棉花作為全球最重要的經(jīng)濟作物之一，其產(chǎn)量主要取決于棉纖維早期發(fā)育過程。傳統(tǒng)代謝分析因勻漿處理損失了代謝物的空間信息，致使棉纖維早期發(fā)育過程的時空代謝特征不夠明確，成為限制棉花育種突破的關(guān)鍵瓶頸。質(zhì)譜成像（MSI）驅(qū)動的空間代謝組學技術(shù)，可原位捕獲數(shù)千種代謝物分子的空間分布，同時進一步結(jié)合其他組學技術(shù)形成“時空多組學”分析策略，該策略能夠系統(tǒng)揭示棉纖維早期發(fā)育的調(diào)控機制，有望為棉花育種改良提供新的突破口。

2025年1月20日，河南大學孫旭武教授團隊在《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Spatiotemporal transcriptome and metabolome landscapes of cotton fiber during initiation and early development”的研究論文。該研究采用新興的“時空多組學”分析策略，通過結(jié)合空間代謝組學（基于AFADESI-Orbitrap質(zhì)譜成像技術(shù)）、空間轉(zhuǎn)錄組學與單細胞轉(zhuǎn)錄組學，系統(tǒng)揭示了棉纖維分化起始階段（開花前1.5天至開花后2天）與早期伸長階段（開花后3-5天）的基因代謝物調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，進而精確鎖定用于育種改良的關(guān)鍵靶點。該研究為解析棉花及其他植物發(fā)育過程調(diào)控機制提供新的方法范式。

圖1 研究框架（點擊查看大圖）

質(zhì)譜成像解鎖棉花纖維發(fā)育的代謝密碼

AFADESI-Orbitrap實現(xiàn)高靈敏、廣覆蓋質(zhì)譜成像

研究采用AFADESI-Orbitrap質(zhì)譜成像技術(shù)對不同發(fā)育階段的棉鈴整體切片（開花前1.5天至開花后5天，DPA）進行空間代謝組學分析，成功捕獲了數(shù)千種代謝物分子（涵蓋有機酸、氨基酸、多胺、碳水化合物、膽堿、核苷酸、核苷、倍半萜類、苯類化合物、脂肪酸及各類磷脂等）的空間分布信息。篩選差異代謝物發(fā)現(xiàn)脂肪酸、胺類、氨基酸及肽類等在胚珠中特異表達。進一步分析胚珠中代謝物積累動態(tài)發(fā)現(xiàn)十二烷二酸、亞油酸、精胺等濃度從-1.5DPA到5DPA逐漸降低，提示與棉纖維“起始”階段密切相關(guān)，而α-亞麻酸、組氨酸和油酸等則濃度逐漸升高，提示與棉纖維“伸長”階段密切相關(guān)。該研究證實AFADESI-Orbitrap質(zhì)譜成像技術(shù)具有高靈敏、廣覆蓋的獨特優(yōu)勢，同時也凸顯了其在解析植物發(fā)育過程中時空代謝動態(tài)的卓越能力。

圖2 棉鈴胚珠中-1.5DPA-5DPA的關(guān)鍵代謝物成像數(shù)據(jù)

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以質(zhì)譜成像代謝圖譜為錨點整合時空多組學

本研究創(chuàng)新整合了空間代謝組學、空間轉(zhuǎn)錄組學與單細胞轉(zhuǎn)錄組學，構(gòu)建了 “時空多組學”分析框架。其核心在于以 AFADESI-Orbitrap質(zhì)譜成像技術(shù)繪制的空間代謝圖譜為錨點，通過多組學空間對齊，實現(xiàn)關(guān)鍵基因與代謝物的精準關(guān)聯(lián)與可視化。例如，α-亞麻酸在伸長階段的顯著積累與代謝酶基因 DOX2 的高表達呈現(xiàn)高度空間共定位，直接鎖定該階段調(diào)控關(guān)鍵靶點，完成 “多組學發(fā)現(xiàn)→靶點鎖定→功能驗證” 的完整閉環(huán)。研究證實以AFADESI-Orbitrap代謝圖譜為錨點驅(qū)動的時空多組學整合是解析植物發(fā)育調(diào)控的強大范式。

圖3 α-亞麻酸代謝途徑及代謝酶相關(guān)基因的綜合分析

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質(zhì)譜成像繪制棉花體細胞胚胎發(fā)生過程時空代謝圖譜

棉花體細胞胚胎發(fā)生（SE）過程復雜、耗時且嚴重依賴棉花品種，一直是制約棉花體外再生研究的關(guān)鍵問題，中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所李付廣研究團隊及河南大學孫旭武研究團隊運用同樣的“時空多組學”策略對此展開研究，該文章與上文同一時間發(fā)表在《Nature Communications》期刊（DOI：10.1038/s41467-025-55870-6）。

研究基于AFADESI-Orbitrap質(zhì)譜成像技術(shù)，精準繪制了SE過程中愈傷組織、球形胚、魚雷胚與子葉胚四個關(guān)鍵階段的時空代謝圖譜：愈傷組織階段L-組氨酸、L-纈氨酸顯著富集；球形胚中精胺、亞精胺顯著富集；魚雷胚中芥子堿等苯丙素類物質(zhì)富集；子葉胚中則富集N-氨基甲酰腐胺等物質(zhì)，其皮層組織中富集亞油酸等。研究以代謝圖譜作為空間錨點整合多組學數(shù)據(jù)，揭示了SE過程中基因-代謝物調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并鎖定了關(guān)鍵調(diào)控因子，為突破棉花體細胞胚胎發(fā)生的品種依賴性和效率瓶頸提供了全新的解決方案。

圖4 棉花體細胞胚胎發(fā)育過程中代謝物的空間分布

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AFADESI-Orbitrap助力作物育種新突破

AFADESI-Orbitrap質(zhì)譜成像技術(shù)具備高靈敏、廣覆蓋的獨特優(yōu)勢，既能精準繪制時空代謝圖譜，同時其圖譜可作為整合多組學數(shù)據(jù)的關(guān)鍵空間“錨點”，是構(gòu)建“時空多組學”分析框架的核心。該策略已成功應(yīng)用于棉花“纖維發(fā)育”及“體胚發(fā)生”等重要育種方向，驗證了該技術(shù)作為一套高效、可復用解決方案的可靠性，為作物育種研究提供了堅實的技術(shù)支撐與創(chuàng)新的方法范式。

AFADESI-Orbitrap 質(zhì)譜成像技術(shù)憑借其高靈敏、廣覆蓋的獨特優(yōu)勢為植物代謝研究提供強大技術(shù)支撐，其應(yīng)用涵蓋作物發(fā)育調(diào)控機制研究、中藥材代謝調(diào)控研究、藥用植物次生代謝研究。

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