植物挥发物组学研究的重大突破：广泛靶向挥发物组学（WTV）方法的开发与应用

一、研究团队与发表信息
本研究由海南大学热带作物学院罗杰教授团队主导，联合深圳大学化学与环境工程学院、华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室以及德国马克斯·普朗克分子植物生理研究所等机构共同完成，于2022年1月3日发表于期刊 *Molecular Plant*（分子植物），标题为 *Development of a widely targeted volatilomics method for profiling volatilomes in plants*。第一作者为袁洪伦、曹广平、侯晓东等，通讯作者为罗杰教授。

二、学术背景与研究目标
植物挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）在植物与环境互作（如吸引传粉者、防御病原体）及风味形成中具有关键作用。传统的气相色谱-质谱（GC-MS）非靶向代谢组学方法存在谱图卷积严重、检测灵敏度低、注释覆盖率有限及重复性差等问题。为此，研究团队旨在开发一种新型的广泛靶向挥发物组学（Widely Targeted Volatilomics, WTV）方法，通过整合算法优化、质谱库构建和信号校正技术，提升植物挥发物检测的灵敏度、覆盖率和重现性，并应用于水稻和番茄的挥发物功能研究。

三、研究流程与方法创新
1. 多物种挥发物谱库构建
- 研究对象：涵盖水稻（籽粒与叶片）、小麦、玉米、番茄（果实与叶片）、苹果、梨、柑橘、百香果、黑胡椒和榴莲等10种植物，覆盖单萜、倍半萜、苯衍生物等主要挥发物类别。
- 实验方法：采用顶空固相微萃取（HS-SPME）结合GC-MS进行非靶向分析，通过NIST 17谱库和保留指数（Kovats’ RI）初步注释挥发物。
- 算法创新：开发靶向谱图提取（Targeted Spectra Extraction, TSE）算法，通过保留指数匹配和碎片离子相似性分组，解决低丰度或共洗脱挥发物的注释难题（如水稻关键香气成分2-乙酰基-1-吡咯啉的鉴定）。

1. MS2谱标（MS2T）库的建立

   • 基于多物种数据，构建包含537个高重现性挥发物信号的质谱库，覆盖脂肪酸降解、甲羟戊酸（MVA）和甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径等五大生物合成途径。
     
   • 通过多反应监测（MRM）模式优化碰撞能量（CE），提高检测灵敏度（如愈创木酚的信噪比从4.1提升至18.8）。
     

2. 信号漂移校正模型

   • 针对SPME纤维效率衰减导致的重复性问题，开发基于支持向量回归（SVR）的归一化模型，将质量控制样本中相对标准偏差（RSD）<30%的挥发物数量从14种提升至92种。
     

3. 应用案例研究

   • 番茄机械损伤响应：WTV方法检测到145种挥发物（传统方法仅52种），发现苯并噻唑（Benzothiazole）和薄荷醇等新型胁迫响应分子，可能作为植物防御的潜在信号。
     
   • 水稻核心种质挥发物分析：在72个水稻品种中鉴定出2-壬酮（2-Nonanone）和2-庚酮（2-Heptanone）为新型芳香成分，其含量与香气评分显著正相关；苯并噻唑和异佛尔酮则与异味相关。
     

四、主要研究结果
1. 方法学验证
- WTV将水稻籽粒挥发物注释数量从43种提升至132种，且灵敏度显著提高（如2-乙酰基-1-吡咯啉的检测限降低）。
- 通过MRM模式分离共洗脱峰（如2-戊基呋喃与苯酚），解决了传统GC-MS的定性定量偏差问题。

1. 生物学发现
   
   • 番茄胁迫响应：机械损伤诱导α-雪松烯、β-红没药烯等萜类及绿叶挥发物（GLVs）显著积累，苯并噻唑含量增加2.6倍，提示其可能作为跨植株防御信号。
     
   • 水稻风味标记物：2-壬酮和2-庚酮的发现为水稻风味育种提供了新靶点，感官实验证实其喷洒可使非香稻的香气评分从0提升至2.1-2.3。
     

五、研究意义与价值
1. 科学价值
- WTV方法为植物挥发物组学研究提供了高灵敏度、高覆盖率的标准化工具，推动了挥发物功能与进化研究的深入。
- 发现苯并噻唑等新型胁迫响应分子，拓展了植物-环境互作的化学通讯机制认知。

1. 应用潜力
   
   • 在水稻育种中，2-壬酮和2-庚酮可作为分子标记辅助筛选高香气品种；苯并噻唑和异佛尔酮的鉴定为稻米异味控制提供了依据。
     
   • 方法学框架可推广至其他作物或药用植物的挥发物研究，助力风味改良和抗性育种。
     

六、研究亮点
1. 技术创新
- TSE算法首次实现共洗脱挥发物的精准注释，MS2T库覆盖植物挥发物主要生物合成途径。
- SVR信号校正模型解决了SPME-GC-MS长期存在的重复性难题。

1. 生物学发现
   
   • 揭示2-壬酮/2-庚酮对水稻香气的贡献，挑战了传统以2-乙酰基-1-吡咯啉为核心的风味理论。
     
   • 提出苯并噻唑作为番茄防御的新候选信号分子。
     

七、其他价值
研究还通过高斯图模型（GGM）和碎片离子聚类分析，实现了未知挥发物的交互式鉴定（如5-甲基茚满的鉴定），为代谢组学数据挖掘提供了新思路。