《Food Research International》：Cultivar-specific spatial metabolic differentiation across rice grain microregions at the wax-ripening stage
编辑推荐：
•通过 LC-MS/MS 和 AFADESI-MSI 绘制了三个谷粒微区域地图。•YZ8 外层富含花青素、黄酮类化合物和酚类物质。•YC2332 外层积累了甾醇、醌类和磷脂。•YZ8 和 YC2332 的胚显示出与中央碳代谢相关的代谢物。引言水稻（Oryza sativa L
- •
通过 LC-MS/MS 和 AFADESI-MSI 绘制了三个谷粒微区域地图。
- •
YZ8 外层富含花青素、黄酮类化合物和酚类物质。
- •
YC2332 外层积累了甾醇、醌类和磷脂。
- •
YZ8 和 YC2332 的胚显示出与中央碳代谢相关的代谢物。
引言
水稻（Oryza sativa L.）是全球最重要的主粮作物之一。稻米谷物的营养品质和化学成分对于膳食营养供应和谷物质化至关重要（Abid 等，2024）。与非色素水稻相比，有色水稻通常在外层组织中含有较高水平的特种代谢物。花青素是主要色素，常与黄酮衍生物、酚酸、原花青素和一些脂质一起积累（Xiong、Wu、Peng 等，2025；Zhu 等，2024）。水稻中的花青素着色受遗传调控，花青素合成相关基因的变异导致了品种特异性和组织特异性的着色模式（Xia 等，2021）。这些化合物构成了有色米的独特化学成分，并已被广泛研究作为生物活性成分（Oliveira 等，2026；Thilavech 等，2025）。（见 图 1、图 2、图 3、图 4、图 5、图 6。）
近年来，基于液相色谱 - 质谱（LC-MS）的代谢组学极大地推动了有色水稻化学成分差异的系统表征。先前的研究表明有色水稻中酚酸和黄酮类化合物水平较高，且不同品种间的黄酮生物合成存在显著差异（Xiong 等，2023；Zhang 等，2023）。谷物酚类化学成分多样，代谢组学提供了表征谷物间这种多样性的有效方法（Tiozon Jr. 等，2022）。其他比较 LC-MS 代谢谱的研究鉴定了区分不同颜色稻米的潜在生物标志物，其中许多差异涉及黄酮生物合成及相关代谢网络（Xiong 等，2022；Xiong、Wu、Lai 等，2025；Zhao 等，2024）。尽管这些研究揭示了品种间的整体代谢差异，但传统的基于提取的代谢组学通常依赖于均质化的整粒或混合组织。这种方法导致空间信息丢失，难以界定差异代谢物在谷粒区室内的组织来源和微区域积累模式。稻米谷物包含解剖上不同的外层组织，包括果皮和糊粉层，以及胚乳和胚。这些微区域在储存化合物、酶活性和代谢功能上有所不同（She 等，2025；Xiong、Wu、Peng 等，2025；Zhao 等，2024）。由于代谢物功能与其组织定位密切相关，微区域规模的证据对于理解谷粒代谢物的空间组织和积累模式至关重要（Horn & Chapman，2024）。
为了解决基于提取的代谢组学在空间维度上的局限性，气流辅助解吸电喷雾电离质谱成像（AFADESI-MSI）能够在环境条件下对谷粒切片进行原位成像。该技术保留了组织形态，同时捕捉代谢信号的二维分布，因此可以揭示谷粒微区域间的空间异质性和相对离子信号梯度（Yin 等，2024；Zhang 等，2024）。先前的水稻 MSI 研究证明了组织特异性代谢物分布。例如，MALDI-MSI 已被用于绘制水稻种子在乳熟期的靶向可溶性糖、氨基酸和黄酮途径代谢物（Zhao 等，2023）。然而，对比不同色素和非色素品种相应谷粒微区域的更广泛代谢特征的空间分析仍然有限。将 LC-MS/MS 与 AFADESI-MSI 相结合，将基于提取的注释证据与原位空间信息联系起来，使代谢差异能够在整粒和微区域两个水平上进行考察。
基于这一原理，我们假设 YZ8 和 YC2332 在蜡熟期之间的代谢分歧将是空间结构化的，而不是均匀分布在谷粒中，最强的品种特异性差异发生在外层。为了检验这一假设，使用 AFADESI-MSI 比较了两个品种相应的外层、胚乳和胚感兴趣区域（ROI）中的代谢特征，并采用 MSI 切片位置相邻谷粒组织的非靶向 LC-MS/MS 来支持推定的代谢物注释。该设计允许直接比较相应的谷粒微区域，同时将推断限制在受试的两个品种内。所得数据提供了 YZ8 和 YC2332 空间代谢异质性的品种特异性视角，并为未来跨更广泛水稻种质的验证提供了基础。
章节片段
植物材料与采样
黑粒扬子 8 号（YZ8）和白粒洋 2332（YC2332）被用作实验材料。植物种植于中国江苏省扬州市扬州大学农学院沙头实验基地。两个品种的谷粒均于 2025 年 10 月 17 日采样。基于新鲜谷粒内容的蜡状一致性，两个品种均被认为是处于蜡熟期。两个品种在同一天历日期采样。谷粒水分含量
AFADESI-MSI 特征概述及稻粒微区域解剖学 ROI 划定
使用 AFADESI-MSI 对 YZ8 和 YC2332 的谷粒纵切面进行空间代谢组学分析。在 NEG 和 POS 离子模式（图 1a-b）下，质谱主要在 m/z 100–400 范围内显示丰富的离子峰。原始特征表在 NEG 模式下包含 1635 个特征，在 POS 模式下包含 2768 个特征。这些数量在报告的预处理工作流后保持不变。为 898 个 NEG 模式特征和 1592 个 POS 模式特征分配了推定注释。在对
讨论
先前的研究将有色水稻与较高水平的花青素、黄酮类化合物、酚酸和其他特种代谢物联系起来（Xiong 等，2025b；Zhao 等，2025；Subramanian 等，2024）。本研究显示 YZ8 和 YC2332 之间的代谢差异从全局代谢物特征谱延伸至不同的微区域空间模式。与先前的水稻 MSI 研究相比，本研究考察了更广泛的 AFADESI-MSI 特征集并
结论
通过整合非靶向 LC-MS/MS 与 AFADESI-MSI，本研究表征了蜡熟期黑粒 YZ8 和白粒 YC2332 的微区域空间代谢模式。YZ8 在外层显示出花青素、黄酮类和酚酸相关特征的相对较高离子信号，而 YC2332 显示出甾醇、醌类和甘油磷脂相关特征的相对较高离子信号。胚乳和胚也显示了不同的代谢谱
CRediT 作者贡献声明
王润南：撰写 – 初稿，调查，正式分析，数据管理。李家如：调查，正式分析。潘宇通：调查，正式分析。何磊维：正式分析。高强：正式分析。张宏程：撰写 – 审阅与编辑。熊强强：撰写 – 审阅与编辑，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能被视为影响了本论文中报道的工作。
致谢
本研究由江苏省研究生科研与实践创新计划（KYCX25_4018）、江苏高校优势学科建设工程和扬州大学“青蓝工程”资助。
王润南 | 李家如 | 潘宇通 | 何磊维 | 高强 | 张宏程 | 熊强强
