前言

霍山石斛是一種多年生附生草本植物，是一種名貴中草藥，具有多種藥理作用。野生霍山石斛生長在巖石上，根據(jù)調查發(fā)現(xiàn)霍山石斛在磁鐵礦巖石上生長得比普通巖石更好，現(xiàn)有研究表明Fe強烈影響其原球莖樣體的增殖和多糖生物合成。雖然地殼中的鐵元素充足，但多以不溶性的化合物存在，這導致自然界中的植物不容易吸收利用鐵元素。而納米顆粒(NPs)粒徑微小，可以作為生物活性分子的納米載體。因此，研究如何將納米FeO作為納米肥料應用于霍山石斛的生長具有重要意義。

本研究采用ICP-MS測定金屬元素的含量，應用GC-MS非靶向代謝組學方法檢測FeO納米顆粒的代謝產(chǎn)物的含量和組成。為霍山石斛藥材的質量改進提供了有價值的信息。

2022年8月，安徽中醫(yī)藥大學刑世海教授團隊在Frontiers in Nutrition發(fā)表了題為“ICP-MS based metallomics and GC-MS based metabolomics reveals the physiological and metabolic responses of Dendrobium huoshanense plants exposed to FeO nanoparticles”(IF=6.590)的研究文章。該文章作者通過ICP-MS和GC-MS非靶向代謝組學結合植物生理參數(shù)分析等研究方法，發(fā)現(xiàn)霍山石斛對FeO納米顆粒有一定的代謝物重編程反應，進而改變了霍山石斛細胞的脂膜以更好地應對脅迫。描繪了FeO納米粒子在霍山石斛上具有潛在的納米肥料應用前景，為將一些不易被植物吸收的營養(yǎng)物質轉化為納米材料以提高其利用率提供了理論依據(jù)。

中文標題：基于ICP-MS的金屬組學和基于GC-MS的代謝組學研究霍山石斛對納米FeO的生理代謝響應

研究對象：霍山石斛

發(fā)表期刊：Frontiers in Nutrition

影響因子：6.590

發(fā)表時間：2022年8月

發(fā)表單位：安徽中醫(yī)藥大學

運用生物技術：ICP-MS金屬組學、GC-MS非靶向代謝組學（由鹿明生物提供技術支持）

研究思路

研究方法

1.實驗材料

將霍山石斛移栽到水培系統(tǒng)中，其他條件保持相同，在納米水中制備100 mg/L和200 mg/L的納米FeO納米顆粒原液，將FeO納米顆粒溶解在營養(yǎng)液中，在45 kHz的頻率下在冰浴中超聲處理60min，作為處理組，以不含納米顆粒的相同溶液為對照。所有幼苗在溫室中培養(yǎng)21天，每3天更換一次營養(yǎng)液，直到收獲。

2.表型分析

分別于處理后0、7、14、21d對霍山石斛的生長進行了宏觀觀察。

3.生理參數(shù)分析

生物量和光合作用參數(shù)測定：測量新鮮生物量,對幼苗的光合色素含量進行了測定。

丙二醛和酶粗提物：相關抗氧化酶，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)的酶活性測量和丙二醛含量的測量。

鐵和其他礦物質營養(yǎng)素：ICP-MS測量測定鐵和其他微量營養(yǎng)素(銅、錳、鋅、鈷、硼、鉬、碘)的含量。

霍山石斛中的生物活性成分：高效液相色譜儀總生物堿在620nm處的吸光度測量；黃酮類成分在510nm處的吸光度進行定量的含量。通過HPLC測定霍山石斛單糖含量。

4.多組學分析

GC-MS代謝組學分析：每組10個重復

ICP-MS金屬組學分析。

研究結果

1. FeO納米顆粒處理后霍山石斛的生化反應

丙二醛含量的測定結果說明200 mg/L的FeO納米顆粒對霍山石斛的氧化脅迫作用較早，而100 mg/L的FeO納米顆粒誘導的氧化脅迫作用明顯較晚（圖1A）。SOD活性的變化大致反映了丙二醛含量的變化(圖1B)。有意思的是，從第7天到第14天，處理組的過氧化物酶活性低于對照組(圖1C)。這可能歸因于FeO納米粒子具有內在的類似過氧化物酶的活性。此外，F(xiàn)eO納米顆粒處理組的過氧化氫酶水平與對照組相似(圖1D)。

圖1 | Fe3O4納米顆粒處理后霍山石斛的生化反應

2. FeO納米顆粒處理后霍山石斛中的主要生物活性成分

測定霍山石斛莖中多糖和單糖的總含量(圖2)以了解FeO納米顆粒對霍山石斛固碳的影響?；羯绞嗵呛吭诘?天達到峰值，而對照組多糖含量略有增加。甘露糖的變化趨勢與多糖的變化趨勢基本一致。有趣的是，從第7天到第21天，200 mg/L FeO納米顆粒組的多糖和甘露糖含量都下降了31.98%(表1)。推測這一變化是由于霍山石斛開花早，導致甘露糖消耗過多，從而影響了總多糖的含量。100 mg/L和200 mg/L的納米FeO對霍山石斛的葡萄糖含量有明顯的促進作用，7d后葡萄糖含量基本穩(wěn)定。

