“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，与相对静态的基因组相比，代谢组及其测量的产物非常动态。在科学中，代谢组是指生物细胞、组织或生物体中所有小分子(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。

新方法实现无创植物磁共振成像

在生物医学领域，用于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(NMR)成像或磁共振成像(MRI)。在植物科学中，人们一直期望有类似的前景，但尚未探索。

植物研究的新方法

这种方法现在可以通过维尔茨堡大学(JMU)和莱布尼茨植物遗传学与作物研究所(IPK)的科学家的开发来实现。化学交换饱和转移(CEST)是一种用于植物MRI的新方法。这种方法可以非侵入性地了解主要作物(玉米、大麦、豌豆、马铃薯、甜菜和甘蔗)的复杂库器官(种子、果实、主根和块茎)中糖和氨基酸的代谢。

这项研究由JMU实验磁共振成像教授PeterM.Jakob和IPK同化物分配和NMR工作组负责人LjudmillaBorisjuk博士负责。该小组在最新一期的《科学进展》杂志上介绍了他们的研究成果。

CEST的工作原理

“例如，常见的生物组织HNMR成像主要依赖于来自水或脂质质子的信号，”Jakob在讨论研究项目的背景时解释道。由于代谢物质子的浓度至少比水的浓度低三个数量级，因此体内检测代谢物需要有效抑制水信号。

化学交换饱和转移(CEST)是一种用于生物医学领域的技术，可以提供解决方案。在CEST中，磁化从其他分子转移到水分子，这样原本在目标物种上出现的饱和效应(即信号减弱)可以在水中观察到。

“这样，CEST就能够根据代谢物与水交换质子的能力来检测各种代谢物，从而提供额外的MRI对比，”这项研究的第一作者、IPKLeibniz研究所的研究员SimonMayer说道。“由于CEST具有较高的信号检测灵敏度和较低的磁场不均匀性，因此可以分析传统磁共振波谱法无法分析的异质植物样本。”

结果令人鼓舞。“我们的研究表明，CEST是一种强大的MRI方法，有助于对植物体内代谢进行分析，尽管样品存在磁性异质性，但仍可以实现微观分辨率和对糖和氨基酸分布的动态评估。它在各种作物中的应用表明，CEST是一种与物种、品种和器官无关的方法，可以无创地可视化代谢物，而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代谢物的动态，这是使用传统技术无法实现的。育种者非常希望了解库器官中糖和氨基酸的时空动态。它们的分布以多种方式影响物质运输和代谢;这些知识最终会流入作物改良。

了解活植物的新陈代谢

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

“活体植物代谢物动态的可视化是一种理想的工具，可以弥合植物对不断变化的环境的反应中的结构和代谢相互作用。因此，引入CEST是实现这一目标的重要里程碑，它仅使用一个技术平台MRI即可可视化内部组织结构和代谢物动态，同时避免使用示踪剂。”