传统的代谢组学检测手段往往侧重于对生物样本中代谢物整体含量的变化规律进行研究缺少空间位置信息，对植物生长发育过程中的代谢全貌认识不完整，可能遗漏一些特殊组织部位在特定生长阶段或特定环境下起关键作用的代谢物及代谢途径。
而空间代谢强调代谢物在植物细胞、组织、器官等空间环境中的分布情况，注重从空间维度揭示代谢物的变化，能够提供代谢物在组织或细胞内的具体定位信息，有助于深入理解代谢过程的局部调控机制以及代谢物与细胞结构和功能的关系。能够揭示植物与环境的相互作用：研究植物在不同环境条件下（如光照、温度、水分、土壤养分等）的空间代谢组变化，探讨植物如何通过代谢调节适应环境变化，以及环境因素对植物生长发育的影响机制。
同时也可以与其他组学技术联合应用：将空间代谢组学与转录组学、蛋白质组学等其他组学技术相结合，从多个层面全面解析植物生长发育的复杂机制。
利用空间代谢组学研究结果，可以筛选具有特定优良代谢特征的植物材料，为植物育种提供新的指标和策略，例如选育具有高营养价值果实的品种或抗逆性强的作物。
取样样本：植物叶片、种子、根、茎（通过预实验，选择型变化明显的时间点及材料进行测序）
生物学重复：≥3个
典型案例一：不同成熟期草莓植物代谢物的MALDI-TOF成像质谱分析
英文标题：Visualizing the distribution of strawberry plant metabolites at different maturity stages by MALDI-TOF imaging mass spectrometry
发表期刊：Food Chemistry（IF=8.5）
发表时间：2021.05
样本类型：草莓果实
组学技术：空间代谢组（MALDI IMS）
研究内容：通过MALDI-TOF IMS技术确定并绘制了草莓不同成熟阶段（从绿色到红色草莓）中柠檬酸、糖和花青素的分布图，红色草莓的颜色属性显著增强，同时 HPLC 测定的抗坏血酸含量更高；柠檬酸在所有阶段均匀分布在整个果实中，在红色成熟阶段大量积累；己糖和蔗糖的分布强度在红色成熟阶段显著增强，这归因于红色草莓中可溶性糖含量的显著增加（是其他阶段的两倍）；大多数花青素分布在草莓的皮肤和外皮层部分，在成熟后期（红色）合成增加，与草莓的颜色属性密切相关。最后，HPLC 分析对每种化合物的绝对定量支持了 MALDI - TOF IMS 的定量结果。这些结果有助于更深入地了解草莓生长过程中植物化学成分的变化和分布，能够更深入地了解草莓在不同成熟阶段各种营养物质的分布，对育种技术有一定的参考，但仍有一些化合物未被鉴定，需要进一步研究。使用MALDI-TOF IMS技术绘制植物组织中代谢物分布的研究将受益于植物代谢物数据库的发展。
典型案例二：空间代谢揭示了三羧酸代谢物在根系生长发育中的多种功能
英文标题：Chemical imaging reveals diverse functions of tricarboxylic acid metabolites in root growth and development
发表期刊：nature communications（IF=14.7）
发表时间：2023.05
样本类型：多个发育阶段的玉米根+拟南芥根
组学技术：空间代谢组（DESI-MSI）
研究内容：本文通过 DESI - MSI 空间代谢技术，探究植物根的纵向轴经历多个发育阶段代谢物分布差异，揭示了三羧酸（TCA）代谢物沿发育轴分布的不同模式。在拟南芥和玉米中TCA循环的元素在发育相反的区域中富集。TCA 诱导的表型与 ATP 定位或产生的变化基本无关，而 ROS 水平对 TCA 循环扰动高度敏感，但 ROS 水平的变化不能完全解释 TCA 代谢物对根的影响。控制 TCA 代谢物可能有助于在不同作物中工程化理想表型，改善作物生长策略对应对气候变化引起的环境挑战至关重要。而文章主要研究了 TCA 代谢物在根生长和发育中的多种功能，包括对根发育表型、分生组织细胞分裂、ATP 和 ROS 水平以及根毛生长的影响。特别是琥珀酸、延胡索酸、柠檬酸和a-酮戊二酸，以不同方式控制根发育。总的来说，该研究表明多种TCA代谢物在根发育中具有非规范的作用，为提高对植物干细胞如何分裂、分化的认识提供了新的角度。
典型案例三：空间代谢揭示高粱发芽过程中代谢物分布情况
英文标题：Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization-Mass Spectrometry Imaging of Metabolites during Sorghum Germination
发表期刊：Plant Physiology（IF=6.5）
发表时间：2020.07
样本类型：高粱籽粒吸涨、发芽和早期幼苗（不同高粱品系）
组学技术：空间代谢组（MALDI-MSI）、靶向代谢组
研究内容：蜀黍苷是高粱中含量最多的一种含氰葡萄糖苷，在化学上起着关键作用通过在组织破坏时释放有毒的氰化氢来防御。除了这个功能还有证据表明蜀黍苷发挥着额外的作用，例如作为氮的运输和储存形式，通过内源性植物释放回收途径。然而，关于蜀黍苷如何、何时以及为什么进行内源性代谢的了解是有限的。本文结合靶向代谢物分析与MALDI-MSI研究四种不同高粱品系蜀黍苷的积累、循环产物和主要代谢产物，通过72h的吸胀、萌发和幼苗早期发育及其空间分布挖掘的代谢物。干种子中几乎没有蜀黍苷或循环收产物，但它们在吸水后立即开始生物合成。蜀黍苷积累在前24 小时内迅速增加，同时游离氨基酸增加。质谱成像表明，蜀黍苷主要积累在萌发胚胎中，证实了其在保护新兴组织免受食草动物侵害方面的功能随着游离氨基酸的增加，这是种子发芽的关键事件。蜀黍苷的轨迹和最终浓度在实验期内达到的回收产物和游离氨基酸依赖于基因型。MALDI-MSI分析表明，确定了蜀黍苷及其回收产物在萌发和幼苗形成过程中的定位，蜀黍苷主要积累在新形成的组织中，保护脆弱的发育胚胎，而其回收产物主要积累在盾片和 / 或果皮 / 种皮区域，暗示其在萌发过程中的关键作用。大多数氨基酸在萌发过程中能够被检测到，且其信号强度的总体趋势与提取物分析中游离氨基酸的总体趋势相匹配，但 MSI 信号强度不完全反映浓度，且未在胚乳中检测到游离氨基酸。本文研究结合 LC / MS 和 MALDI - MSI 深入了解高粱籽发育的生物学过程，揭示了蜀黍苷及其回收过程在高粱籽粒萌发和幼苗形成早期阶段的重要性以及代谢网络的高度复杂性。
[1] Wang J, Yang E, Chaurand P, Raghavan V. Visualizing the distribution of strawberry plant metabolites at different maturity stages by MALDI-TOF imaging mass spectrometry. Food Chem. 2021;345:128838.
[2] Zhang T, Noll SE, Peng JT, et al. Chemical imaging reveals diverse functions of tricarboxylic acid metabolites in root growth and development. Nat Commun. 2023;14(1):2567. Published 2023 May 4.
[3] Lucia Montini, Christoph Crocoll,et al.Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization-Mass Spectrometry Imaging of Metabolites during Sorghum Germination , Plant Physiology, Volume 183, Issue 3, July 2020, Pages 925–942.
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