叶喷雾质谱: 一种快速的环境电离技术直接评价植物组织中的代谢产物
Summary
叶喷雾质谱法是一种直接的化学分析技术, 它能最大限度地减少样品的制备, 消除色谱, 从而快速检测植物组织中的小分子。
Abstract
植物产生数以千计的小分子, 它们的化学性质多种多样。质谱 (MS) 是一种有效的分析植物代谢产物的技术, 因为它提供了高灵敏度和特异性的分子量。叶喷雾 MS 是一种环境电离技术, 植物组织用于直接化学分析通过电喷雾, 消除色谱的过程。这种取样代谢物的方法允许从完整的植物组织同时检测出多种化学类, 从而尽量减少所需的样品准备量。当使用高分辨率, 准确的质量 ms, 叶喷雾 ms 促进快速检测代谢物的兴趣。还可以用这种技术收集串联质量碎片数据, 以促进复合识别。准确的质量测量和碎片的结合有利于确认复合恒等式。叶喷雾 MS 技术只需要小的修改 nanospray 电离源, 是一个有用的工具, 进一步扩大的能力, 质谱仪。本文对南非传统药用植物Sceletium tortuosum (Aizoaceae) 的鲜叶组织进行了分析;用叶喷雾质谱检测了大量 mesembrine 生物碱。
Introduction
植物含有多种化学性质的小分子。MS 是一种强有力的分析植物化合物的技术, 因为它能为代谢产物的检测和鉴定提供高灵敏度和特异性的元素成分1。最常见的是, ms 是在溶剂提取的样品, 这是分离的色谱之前, ms 分析1。然而, 使用液相色谱 (LC) 需要冗长的分析时间, 往往与广泛的样品准备1。相反, 直接化学分析的完整组织, 绕过色谱是一个非常迅速的技术, 需要最小的样品准备2。因此, 在色谱步骤可以被放弃的情况下, 直接的化学分析可以是非常有利的。
典型的 LC MS 为自然产品和新陈代谢研究依靠长的散装提取干燥或冷冻植物材料包含多组织和细胞类型3。或者, 直接化学分析, 如 MS 检测植物组织的代谢物, 可以隔离细胞类型和避免准备工件4。叶喷雾 ms, 也称为组织喷雾5,6, 是一个直接的环境电离 MS 技术, 这要求基本上没有样品准备5,7。叶喷雾 ms 与纸面喷雾 ms 密切相关, 这是一种具有电喷雾电离特性的环境电离技术, 可以检测沉积在纸7上的分析物。尽管名称, 叶喷雾 MS 是适用于各种类型的植物组织, 而不仅仅是叶子, 并已证明在水果, 种子, 根, 花卉组织, 块茎, 其中包括6,8,9, 10,11,12。该技术促进了内源植物化学物质直接从植物材料电离到质谱仪中检测8。叶喷雾 MS 还可以提供关于植物中不同组织类型的化学物质的空间分布的信息13。当叶喷雾 ms 与溶剂萃取和 LC ms 相比, 结果表明, 叶喷雾 ms 允许快速检测的表面代谢产物, 从独特的细胞类型, 如毛13。图 1说明了叶喷雾 MS 实验设置。直接电喷雾电离只在少量的源修改后发生。高压通过金属钳被应用到植物组织中, 产生一喷雾高电荷的水滴形成一个泰勒锥, 将离子传送到 MS 的离子入口. 电喷雾电离发生从植物的天然液体或溶剂李波爆炸到植物表面。一个尖尖的组织促进了电喷雾, 可以自然地发生或通过切割创建。
叶喷雾 MS 是一种快速的方法, 定性和半定量分析的完整的植物组织, 已发现效用广泛的应用。例如, 该技术被用来检测内源化合物, 以区分相关物种, 甚至评估在不同条件下生长的同一物种的变化。以前的研究通过测定紫珠中的代谢产物 (紫L) 表明了这种方法。12和美国人参(西洋参)6. 在后一种例子中, 可以在润湿生人参后发现人参皂甙、氨基酸和寡糖。野生和栽培西洋参被区分从块茎切片6。人参块茎的完整性保存后, 叶喷雾 MS, 允许随后的形态学和显微检查6。此外, 还可以检测植物样品中的外源化合物。在9水果和蔬菜的果皮或果肉上发现了一些杀虫剂 (脒、二苯胺、唑、linuron 和噻)。虽然这些研究和许多其他已经表明了叶喷雾 MS 的用途, 为各种特定目的, 一个详细的协议没有以前报告。
