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提出了一种对小麦粒代谢物和脂质进行非靶向分析的方法。该协议包括醋酸代谢物提取方法和反向相液色谱-质谱方法,在正负电喷雾电相成像模式下采集。
了解基因、环境和农业实践中的管理之间的相互作用,可以更准确地预测和管理产品产量和质量。代谢组学数据提供了在给定时间时刻读取这些相互作用的信息,并且对生物体的生化状态信息。此外,代谢物的单个代谢物或面板可用作产量和质量预测和管理的精确生物标志物。据预测,植物美塔博洛米将包含数千种具有不同物理化学特性的小分子,为生物化学洞察生理特性和生物标志物发现提供了机会。为了利用这一点,代谢学研究人员的一个关键目标是在单个分析中捕获尽可能多的物理化学多样性。在这里,我们提出了一种基于液相色谱-质谱的非靶向代谢组学方法,用于分析田间生长的小麦颗粒。该方法使用液体色谱四元溶剂管理器引入第三个移动相,并将传统的反向相梯度与脂质梯度相结合。详细介绍了谷物制备、代谢物提取、工具分析和数据处理工作流程。观察了良好的质量精度和信号可重复性,该方法每电离模式产生约500个生物学相关特征。此外,还确定了小麦品种之间的代谢物和脂质特征信号显著不同。
了解农业中基因、环境和管理实践之间的相互作用,可以更准确地预测和管理产品产量和质量。植物代谢物受基因组、环境(气候、降雨等)等因素的影响,在农业环境中,作物的管理方式(即肥料、杀菌剂等的应用)都受其影响。与基因组不同,甲目瘤受所有这些因素的影响,因此代谢组学数据在特定时间提供这些相互作用的生化指纹。基于代谢组学的研究通常有两个目标之一:第一,加深对生物体的生物化学的理解,并帮助解释与生理学相关的扰动(非生物或生物应激)的反应机制;第二,将生物标志物与正在研究中的扰动联系起来。在这两种情况下,拥有这种知识的结果都是一种更精确的管理策略,以实现提高产量和质量的目标。
据预测,植物美塔博洛米含有数千种具有不同物理化学性质的小分子。目前,没有代谢组学平台(主要是质谱和核磁共振光谱学)可以在单个分析中捕获整个甲胺。开发此类技术(样品制备、代谢物提取和分析),在单个分析运行中尽可能大地覆盖甲胺,是代谢学研究人员的主要目标。以前对小麦颗粒的无目标代谢组学分析将多个色谱分离和采集极性的数据和/或仪器相结合,以扩大甲目覆盖。然而,这需要为每个方式单独编制和获取样品。例如,Beleggia等人2为GC-MS的极性分析物分析,以及对非极性分析物的GC-MS分析,编制了一个派生样本。Das等人3使用GC和LC-MS方法提高分析覆盖率;然而,这种方法通常需要上述单独的样品准备以及两个独立的分析平台。以前使用GC-MS22、3、43,4和LC-MS33、55平台对小麦颗粒的分析为GC-MS产生了50至412(55个已识别)特征,409个用于GC-MS和LC-MS的组合,几千个用于LC-MS脂质分析5。通过将至少两种模式合并为一种分析,可以保持扩展的美表体覆盖率,从而增加生物解释的丰富性,同时节省时间和成本。
为了允许通过反向相色谱法有效地分离各种脂质,现代脂质学方法在洗脱溶剂6中通常使用高比例的异丙醇,为可能通过色谱学而无法解决的脂质类提供方便。为了进行有效的脂质分离,起始移动相在有机成分7中也比典型的反向相色谱方法高得多,后者考虑其他类别的分子。梯度开始时的高有机成分使得这些方法不太适合许多其他类分子。最值得注意的是,反向相液色谱法采用二元溶剂梯度,从大部分水性成分开始,随着色谱的洗脱强度增加,有机含量增加。为此,我们力求将两种方法结合起来,在单个分析中实现代谢物的脂质和非脂类的分离。
在这里,我们提出了一种使用第三个移动相的色谱法,并使用单个样品制备和一个分析柱实现结合传统的反向相和脂质组学的色谱法。我们采用了许多质量控制措施和数据过滤步骤,这些措施以前在主要临床代谢组学研究中实施过。这些方法有助于确定具有高技术可重复性和生物相关性的强健特性,并排除不符合这些标准的特征。例如,我们描述对池质样本8、QC校正9、数据过滤99、1010和缺失特征11的归记分析。
此方法适用于 30 个样本(每个样本约 150 个种子)。这里使用了10个不同田间种植小麦品种的三个生物复制。
1. 谷物制备
2. 制备萃取溶剂
注:在执行萃取的同一天制备萃取溶剂。
3. 代谢物提取
4. 制备LC-MS分析解决方案
注意:对于浓缩酸,务必向水/溶剂中添加酸。
5. 制备LC-MS分析样品
6. LC-MS 设置
注:制造商的用户指南中详细介绍了仪器和采集方法设置。概述以下一般指南和特定于此协议的详细信息。在获取数据之前,可以随时完成以下步骤。
7. 数据处理
注: 一般数据处理工作流如图1所示。
