¹³Marquage C_6-glucose associé à la LC-MS : identification des organes primaires des plantes dans la synthèse des métabolites secondaires

Les voies de biosynthèse des métabolites secondaires chez les plantes sont complexes et diversifiées, impliquant des organes d’accumulation très spécifiques et diversifiés¹. À l’heure actuelle, les sites de synthèse spécifiques et les organes responsables des métabolites secondaires dans de nombreuses plantes médicinales ne sont pas bien définis. Cette ambiguïté constitue un obstacle important à l’avancement stratégique et à la mise en œuvre de méthodes de culture conçues pour optimiser à la fois le rendement et la qualité des matériaux médicinaux.

La biologie moléculaire, la biochimie et les techniques de marquage isotopique sont largement utilisées pour démêler les voies de synthèse et les sites des métabolites secondaires dans les plantes médicinales 2,3,4,5, et chacune de ces méthodologies présente des forces et des limites uniques, telles que des différences d’efficacité et de précision. Les approches de biologie moléculaire, par exemple, offrent une grande précision pour localiser les sites dans les voies de biosynthèse, mais elles sont particulièrement chronophages. Leur utilité est encore limitée pour les espèces dépourvues de séquences génomiques accessibles au public, ce qui rend ces techniques moins viables dans de tels cas⁶. En revanche, les techniques de marquage isotopique, qui utilisent des rapports isotopiques tels que ³C/¹²C, ²H/¹H et ¹⁸O/¹⁶O, constituent un moyen rapide et accessible d’étudier les mécanismes de synthèse, de transport et de stockage des métabolites secondaires ^7,8. Ils peuvent révéler la distribution spatiale des composés organiques et des isotopes stables dans les feuilles, permettant ainsi de reconstituer les conditions environnementales vécues par les feuilles tout au long de leur cycle de vie⁹. De plus, l’application de marqueurs isotopiques externes, tels que le ¹³C_6-Glucose ¹⁰ et le ¹³C 6-Phénylalanine¹¹, permet la génération de métabolites secondaires marqués au carbone, améliorant ainsi notre compréhension de leur production et de leur fonction.

Les techniques traditionnelles de marquage des isotopes du carbone rencontrent des difficultés pour identifier les organes spécifiques responsables de la synthèse des métabolites secondaires en raison de la nature très spécifique à l’espèce de leurs voies de biosynthèse et de leurs mécanismes de transport. La chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse (LC-MS) s’est imposée comme un instrument analytique essentiel dans ce domaine, offrant une méthode robuste pour le suivi des isotopes exogènes dans la synthèse chimique des médicaments et l’étude des processus in vivo tels que l’absorption, la distribution, le métabolisme et l’excrétion¹². La sensibilité, la simplicité et la fiabilité supérieures de la LC-MS en font un choix idéal pour surveiller la production de métabolites secondaires dans les plantes¹³. Ces derniers temps, la LC-MS est devenue de plus en plus privilégiée pour son application dans les techniques de marquage isotopique externe, ce qui permet d’évaluer l’efficacité du marquage sur différents échantillons. Cette méthodologie fournit des informations essentielles sur les organes primaires impliqués dans la synthèse des métabolites secondaires dans les plantes médicinales, servant de complément inestimable aux méthodes biologiques pour identifier les organes de synthèse de ces composés^14,15. Par conséquent, cette approche facilite non seulement la comparaison de l’efficacité du marquage entre divers spécimens, mais met également en lumière les organes clés impliqués dans la génération de métabolites secondaires des plantes, améliorant ainsi notre compréhension de leur biosynthèse.

Nous avons introduit une nouvelle méthode qui combine le marquage isotopique du carbone avec la détection LC-MS pour identifier les organes primaires responsables de la synthèse des métabolites secondaires dans les plantes médicinales. La saponine de Paris (PS) a une variété d’activités pharmacologiques telles que l’anticancéreux, l’immunomodulation et l’anti-inflammation¹⁶, et le PPY est en demande croissante¹⁷. Par conséquent, nous avons utilisé des plantules de PPY comme sujets de recherche et avons décrypté que les feuilles sont le principal organe de synthèse de la saponine de Paris VII (PS VII) (Figure 1B) en utilisant le marquage ¹³C_6-Glucose associé à la méthode LC-MS. Notre approche comprenait quatre traitements différents impliquant l’alimentation en ¹³_C-6-glucose des faisceaux vasculaires des feuilles, des rhizomes et de la tige, ainsi qu’un contrôle non alimentaire. Le choix du ¹³C_6-glucose est stratégique, car il est rapidement métabolisé en acétyl coenzyme A par la respiration, ce qui facilite ensuite la synthèse du PS. En utilisant l’abondance naturelle de ¹³°C, nous avons utilisé un système de spectrométrie de masse par chromatographie en phase gazeuse et rapport d’isotopes stables (GC-IRMS) pour évaluer les rapports ¹³C/¹²C dans divers organes de la plante et pour analyser les rapports isotopiques des pics d’ions dans les molécules PS VII et Paris saponines II (PS II) (figure 1B). Notre méthodologie, qui s’appuie sur ¹³précurseurs de métabolites secondaires végétaux marqués au carbone et sur des techniques de spectrométrie de masse de pointe, offre une alternative plus simple et plus précise aux méthodes conventionnelles de marquage des isotopes du carbone. Cette nouvelle approche permet non seulement d’approfondir notre compréhension des organes impliqués dans la synthèse des métabolites secondaires chez les plantes médicinales, mais aussi de jeter des bases solides pour de futures explorations des voies de biosynthèse de ces composés.