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植物種のメタボローム多様性を空間（葉と茎）成分と系統群にまたがって探る
Exploring the metabolomic diversity of plant species across spatial (leaf and stem) components and phylogenic groups.
PMID: 31992195 PMCID: PMC6986006. DOI: 10.1186/s12870-019-2231-y.
抄録
背景:
植物は、様々な化粧品、食品、医薬品に不可欠な生理活性化合物の重要な供給源として利用されてきました。しかし、生物学的表現型が知られている植物種の代謝レパートリーは膨大であるため、これらの化合物を機能的にアノテーションすることは難しいと考えられています。そのため、植物の機能性代謝物の迅速なマルチパラレルスクリーニングと特性評価のアプローチが必要とされています。
BACKGROUND: Plants have been used as an important source of indispensable bioactive compounds in various cosmetics, foods, and medicines. However, the subsequent functional annotation of these compounds seems arduous because of the largely uncharacterized, vast metabolic repertoire of plant species with known biological phenotypes. Hence, a rapid multi-parallel screening and characterization approach is needed for plant functional metabolites.
結果:
キク科、マメ科、バラ科の3科植物51種について、ガスクロマトグラフィー飛行時間型質量分析法（GC-TOF-MS）と超高速液体クロマトグラフィー四重極オービトラップイオントラップタンデム質量分析法（UHPLC-Q-オービトラップ-MS/MS）による代謝物プロファイリングと多変量解析を行いました。代謝物プロファイリングデータの部分最小二乗判別分析（PLS-DA）を行ったところ、植物の部位（葉と茎）と相対的な系統に応じて、51種について明確なクラスター化パターンが示されました。代謝物の相対含有量を調べたところ、マメ科植物の抽出物はアミノ酸、脂肪酸、ゲニステイン化合物に富んでいたが、バラ科植物の抽出物はアミノ酸、脂肪酸、ゲニステイン化合物に富んでいた。しかし，バラ科の抽出物はカテキンやエラグ酸誘導体の含有率が高く，キク科の抽出物はカエンフェロール誘導体や有機酸の含有率が高かった。葉には、科の違いにかかわらず、シキメート経路に関連する芳香族アミノ酸、分枝鎖アミノ酸、クロロゲン酸、フラボノイド、フェニルプロパノイドが豊富に含まれていた。また、特定のアミノ酸（プロリン、リジン、アルギニン）や脂肪酸の含有量は、茎葉抽出物の方が高かった。さらに、植物抽出物の空間的（葉と茎）および科内のメタボロームの格差が、関連する表現型（抗酸化活性）にどのような影響を与えるかを調べた。その結果，エラグ酸，マンニトール，カテキン，エピカテキン，ケルセチン誘導体は抗酸化活性と正の相関があり，エリオシチオールはチロシナーゼ阻害活性と正の相関があることが明らかになった。
RESULTS: Fifty-one species representing three plant families, namely Asteraceae, Fabaceae, and Rosaceae, were subjected to metabolite profiling using gas chromatography time-of-flight mass spectrometry (GC-TOF-MS) and ultrahigh-performance liquid chromatography quadrupole orbitrap ion trap tandem mass spectrometry (UHPLC-Q-orbitrap-MS/MS) as well as multivariate analyses. Partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) of the metabolite profiling datasets indicated a distinct clustered pattern for 51 species depending on plant parts (leaves and stems) and relative phylogeny. Examination of their relative metabolite contents showed that the extracts from Fabaceae plants were abundant in amino acids, fatty acids, and genistein compounds. However, the extracts from Rosaceae had higher levels of catechin and ellagic acid derivatives, whereas those from Asteraceae were higher in kaempferol derivatives and organic acids. Regardless of the different families, aromatic amino acids, branch chain amino acids, chlorogenic acid, flavonoids, and phenylpropanoids related to the shikimate pathway were abundant in leaves. Alternatively, certain amino acids (proline, lysine, and arginine) as well as fatty acids levels were higher in stem extracts. Further, we investigated the associated phenotypes, i.e., antioxidant activities, affected by the observed spatial (leaves and stem) and intra-family metabolomic disparity in the plant extracts. Pearson's correlation analysis indicated that ellagic acid, mannitol, catechin, epicatechin, and quercetin derivatives were positively correlated with antioxidant phenotypes, whereas eriodictyol was positively correlated with tyrosinase inhibition activity.
結論:
この研究は、マルチパラレルアプローチや統合バイオアッセイを含む代謝物プロファイリングが、植物由来の代謝物の化学的多様性を解明しながら、その特性を迅速に評価するのに役立つ可能性を示唆しています。
CONCLUSIONS: This work suggests that metabolite profiling, including multi-parallel approaches and integrated bioassays, may help the expeditious characterization of plant-derived metabolites while simultaneously unraveling their chemodiversity.