植物美谱受其基因组和环境的组合影响,此外,在农业环境中,作物管理系统。我们证明,小麦品种之间的遗传差异可以在代谢物水平上观察到,在这里,500多种测量化合物表明,仅在谷物中品种之间的浓度就明显不同。对于负电化和正电化模式,观察到内部标准(下图2)的良好质量精度(<10 ppm 误差)和信号重现性(<20% RSD)。Table 3所述样品制备和液相色谱-质谱分析在负电化模式下产生了 >900 脱硫特征,在正电化模式下获得了 >1300 分光特征。包括制备空白(图3),以确定样品制备和分析方法是否引入了表面特征,从而消除了数据矩阵中的所有非生物影响。结果发现,421个负模式信号和835个正模式信号的信号强度等于或大于颗粒样品中平均信号强度的5%。这些功能被删除,在进一步的数据筛选步骤(步骤 7 和图 1)后,负模式返回 483 特征,正模式返回 523 个要素,形成代谢快照。该方法在检测功能上是成功的,小麦品种的强度显著不同(图4),具有两种电理模式的特数500显著特征。在负电化模式下,大多数显著特征处于反向相位梯度和正电化模式,大多数显著特征在脂质梯度(图4)。
图 1:此分析中使用的用于数据检查、处理和筛选的工作流。步骤 1 使用仪器上的数据采集/查看软件进行,以便进行"动态"评估。这包括计算内部标准的质量误差 (ppm) 和叠加内部标准峰值,以便直观地评估数据可重现性。步骤 2-7 描述了协议第 7 步中概述的数据处理过程。请点击此处查看此图形的较大版本。
图 2:提取的 ion 色谱图。提取的电离色谱图为13C6-血小脂醇(深蓝色),白氨酸-苯丙胺(粉红色),d6-跨辛纳酸(橙色),2-氨基纳西苯(绿色)和云母(浅蓝色)内部标准在正(顶部)和负(底部)电喷雾电离(ESI)模式。显示了内部标准保留时间和强度。ESI + 和 ESI -请单击此处查看此图形的较大版本。
图 3:显示负模式(粉红色)和正模式(蓝色)采集的假定空白的总电位色谱图 (TIC) 叠加。显示了一个内部标准,即云母。请点击此处查看此图形的较大版本。
图 4:总电位色谱图 (TIC) 叠加,显示负模式(粉红色)和正模式(蓝色)采集以及小麦品种之间在色谱梯度中显著不同的特征数。在负模式下,当移动相 B 组合量高时,发现显著特征的数量最大。在正模式下,当移动相 C 组成量高时,发现显著特征数量最多。显示了一个内部标准,即云母。请点击此处查看此图形的较大版本。
段 | 时间 | 流量 | %A | %B | %C | 曲线 |
(分钟) | (mL/分钟) | |||||
1 | 初始 | 0.6 | 98 | 2 | 0 | 6 |
2 | 1 | 0.6 | 98 | 2 | 0 | 6 |
3 | 7 | 0.8 | 2 | 98 | 0 | 6 |
4 | 7.1 | 0.8 | 0 | 100 | 0 | 6 |
5 | 10 | 0.8 | 0 | 100 | 0 | 6 |
6 | 18 | 0.4 | 0 | 10 | 90 | 6 |
7 | 21 | 0.4 | 0 | 2 | 98 | 6 |
8 | 21.1 | 0.4 | 98 | 2 | 0 | 6 |
9 | 24 | 0.4 | 98 | 2 | 0 | 6 |
10 | 24.1 | 0.6 | 98 | 2 | 0 | 6 |
11 | 25 | 0.6 | 98 | 2 | 0 | 6 |
表1:流动相构图的液相色谱计时程序。
参数 | 内部标准 | ||||
13C6-山梨醇 | 莱辛-恩克法林 | d6-转氨酸 | 2-氨基-安赛拉西纳 | 米康纳佐尔 | |
泉 m/z | 211.09 (187.09) | 556.28 (554.26) | 155.097 (153.08) | 194.1 | 414.99 |
质量公差(amu) | 0.01 (0.05) | 0.01 (0.05) | 0.01 (0.05) | 0.01 | 0.01 |
保留时间 | 1.2 | 4.6 | 5.1 | 6.5 | 7 |
保留时间窗口 | 0.1 (0.5) | 0.1 (0.5) | 0.1 (0.5) | 0.1 | 0.1 |
检测类型 | 最高 | 最高 | 最高 | 最高 | 最高 |
响应类型 | 地区 | 地区 | 地区 | 地区 | 地区 |
区域阈值 | 10 | 10 (50) | 10 (50) | 10 | 10 |
宽度阈值 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 |
高度阈值 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
信噪比 | 5 | 5 | 3 (5) | 5 | 5 |
平滑 | 5 | 5 (3) | 5 (3) | 5 | 5 |
表 2:正(和负)采集模式下内部标准的峰值检测参数。
质量精度(ppm) | 质量控制修正前的 %RSD | 质量控制修正后的 %RSD | ||
负模式 | 13C6-山梨醇 | 4.59 | 6.12 | 7.08 |
D6-转氨酸 | 7.94 | 3.93 | 5.99 | |
莱辛-恩克法林 | 0.91 | 1.8 | 1.96 | |
正模式 | 13C6-山梨醇 | 5.65 | 14.1 | 15.3 |