在这里, 协议描述不会集中于对特定组织或化合物的方法的优化。相反, Sceletium tortuosum (L.) n.e. (Aizoaceae) 中的 mesembrine 生物碱的检测被用作一个例子, 讨论在为物种、组织或化合物 (s) 第一次。tortuosum是南非半干旱 Karroo 地区特有的肉质植物。一种传统医学的 San 和同属的民族, 它被用于食欲和口渴抑制以及它的精神和镇痛作用14,15。目前, 标准提取物用于精神和神经心理疾病的治疗16,17。感兴趣的主要化合物包括生物碱 mesembrine 及其衍生物, 其中许多也见于相关的Sceletium物种15。tortuosum的野生和栽培种群都有 mesembrine 生物碱的浓度变化, 从而提出了质量控制挑战18。一种快速检测 mesembrine 生物碱的方法, 如叶喷雾 MS, 可用于监测Sceletium产品。由于以前没有对叶喷雾 MS 技术进行详细的可视化实验协议, 我们将用S. tortuosum的例子说明该方法, 并描述了以下内容: nanospray 源的修改、植物组织的选择和制备, 数据的获取, 结果的解释, 以及 MS 参数的优化。
Protocol
Representative Results
Discussion
该协议的成功使用依赖于植物种类、组织类型和目标化合物的各种步骤的优化。协议中描述的参数提供了一个良好的起点。以下实验决定需要做和测试: 是否使用 (1) 切开或未切割的组织和 (2) 溶剂或无溶剂, (3) 什么溶剂使用和在什么容量, (4) 从离子入口的组织距离应该是什么, (5) 电压振幅。优化的目标是找出产生连续信号的条件, 持续至少三十年代到几分钟。条件应提供足够的和可重现的信号强?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作由 NSF 植物基因组研究计划赠款 IOS-1238812 和生物学 IOS-1400818 博士后研究员资助。这项工作还由孟山都研究生奖学金给凯瑟琳 a. 萨蒙斯的资助。富布赖特非洲研究员学者计划 (2017-2018) 感谢授予 Nokwanda p 麻昆加的资金。我们非常感谢从杰西卡 Prenni 的 nanospray 来源和科罗拉多州立大学蛋白质组学和新陈代谢设施的捐赠。
Materials
| Conn Pin | Digi-Key elctronics | WM2563CT-ND | pin will insert into Thermo Scientific source to provide voltage |
| small clamp | Digi-Key elctronics | 314-1018-ND | CLIP MICRO ALLIGATOR COPPER 5A |
| large clamp | Digi-Key elctronics | 290-1951-ND | ALLIGATOR CLIP NARROW NICKLE 5A |
| Heat shrink | Digi-Key elctronics | Q2Z1-KIT-ND | to cover soldering joints |
| NSI source Nanospray Ion Source | Thermo scientific | NA | Another brand will work if you are not using a Thermo instrument |
| Q Exactive- hybrid quadrupole Orbitrap | Thermo scientific | NA | Another brand will work if you are not using a Thermo instrument |
| Tune Software | Thermo scientific | Another brand will work if you are not using a Thermo instrument | |
| Xcalibur Software | Thermo scientific | ||
| Plant of interest – S. tortousum |
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