Um zu bestätigen, dass die Versorgung mit 13C6-Glukose in Rhizomen erfolgreich war, analysierten wir weiterhin die 13C/12C Isotopenverhältnisse in Rhizomen. Die 13C /12C Isotopenverhältnisse der Behandlungen 3 und 4 waren viel höher als die der Behandlung 2 (Abbildung 1A). Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass 13C6-Glukose aus den Behandlungen 3 und 4 durch Verschlucken in die Rhizome gelangte.
Die Verhältnisse von 13C-Isotopenpeaks, wie z. B. (M+1) −/M−, (M+2) −/M−, (M+3) −/M− und (M+4) −/M−, bleiben typischerweise konstant. Verbindungen, die mit exogen zugesetztem 13C markiert sind, haben die gleiche Molekularstruktur, ähnliche Molekulargewichte, physikalisch-chemische Eigenschaften und Retentionszeiten wie ihre unmarkierten Gegenstücke. Bei der Analyse dieser markierten Verbindungen mittels Massenspektrometrie änderten sich jedoch die Verhältnisse ihres Isotopen-Ionen-Peaks. In unserer Studie haben wir die LC-MS verwendet, um PS VII und PS II in vier verschiedenen Organen von PPY in verschiedenen Behandlungen nachzuweisen (Abbildung 3). Im Vergleich zu Behandlung 1 zeigten die Ergebnisse einen signifikanten Anstieg des Verhältnisses von PS VII (M+2) -/M− in den Blättern des mit exogenem 13C behandelten PPY (Abbildung 3B). Insbesondere in Behandlung 2, in der PPY-Blätter mit 13C6-Glucose besprüht wurden, wurden PS VII, markiert mit zwei 13C-Atomen, synthetisiert. In Behandlung 4 zeigte das Verhältnis von PS VII-Molekülen (M+2) −/M− in Blättern jedoch keinen signifikanten Unterschied zwischen dem Rhizom und der nicht fütternden Behandlung, und die Verhältnisse von PS VII-Molekülen (M+1) −/M−, (M+3) −/M−, (M+4) −/M− in Stängel, Rhizom und Wurzel über alle vier Behandlungen hinweg zeigten keine signifikanten Unterschiede (Abbildung 3A, C,D). Zusätzlich stieg das Verhältnis der PS-II-Moleküle (M+2) −/M− in Behandlung 2 langsam an (Abbildung 3F). Es gab keine nennenswerten Unterschiede in den Verhältnissen der PS-II-Moleküle (M+1) −/M− und (M+4) −/M− in den Blättern zwischen den Behandlungen 1 und 2 (Abbildung 3E, H), während das Verhältnis der PS-II-Moleküle (M+3) −/M− eine deutliche Abnahme der Blätter in Behandlung 2 im Vergleich zu Behandlung 1 zeigte (Abbildung 3G). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Synthese von PS VII tatsächlich in den Blättern stattfindet, die mit 13C6-Glucose behandelt wurden, was mit dem bekannten Biosyntheseweg von PSs übereinstimmt.
Unser Ansatz deutet darauf hin, dass das Blatt das primäre Organ für die PS VII-Synthese in PPY ist, im Gegensatz zur Synthese von PS II. Bemerkenswert ist, dass 13C-markiertes PS VII im Rhizom nach der Blattbehandlung mit 13C6-Glucose nicht vorhanden war, was auf einen langsamen Transport von PS VII von den Blättern zu den Rhizomen hindeutet. Im Gegensatz dazu wurde 13C-markiertes PS II im Rhizom nach Stamm-Vaskulär-Bündel- und Rhizom-Markierungsbehandlungen nachgewiesen, was auf eine mögliche Rhizomsynthese in diesem Stadium hinweist und eine weitere Untersuchung der PS II-Syntheseorte erforderlich macht. Der ausschließliche Nachweis des (M+2 ) −/M− -Verhältnisses für PS VII-Moleküle in Blättern stimmt mit dem metabolischen Schicksal von 13C6-Glukose überein; Nach der Resorption wird es über Glykolyse metabolisiert, um Acetyl-CoA mit zwei 13C-Isotopen zu produzieren. Betrachtet man PS als isoprenoide Verbindung, so verläuft seine Biosynthese aus Acetyl-CoA entweder über die Mevalonsäure (MVA) oder den 2-C-Methyl-D-Erythritol-4-phosphat (MEP)-Weg (Abbildung 4), was zur Bildung von (M+2) −/M− PS VII führt. Daher beschreibt unsere Studie das Blatt als das maßgebliche Organ für die PS VII-Synthese in PPY.