圖2 | Fe3O4納米顆粒處理后霍山石斛中的主要生物活性成分

表1 | Fe3O4納米顆粒處理后霍山石斛中的主要生物活性成分

3. FeO納米顆粒處理后鐵和其他礦物質的變化

在培養(yǎng)第21 d時，用電子顯微鏡觀察霍山石斛根、莖、葉細胞的變化(圖3)。結果表明，隨著FeO納米粒子處理濃度的增加，根細胞顏色變暗，這可能是由于FeO納米粒子在根皮層細胞附近的吸附所致。霍山石斛的莖薄壁細胞在FeO納米顆粒濃度梯度上也有不同程度的變小增厚。電感耦合等離子體質譜結果顯示，100 mg/L和200 mg/LFeO納米粒子處理的霍山石斛莖中的Mn、Co、B、Mo和I含量顯著高于對照(表2)，這可能是由于它們的營養(yǎng)元素互補作用所致。相比之下，銅和鋅的含量沒有變化。

圖3 | Fe3O4納米顆粒處理后霍山石斛根、莖、葉細胞的變化

表2 | Fe3O4納米顆粒處理后鐵和其他礦物質

4.FeO納米顆粒處理后三羧酸循環(huán)與碳水化合物(碳代謝)的變化

琥珀酸是三羧酸（TCA）循環(huán)的主要中間體，在接觸FeO納米顆粒后，琥珀酸的含量顯著減少。另一種三羧酸循環(huán)中間體馬來酸在接觸FeO納米粒子后也減少了（圖2-5）。三羧酸循環(huán)是細胞呼吸機制的核心，三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物的下調可能表明霍山石斛呼吸作用受到抑制。結合前面的霍山石斛生理生化指標分析，F(xiàn)eO納米顆粒處理提高了霍山石斛的葉綠素含量。所以FeO納米顆?？赡軙p少植物的呼吸，增強光合作用，減少有機質的消耗，增加有機質的積累，從而促進植物的生長。

圖4 | FeO納米顆粒處理后三元酸循環(huán)與碳水化合物(碳代謝)

5.FeO納米顆粒處理后抗氧化劑，脂肪酸的變化

通過GC-MS非靶向代謝組學分析，與對照組相比，F(xiàn)e3O4納米粒子處理組綠原酸含量顯著降低，4-羥基苯甲酸、3-羥基苯甲酸、3，4-二羥基肉桂酸、水楊酸、對苯二酚、去甲腎上腺素、1，2，3-三羥基苯、1，2，4-苯三酚等具有清除ROS能力的代謝物減少了16-49%(圖5)。Fe3O4納米顆粒的POD模擬活性清除了處理植株中的一些ROS，從而保護了霍山石斛的內源非酶抗氧化系統(tǒng)。FeO納米顆?？赡苷{節(jié)霍山石斛的抗氧化防御途徑。

在本研究中，接觸FeO納米顆粒(圖6)的霍山石斛體內十五烷酸和欖香酸的含量均顯著增加，這可能是該植物對環(huán)境變化的一種適應。另一個顯著上調的是3-羥甲基戊二酸；相比之下，L-2-羥基戊二酸和幾種不飽和脂肪酸(衣康酸、反式肉豆蔻酸和亞麻酸)的表達顯著下調。顯然，觀察到的脂肪酸變化的一個潛在原因是脂質過氧化。這也可能是因為霍山石斛調節(jié)根部細胞膜的流動性，限制多余的鐵離子滲透到其細胞中，從而防止過量的鐵損害植物。

圖5 | Fe3O4納米顆粒處理后抗氧化劑的變化

圖6 | Fe3O4納米顆粒處理后脂肪酸的變化

研究結論

本研究發(fā)現(xiàn)100 mg/L和200 mg/L的納米FeO對霍山石斛沒有明顯的毒性作用。相反，增加了霍山石斛葉片中的葉綠素含量增加。此外，主要生物活性物質(多糖)的含量也有不同程度的增加，尤其是增加了霍山石斛對鐵和其他微量元素(Mn、Co、B、Mo)的吸收和積累；且霍山石斛對FeO納米顆粒有一定的代謝物重編程反應，得益于納米顆粒的抗氧化酶活性，它取代了霍山石竹天然小分子抗氧化劑的部分功能，大多數(shù)酚類代謝物和脂肪酸的減少暗示了FeO納米顆粒改變了霍山石斛細胞的脂膜，而不需要積累酚類物質來增強其抗氧化防御系統(tǒng)，以更好地應對脅迫。

此外，F(xiàn)eO納米粒子還干擾了氨基酸代謝途徑，這表明它們可以改變氮代謝的動態(tài)和能量的重新分配。這些結果表明，F(xiàn)eO納米粒子在霍山石斛上具有潛在的納米肥料應用前景，為將一些不易被植物吸收的營養(yǎng)物質轉化為納米材料以提高其利用率提供了參考。

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霍山石斛是一種珍貴的具有多種藥理作用的名貴藥材。本文使用ICP-MS金屬組學、GC-MS非靶向代謝組學研究霍山石斛對納米Fe3O4的生理代謝響應。其嚴謹?shù)膶嶒炈悸泛蜕钊氲匮芯拷Y果，值得借鑒和參考，為霍山石斛藥材的質量改進提供了有價值的信息。

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