近日，中科院高能所李玉鋒研究員團隊，以硒超富集植物-堇葉碎米薺（Cardamine violifolia）單粒種子為研究對象，借助北京同步輻射裝置X射線熒光微分析實驗站硬件和軟件功能升級契機，發(fā)展了基于同步輻射X射線熒光二維/三維成像技術（SRXRF）、X射線吸收譜技術、二維質(zhì)譜成像技術（MALDI-MSI）及微區(qū)計算機斷層掃描（micro-CT）等技術的空間金屬組學（spatial metallomics）研究框架，實現(xiàn)了堇葉碎米薺單粒種子中有機硒和無機硒的原位二維/三維研究，發(fā)現(xiàn)堇葉碎米薺種皮中存在甲基硒代化合物，加深了對堇葉碎米薺富硒機制的理解，并以Spatial metallomics reveals preferable accumulation of methylated selenium in a single seed of the hyperaccumulator Cardamine violifolia為題發(fā)表于 Journal of Agricultural and Food Chemistry（影響因子/JCR分區(qū)：5.895/Q1）。該研究工作得到島津中國創(chuàng)新中心的實驗支持。

圖1  Journal of Agricultural and Food Chemistry原文

背景介紹

硒(Se)是動物和人類必需的元素。它是硒蛋白和硒酶的重要組成部分，硒缺乏會增加各種神經(jīng)、內(nèi)分泌和癌癥風險，更嚴重的是，會導致器官衰竭和死亡。世界衛(wèi)生組織(WHO)和美國農(nóng)業(yè)部建議成人每日膳食硒攝入量為55 ~ 200 μg。然而，在一些地區(qū)，人們的日攝入量明顯低于推薦劑量(僅26 μg/天)，因此，探索富硒膳食補充劑來改善人們?nèi)粘Ｎ臄z入是很有必要的。

圖2  堇葉碎米薺

硒在植物生長周期內(nèi)無法被消耗，一些百合科、十字花科和豆科植物可累積高達幾千毫克/公斤的硒元素。原產(chǎn)于中國湖北省恩施市的堇葉碎米薺（Cardamine violifolia）已被證明是硒的超富集植物，已用作膳食補硒劑原料。

l                      單粒種子中硒的原位空間分布和形態(tài)分布

堇葉碎米薺對于硒元素的耐受性和超積累的機制主要包括:(1)鈣蛋白和富半胱氨酸激酶的表達下調(diào)和硒結合蛋白的表達上調(diào); (2)體內(nèi)解毒硒的泛素基因或蛋白的表達;(3) 堇葉碎米薺硒的特定代謝途徑。研究發(fā)現(xiàn)堇葉碎米薺可以通過硫酸鹽轉運體和各種S/Se代謝酶來積累硒元素。而堇葉碎米薺中硒元素的主要存在形態(tài)為硒代半胱氨酸（SeCys），硒代蛋氨酸（SeMet），硒代羊毛硫氨酸，甲基硒代半胱氨酸（MeSeCys），甲基硒代蛋氨酸（MeSeMet），二甲基硒醚（DMSe）和二甲基二硒醚（DMDSe）等。

圖3  通過SRXRF和MALDI-MSI研究硒在單粒種子中的原位空間分布和形態(tài)

研究結果表明，一方面SRXRF結果顯示硒元素在整個種子中都有分布，子葉中硒含量相對高于外胚層/種皮；另一方面MALDI-MSI結果顯示DMSe (m/z 107.970)、MeSeCys (m/z 184.019)和MeSeMet (m/z 212.983)主要存在于種子外胚層。硒植物毒性的一個突出原因被認為是硒氨基酸(如SeCys)錯摻入蛋白質(zhì)。已有研究表明，甲基化SeCys形成MeSeCys是Se超富集物的一個關鍵耐受機制之一， 這大大減少了非特異性取代蛋白質(zhì)中的Cys的SeCys的數(shù)量。本研究中MeSeCys的發(fā)現(xiàn)證實了這也是堇葉碎米薺的Se耐受的重要機制之一。

質(zhì)譜成像MALDI-MSI方法

本研究中的質(zhì)譜成像部分使用島津iMScope QT (Shimadzu, Kyoto, Japan)進行。MALDI-MSI在光學顯微鏡的幫助下確定所需的采集區(qū)域，用激光二極管激發(fā)的摻釹釔鋁石榴石(Nd/YAG)激光(355 nm)照射種子組織切片。激光直徑為40 μm，掃描步長為80 μm。對每個像素進行100次激光照射(1000 Hz重復頻率)。所有數(shù)據(jù)均在正負模式下分別采集，采集范圍分別為m/z 100 ~ 500和m/z 500 ~ 1000。利用IMAGEREVEAL MS分析軟件對所采集的數(shù)據(jù)進行圖像分析，最終得到顯示多種形態(tài)硒的具體分布。

圖4  島津新一代成像質(zhì)譜顯微鏡——iMScope QT

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