Abbildung 1: Das Verhältnis von 13C /12C Isotopen in Rhizomen von vier Behandlungen. (A) Die Verhältnisse von 13C /12C Isotopen in den Rhizomen der Behandlungen 4 und 3 waren viel höher als die der Behandlungen 1 und 2, was darauf hindeutet, dass 13C6-Glucose signifikant durch Wurzelfütterung in die Rhizome gelangt war. Jede Spalte stellt den Mittelwert (± SE) von drei Replikaten dar. Die Buchstaben auf den Säulen bedeuten einen signifikanten Unterschied im Verhältnis von 13C/12C Isotop in vier Behandlungen (p < 0,05). Abkürzung: PS = Pariser Saponine. (B) Die hochauflösende Massenspektrometrie von PS VII (C51H82O21, 1030.5349) detektierte sein negatives Ion mit einer Retentionszeit von 16,83 Minuten. Aufgrund der natürlichen Häufigkeit von 13C (mit einem exakten Molekulargewicht von 13,003 im Vergleich zu 12C bei 12,000) erscheint eine Reihe von Isotopenpeaks wie (M−), hauptsächlich (M+1)−, (M+2)−, (M+3)− und (M+4)−, bei der gleichen Retentionszeit wie der PS VII Molekülionenpeak M−. Diese Spitzen waren hauptsächlich auf die COOH-Ionisation in Ameisensäurewasser zurückzuführen. Ein vergrößertes Balkendiagramm hebt diese Isotopenpeaks hervor. Es wurden die Ionenstromverhältnisse von (M+1)−/M−, (M+2)−/M−, (M+3)−/M− und (M+4)−/M− berechnet. Durch die Analyse von Veränderungen in diesen Verhältnissen konnten wir die Biosynthese von Saponinen verfolgen und ableiten. Hier repräsentierte M− die kombinierten Spitzenbereiche des Ionenstroms für (M+COOH)- und M−. Abbildung 1B wurde von Wen et al.24 modifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: 13C 6-Glukosemarkierung und Datenintegrations-Workflow. Die Sämlinge wurden durch Besprühen und Füttern von 0,2 % 13C6-Glukose für 3 Tage markiert; Anschließend wurden die Extrakte aus jedem Organ isotopisch mittels LC/MS und GC/IRMS analysiert und mit Peak-Integration und Daten für die organspezifische Analyse der PS-Synthese kombiniert. (A) Ein schematisches Diagramm, das die Fütterung von Glukose in verschiedenen Organen veranschaulicht. Die Behandlungen 1-4 wurden nicht gefüttert, sondern in Blatt, Stängel-Gefäßbündel bzw. Rhizom gefüttert. (B) Die Schritte für die LC-MS-Analyse der extrahierten Flüssigkeit, die aus dem getrockneten PPY-Gewebe durch ein Schleif- und Stickstoffblasinstrument hergestellt wird. Abkürzungen: LC/MS = Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometrie; PPY = Parispolyphylla var. yunnanensis (Franch.) Hand. -Mzt.; PS = Pariser Saponin. