以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者供稿 | MX
2023年8月25日，Science Advances在线发表了法国斯特拉斯堡大学Emmanuel Gaquerel研究团队题为“Evolutionary metabolomics of specialized metabolism diversification in the genus Nicotiana highlights N-acylnornicotine innovations”的研究论文。该研究基于质谱代谢组学的计算策略和方法分析了烟草属进化系统中20多个物种组织特异代谢物的多样性，并创建了一个包含上百万种代谢物结构的芯片数据库。结合核磁共振和质谱成像方法对烟草属Repandae异源多倍体特异的生物碱——N-酰化原烟碱的分布进行分析并揭示这类生物碱在该属中的普遍性。该研究提供了前所未有的特异代谢物多样性的分类和烟草属物种特异代谢物类型，对于植物特异代谢物的进化研究提供了重要资源和研究策略。
DOI: 10.1126/sciadv.ade8984
植物代谢物具有非常丰富的化学多样性和功能多样性。植物的代谢物谱代表一种复杂的性状，其反映了植物对于特定生态位的时间动态适应性以及进化特征。相比于广泛而保守的中枢代谢物，特异代谢物 (Specialized metabolite, SM) 在植物代谢谱的种内和种间的变异中占据的比例最大。烟草属 (Nicotiana L.) 物种是特异代谢物多样性研究的理想材料。烟草属由进化完整的13个组 (sections) 至少包括80多个物种组成，其形态极具多样性，小到草本和灌木大至小型木本。在烟草属的特异代谢物中N-酰基原烟碱 (N-acylnornicotines, NANNs) 被认为是从最近的异多倍化事件中产生，其来源于原烟碱与长链脂肪酰基链的N-酰基化。N-酰基原烟碱是烟草属Repandae 组异源多倍化物种特异的SM。
该研究中，为了全面分析烟草属组织水平的特异代谢物的多样性，作者选取了包含烟草进化中的主要组的20个物种，对其叶片、根和花萼的代谢物进行分析（图1）。
图1. 烟草属物种x组织的特异代谢物的质谱分析和数据处理流程
利用UPLC-ESI-QTOF MS的方法总共鉴定到17901种非冗余代谢物，对不同物种的多样性特征模式进行比较，根据α-多样性值叶片中特异代谢物的多样性最高，其次为花萼，而根中最低。随后作者基于分子网络信息计算了种间代谢距离并利用这些信息构建了系统代谢组学树（图2）。
图2. 物种代谢组α-多样性与系统代谢学相关性
接下来作者对各物种的特异代谢物进行鉴定和分类映射。首先利用CANOPUS工具进行系统的化合物类别和化学本体预测，之后结合FBMN和CANOPUS信息完成基于频率的分子网络的NP-CANOPUS预测，最后完成代谢物的分类并映射到各物种（图3）。
作者利用本研究中获取的1百万张质谱的芯片数据和相应的子结构数据对代谢物进行深度注释。利用不同计算方法的独特组合生成了一个多模式的特异代谢物的图谱，该图谱可以从基于CANOPUS的本体预测确定其分子网络并连接到给定的类别，从而进一步确定这些网络中预测的共有子结构（图3）。
图3. 利用NP-CANOPUS 方法对烟草物种水平代谢物类别和亚结构分布进行绘图
之后作者对烟草属各物种特异代谢物的特有的化学子结构进行分析。利用非度量多维标度(NMDS)的方法对物种与特定CANOPUS超类或最特定类预测之间的统计关联进行推断，对提取的最显著的关联组进行层级聚类得到4个主要的类别称为家族聚类(FC)（图4）。其中FC4主要与苯丙烷衍生物的子结构和生物碱高度关联，后者在烟草属Repandae组中进一步突出了生物碱代谢的丰富性。
图4. NMDS揭示了烟草组的主要统计趋势和物种水平的代谢物特化
N-酰化原烟碱 (NANNs) 被认为是烟草属异源多倍化物种Repandae组叶片的特异代谢物。本研究中作者对NANNs的结构多样性进行分析，发现102个注释的NANNs，这远远多于之前报道的结构（图5）。此外还出乎意料地发现烟草属物种根中同样具有NANNs多样性，尽管其数量比叶片低近2个数量级，且具有很大的化学差异型。
图5. 烟草属Repandae组叶片表面主要的NANNs的多样性
最后作者对烟草属物种的NANNs多样性进行评估分析，基于所有组织的matK物种树的祖先状态重建分析结果，对NANNs途径的进化作出一个最简单的解释，即它早于烟草属Repandae组的形成（图6）。
图6. NANNs早于Repandae的物种化并且是一种主要的从根向茎部转移的组分
总之，该研究基于质谱代谢组学的计算策略和算法分析为烟草属系统进化物种中的特异代谢物的研究提供了开放的数据和丰富的资源。同时该研究建立的方法对于其他物种的进化代谢组学研究和将来的进化生物化学研究具有重要的参考价值和指导意义。
转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号
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