磁共振成像（MRI）是一种灵活的技术，广泛应用于生物医学研究；然而，利用它分析活有机体中的植物代谢却被证明是困难的。由L. Borisjuk博士领导的研究团队，联合维尔茨堡大学的P.M. Jakob教授，开发了一种称为化学交换饱和转移（CEST）的方法，专门用于植物的MRI。这种创新方法允许对重要作物（如玉米、大麦、豌豆、土豆、甜菜和甘蔗）中的复杂汇源器官（包括种子、水果、主根和块茎）进行无创的糖和氨基酸代谢检查。他们的研究结果最近发表在《科学进展》期刊上。
“组学”技术——基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学——在现代植物科学和系统生物学中处于领先地位。与相对”静态”的基因组不同，代谢组是动态的，受到多种空间和时间因素的影响。在生物医学领域，核磁共振（NMR）成像或MRI是用于体内代谢诊断和功能研究的最具影响力的技术之一。然而，直到现在，类似的方法在植物科学中尚未完全探索。
一个名为“同化分配与NMR”的跨学科团队在IPK专注于发挥NMR成像在植物科学领域的潜力。得益于欧洲区域发展基金（ERDF）和萨克森-安哈尔特投资银行的资金支持，他们成功建立了一个新的NMR平台，这对他们的研究至关重要。
传统的氢NMR成像主要检测生物组织中水或脂质质子的信号。由于代谢物质子浓度显著较低——至少低三个数量级——因此在体内检测这些代谢物需要有效抑制水信号。
化学交换饱和转移（CEST）是一种已经在生物医学应用中使用的技术，可能提供解决方案。通过CEST，磁化从各种分子转移到水分子，使最初影响目标物质的饱和效应能够在水信号中被感知。”这种方法使我们能够根据与水的质子交换能力识别一系列代谢物，从而增强MRI对比度,” 研究的主要作者、IPK Leibniz Institute的研究员西蒙·梅耶解释道。”由于其在信号检测中的高灵敏度和对磁场变化的抗性，CEST可以分析传统磁共振光谱无法到达的异质植物样本。”
结果令人鼓舞。”我们的研究表明，CEST是一种有效的MRI技术，支持植物的体内代谢分析，尽管样本的磁环境复杂，仍能够实现微观分辨率和糖与氨基酸分布的动态评估。其在不同作物中的适用性显示出CEST是一种多功能的方法，可以在不需要提前标记或改变样本的情况下，直观地追踪代谢物.” IPK的“同化分配与NMR”研究组的负责人Ljudmilla Borisjuk博士指出。
研究团队能够观察到生长中的种子中代谢物的动态，这在传统方法中是不可能实现的。育种者迫切需要了解汇源器官中糖和氨基酸的时空行为，因为它们的分布影响质量运输和代谢，最终影响作物改良。
CEST的引入为监测活植物中变化的代谢物景观开辟了新可能性，这对于更好地理解性状发展至关重要，同时通过体内分析代谢对基因改造和发育变化的反应帮助育种研究。
“在活植物中可视化代谢物动态是一种被广泛追求的能力，能够将对环境变化响应的结构和代谢互动连接起来。CEST的整合，展示了内部组织结构和代谢物动态，而无需使用示踪剂——这一切都通过MRI这一独特技术实现——标志着这一追求的重要里程碑。”