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Verfolgung der Biosynthese von Pariser Saponin VII und Pariser Saponin II mittels 13C6-Glukosefütterung pflanzlicher Organe. (A-D) Das Verhältnis der PS VII-Moleküle (M+1) −/M−, (M+2) −/M−, (M+3) −/M−, (M+4) −/M− in jedem Organ der vier Behandlungen. Das Verhältnis der PS VII-Moleküle (M+2) −/M− stieg in den Blättern von Behandlung 2 und Behandlung 3 signifikant an. Im Stamm, in der Wurzel und im Rhizom zeigte das Verhältnis der PS VII-Moleküle (M+2) −/M− keine offensichtlichen Unterschiede zwischen den vier Behandlungen. (E-H) Das Verhältnis der PS VII-Moleküle (M+1) −/M−, (M+2) −/M−, (M+3) −/M−, (M+4) −/M− in jedem Organ der vier Behandlungen. Im Vergleich zu Behandlung 1 zeigten die Verhältnisse der PS-II-Moleküle (M+2) −/M− in den Blättern unter Behandlung 2 keinen Unterschied. In Behandlung 2 zeigt das Verhältnis der PS-II-Moleküle (M+1) −/M− und (M+4) −/M− keine offensichtlichen Unterschiede in den Blättern im Vergleich zu Behandlung 1. Die Verhältnisse der PS-II-Moleküle (M+3) −/M− haben sich in den Blättern im Vergleich zu Behandlung 1 verringert. Pariser Saponin VII, PS VII. Jede Spalte stellt den Mittelwert (± SE) von drei Replikaten dar. "*" zeigte einen signifikanten Unterschied zur Behandlung ohne Fütterung (t-Test bei p < 0,01). Abkürzung: PS = Pariser Saponine. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Beschreibung von PS VII, das durch exogene 13C6-Glukose erzeugt wird, die in den MVA-Signalweg eintritt. Schematische Darstellung des Metabolismus von 13C 6-Glukose-markiertem Acetyl-Coenzym A zur Erzeugung von PS VII-Molekülen (M+2) −/M− über den MVA-Signalweg. Markierter Kohlenstoff wird rot dargestellt; Unbeschrifteter Kohlenstoff ist grau. Unter der Wirkung der Glykolyse wird 13C6-Glucose an zwei Moleküle des Acetylcoenzyms A(M+2)- gespalten, das dann Isopentenylpyrophosphat und Dimethylpropenylpyrophosphat über den MVA-Weg erzeugt und dann zyklisches Atenol über die katalytische Erzeugung von Geranylgeranylpyrophosphatsynthase, Farnesylpyrophosphatsynthase, Squalensynthase, Squalenepoxygenase, Cycloatenolsynthase Cycloartenol, dann Oxidation, Decarboxylierung, Reduktion und andere Reaktionen zur Gewinnung von Cholesterin, Cholesterin durch eine Reihe von Cytochrom P450-Enzymen, Glykosyltransferasen und Furostanoid-Saponin-26-O-β-Glucosidase der späten Modifikation der Bildung von PS VII-Molekülen, die zwei markierte Kohlenstoffe enthalten. (M+2) - zeigt an, dass das COOH- von zwei Kohlenstoffen an dieser Stelle ionisiert ist, und die Anzahl der Markierungen für zwei Kohlenstoffatome kann mit (M+2) −/M− abgeleitet werden. Mit Hilfe von Standardprotokollen wird der Isotopenkörper einzeln identifiziert und die Ionenströme werden aufgeteilt, um Markierungsdaten für die Isotope zu erhalten. Der Wert von M− ist stabil. Abkürzung: PS = Pariser Saponine; PS VII = Pariser Saponin VII; MVA = Mevalonat-Weg; GPPS = Geranylgeranylpyrophosphat-Synthase; FPPS = Farnesylpyrophosphat-Synthase; SQS = Squalen-Synthase; SQE = Squalen-Epoxygenase; CYPs = Cytochrom P450 Enzyme; UGTs = Glucuronische Transferase; F26G = Furostanoid-Saponin-26-O-β-glucosidase. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.