的结果，IC₅₀值分别为7.667 ± 0.306 mg/dl和45.389 ± 0.953 mg/dl，而未引发对照为20.865 ± 0.626 mg/dl和82.646 ± 2.042 mg/dl。OPLS相关分析表明，MT引发发芽样品富含多种生物活性化合物，主要是丁香酸、鞣花酸和绿原酸，以及槲皮素、紫檀芪、黑芥子苷、葡萄糖芥苷和二十碳五烯酸，这些可能构成了其显著的AChE和MAO-B抑制活性基础。总体而言，研究人员发现MT引发作为强效生物刺激剂，能够重编程种子代谢、调整化学模式并显著提升生物学属性，为可持续农业和功能性食品开发提供了新策略。