莱辛-恩克法林 | 3 | 3.24 | 5 | |
D6-转氨酸 | 8.03 | 5.41 | 9.81 | |
2-氨基纳西拉西纳 | 3.99 | 7.97 | 5.45 | |
米康纳佐尔 | 1.8 | 3.01 | 5.72 |
表3:样品(n=30)内部标准质量精度(ppm)和信号重复性前后的QC校正表示为相对标准差(%)。
在这里,我们提出了一种基于LC-MS的无靶向代谢组学方法,用于小麦颗粒分析。该方法通过将第三个移动相引入反向相梯度,将四种采集模式(反向相位和脂质抗逆相与正负电离)合并为两种模式。该组合方法每电离极性产生约500个生物学相关特征,其中大约一半在小麦品种的强度上明显不同。不同小麦品种颗粒代谢物浓度的显著变化表明生物化学的变化,这可能与抗病性、耐应力性和其他对谷物质量和产量很重要的类比特征有关。例如,元代谢学方法被用来描述新的防御机制12,并提出代谢物在抗旱13中的作用。该协议的未来应用也许能够进一步将特定品种的生化概况与某些环境和管理做法所期望的遗传性特征联系起来。反过来,这将允许生产选定的基因型的最佳谷物质量和产量。
包含内部标准对于该协议至关重要,以便用户确定信号、保留时间偏移和质量精度指标的变化。例如,信号的变化可能表示次最佳提取、喷射(包括流体系统堵塞)或探测器性能。保持时间偏移可能表示泵性能差、移动相梯度平衡不当或 LC 柱固定相位已恶化。质量精度差可能表示漂移校准,并且系统需要重新校准。在上述所有情况下,应停止系统,并执行相应的部件维护/更换。我们在用于制备谷物的萃取溶液中包括四个标准,在注射前添加的最终样品中包括一个标准。已注意确保标准适用于每种电位模式,并涵盖一系列保留时间;然而,我们承认,通过加入标有脂质标准,这一系列标准可以得到改善。已经表明,小麦粒含有数百个三甘油(TAGs)5,其中任何一个是本5协议的适当补充。包含准备空白和集合 QC 样本8也是该协议中的关键步骤。在非靶向质谱方法中检测到数千个ion特征,在整个分析过程中排除那些只存在于空白样品中以及未被重新检测(即高%RSD)的ion特征非常重要。
虽然目前的方法节省了大量的时间和资源,但如果四元溶剂管理器不可用,可以使用标准反转相和脂质方法来实现相同的结果。该协议中使用的提取量足以分析其他采集模式。该协议描述了醋酸酯提取。虽然成功,替代萃取溶剂,或溶剂的组合,将提供不同的代谢物覆盖,这反过来可能提供更多的功能和/或给予更好(或较小的)萃取效率的某些化合物。我们尚未试图建立该协议中解析的统计显著性测量的代谢物标识;然而,植物代谢物和脂质的光谱数据库是可用的,并开发5,5,14,15。,15为了识别代谢物,除了完整的扫描数据外,还需要收集串联质谱 (MS/MS)。在确定感兴趣的代谢物后,可以使用池样本和适当的 MS/MS 方法或在保留提取物(存储在 -80°C)上收集这些样本。我们观察到品种之间化合物的折叠变化较大,因此我们建议在二次使用已知含有高浓度的感兴趣化合物的品种中同时使用,以获得最高质量的 MS/MS 光谱。
作者没有什么可透露的。
作者感谢西澳大利亚州总理的农业和食品奖学金计划(西澳大利亚州政府就业、旅游、科学和创新系)和总理研究员西蒙·库克教授(该中心数字农业、柯廷大学和默多克大学)。现场试验和谷物样品收集得到了西澳大利亚州政府区域版税计划的支持。我们感谢格兰特利·施泰纳和罗伯特·法兰西对现场审判的贡献。NCRIS资助的澳大利亚生物平台公司因设备融资而得到认可。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
13C6-sorbitol | Merck Sigma-Aldrich | 605514 | |
2-aminoanthracene | Merck Sigma-Aldrich | A38800-1 g | |
Acetonitrile | ThermoFisher Scientific | FSBA955-4 | Optima LC-MS grade |
Ammonium formate | Merck Sigma-Aldrich | 516961-100 mL | >99.995% |
Analyst TF | Sciex | Version 1.7 | |
AnalyzerPro software | SpectralWorks Ltd. | Data processing software used for step 7.2. Version 5.7 | |
AnalyzerPro XD sortware | SpectralWorks Ltd. | Data processing software used for step 7.5. Version 1.4 | |
Balance | Sartorius. Precision Balances Pty. Ltd. | ||
d6-transcinnamic acid | Isotec | 513962-250 mg | |
