“组学”技术——基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学——是现代植物科学和系统生物学的前沿发现。然而，与相当静态的基因组相比，代谢组和其中测量的产物是非常动态的。在科学上，代谢组是指生物细胞、组织或有机体中所有小分子(也称为代谢物)的总和。它们的浓度通常在空间和时间上波动很大。

在生物医学领域，允许体内代谢诊断和功能研究的最强大的技术平台之一是核磁共振成像(NMR)或磁共振成像(MRI)。在植物科学中，也有类似的观点，但尚未被探索。

植物研究的新方法

这种方法现在可以由Julius-Maximilians-Universität w rzburg (JMU)和莱布尼茨植物遗传学和作物植物研究所(IPK)的科学家们提供。化学交换饱和转移(CEST)是植物核磁共振成像的一种新方法。这种方法可以无创地获取主要作物(玉米、大麦、豌豆、土豆、甜菜和甘蔗)复杂的汇器官(种子、水果、主根和块茎)中糖和氨基酸的代谢。

JMU实验磁共振成像教授Peter M. Jakob和IPK同化物分配和核磁共振工作组负责人Ljudmilla Borisjuk博士负责这项研究。该小组在最新一期的《科学进展》杂志上发表了他们的研究结果。

CEST如何工作

“例如，生物组织的常见氢核磁共振成像主要依赖于来自水或脂质质子的信号，”Jakob解释说，讨论了研究项目的背景。由于代谢物质子浓度比水的浓度至少低3个数量级，体内代谢物检测需要有效抑制水信号。

化学交换饱和转移(CEST)，一种用于生物医学领域的方法，可以提供一个解决方案。在CEST中，磁化从其他分子转移到水分子，因此可以在水分子上观察到最初在目标物质上的饱和效应(即信号减少)。

该研究的第一作者、IPK莱布尼茨研究所的研究员西蒙·梅尔说:“通过这种方式，CEST可以根据各种代谢物与水交换质子的能力来检测它们，从而提供额外的MRI对比。”由于其高信号检测灵敏度和对磁场不均匀性的低敏感性，CEST可以分析传统磁共振波谱无法分析的异质植物样品。”

结果令人鼓舞。“我们的研究表明，CEST是一种强大的MRI方法，可以促进植物体内代谢分析，允许微观分辨率和动态评估糖和氨基酸分布，尽管样品的磁性不均匀。它在各种作物上的应用表明，CEST是一种与物种、品种和器官无关的无创代谢物可视化方法，无需事先标记或样品处理，”Borisjuk博士解释说。

研究小组展示了种子生长过程中的代谢物动态，这是传统技术无法做到的。育种者高度寻求糖和氨基酸在汇器官中的时空动态知识。它们的分布在许多方面影响着物质的运输和代谢;这些知识最终用于作物改良。

对自我的洞察对活植物的忌食

CEST为监测活植物代谢产物的动态变化提供了前所未有的机会。通过在体内测试基因工程和/或发育改变的代谢反应，对更深入地了解性状形成和支持育种研究尤为重要。

“活植物中代谢物动力学的可视化是一种理想的工具，可以在植物对不断变化的环境的反应中架起结构和代谢相互作用的桥梁。因此，引入CEST是实现这一目标的重要里程碑，它可以可视化内部组织结构和代谢物动力学，同时只使用MRI这一技术平台来避免使用示踪剂。”