Formic acid | Ajax Finechem Pty. Ltd. | A2471-500 mL | 99% |
Freeze dryer (Freezone 2.5 Plus) | Labconco | 7670031 | |
Glass Schott bottles (100 mL, 500 mL, 1 L) | |||
Glass vials (2 mL) and screw cap lids (pre-slit) | Velocity Scientific Solutions | VSS-913 (vials), VSS-SC91191 (lids) | |
Installation kit for Sciex TripleToF | Sciex | p/n 4456736 | |
Isopropanol | ThermoFisher Scientific | FSBA464-4 | Optima LC-MS grade |
Laboratory blender | Waring commercial | Model HGBTWTS3 | |
Leucine-enkephalin | Waters | p/n 700008842 | Tuning solution |
Metaboanalyst | https://www.metaboanalyst.ca/MetaboAnalyst/faces/home.xhtml | Web-based analytical pipeline for high-throughput metabolomics. Free, web-based tool. Version 4.0. | |
Methanol | ThermoFisher Scientific | FSBA456-4 | Optima LC-MS grade |
Miconazole | Merck Sigma-Aldrich | M3512-1 g | |
Microcentrifuge (Eppendorf 5415R) | Eppendorf (Distributed by Crown Scientific Pty. Ltd.) | 5426 No. 0021716 | |
Microcentrifuge tubes (2 mL) | SSIbio | 1310-S0 | |
Microsoft Office Excel | Microsoft | ||
Peak View software | Sciex | Version 1.2 (64-bit) | |
Pipette tips (200 uL, 100 uL) | ThermoFisher Scientific | MBP2069-05-HR (200 uL), MBP2179-05-HR (1000 uL) | |
Pipettes (200 uL, 1000 uL) | ThermoFisher Scientific | ||
Plastic centrifuge tubes (15 mL) | ThermoFisher Scientific | NUN339650 | |
Progenesis QI | Nonlinear Dynamics | Samll molecule discovery analysis software. Version 2.3 (64-bit) | |
Sciex 5600 triple ToF mass spectrometer | Sciex | ||
Screw-cap lysis tubes (2 mL) with ceramic beads | Bertin Technologies | ||
Sodium formate | Merck Sigma-Aldrich | 456020-25 g | |
Tissue lyser/homogeniser | Bertin Technologies | Serial 0001620 | |
Volumetric flasks (10 mL, 50 mL, 100 mL, 200 mL, 1 L) | |||
Vortex mixer | IKA Works Inc. (Distributed by Crown Scientific Pty. Ltd.) | 001722 | |
Water | ThermoFisher Scientific | FSBW6-4 | Optima LC-MS grade |
Water's Acquity LC system equipped with quaternary pumps | Waters | ||
Water's Aquity UPLC 100mm HSST3 C18 column | Waters | p/n 186005614 |
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