创新方法实现微量高山花卉样本中多类酚类化合物的结构解析

Hyuga Hirano（东京农工大学联合农学研究科、国立科学博物馆协作研究生；馆长：Makoto Manabe）、Takashi Kikuchi（Rigaku Holdings集团旗下Rigaku Corporation全球产品事业部应用实验室）、Futa Sakakibara（Asterism G.K.研发支持部技术顾问）、Yoshinori Murai（国立科学博物馆植物研究部高级策展人）及其研究团队，通过自主开发微量分析方法，成功从极其有限的高山植物花部样本中鉴定并解析出十余种酚类苷的化学结构。这一成果意义重大。高山植物通常个体微小，且受法律、伦理及生态保护等多重约束，样本采集难度高、可获得量极为有限。在此背景下，能够基于微量样本同时解析多种化学成分的结构，标志着相关研究取得了具有开创性的突破。

该研究团队开发的分析方法不仅适用于植物化学成分的解析，还可推广至物理学、农业及药学等多个领域，用于发掘和利用尚未充分开发的资源，展现出广阔的应用前景。

相关研究成果已于2026年2月22日在线发表于《Journal of Molecular Structure》。此外，采用类似技术的相关研究亦已刊载于《Biochemical Systematics and Ecology》。

研究概要：

• 建立了面向痕量化学成分的分离与结晶技术体系。
• 结合单晶X射线衍射（SC-XRD）及微晶电子衍射（MicroED）等分析手段，成功实现对结晶化合物的结构解析。
• 依托该方法，在样本获取受限的高山植物中完成了酚类化合物的结构测定，揭示了岩梅（Diapensia lapponica）花部所含酚类成分的丰富多样性。
• 在方法开发过程中，相关研究亦推动鉴定出与植物化学适应机制及系统发育特征相关的关键化学成分。

一、研究背景与研究结果

高山植物广泛分布于日本的高山及亚高山区域。为适应强紫外辐射、低温等典型环境胁迫，这类植物通过合成并积累被称为酚类化合物的物质来实现生理调节与环境适应。与此同时，酚类化合物亦被视为具有开发潜力的重要天然资源。相较于低地植物，高山植物相关研究仍相对不足，亟待进一步深入探索。然而，高山植物生长环境严苛，植株通常较为矮小，且分布局限于高海拔区域，整体资源相对稀缺。即便在学术研究中，出于法律、许可及伦理等多重因素考量，为减少对高山生态系统的人为干扰，植物采集亦受到严格限制。因此，可用于结构解析的样本量极为有限，对相关研究的推进构成了现实制约。

研究团队此前一直致力于微量样本成分分析方法的开发。在本研究中，团队以极其有限的高山植物岩梅（Diapensia lapponica）花部样本为对象，首先采用高效液相色谱（HPLC）对各单一组分进行分离与纯化，并通过四极杆飞行时间质谱（QTOF-MS）测定其分子量。在此基础上，团队进一步建立并优化了各组分的结晶方法，为后续结构解析奠定了关键技术基础。

通过引入单晶X射线衍射（SC-XRD）和微晶电子衍射（MicroED）等先进分析技术——该类方法可在仅为传统技术所需晶体尺寸约百分之一的条件下实现结构解析——研究团队成功从极微量样本中完成了痕量成分的结构鉴定。研究结果表明，能够在严苛高山环境中生长的岩梅（Diapensia lapponica）富含黄酮类及其他酚类化合物，其中包括槲皮素苷等代表性成分。此类化合物近年来因其潜在的健康功能而受到广泛关注。

在发表于《Biochemical Systematics and Ecology》的相关研究中，研究团队还成功从同种植物的叶片中分离并解析出多种化学成分的结构，并鉴定出与紫外防护及抗氧化活性相关的化合物。研究进一步发现，部分成分的积累在地域分布上存在差异，呈现出由本州中部至北海道的变化趋势。本研究在上述成果基础上实现了进一步深化与拓展。

二、术语说明

高效液相色谱（HPLC）：一种通过各组分在流动相（溶剂）与固定相（色谱柱）之间相互作用差异实现分离与检测的分析技术。本研究采用图2所示的制备型高效液相色谱系统，对各单一成分进行分离与制备。

四极杆飞行时间质谱（QTOF-MS）：一种融合四极杆与飞行时间分析器的质谱技术，兼具高质量精度、高分辨率与高灵敏度等优势。图2所示的LC-QTOF-MS系统将高效液相色谱（HPLC）与QTOF-MS有机集成，实现联用分析。

单晶X射线衍射（SC-XRD）：通过以X射线照射样品单晶，并解析其衍射图样，从而直接获取分子三维结构信息的分析方法。

微晶电子衍射（MicroED）：一种以电子束替代X射线开展结构解析的技术，可在亚微米级微小晶体条件下实现高精度结构测定。

三、未来展望

在本项分析方法的开发过程中，研究团队选取了分布范围相对广泛的高山植物岩梅作为研究对象。目前，团队正将该方法进一步拓展至更为稀有的植物物种，包括日本特有种及濒危物种的研究。

该方法有望突破以往在微量样本分析方面的技术瓶颈，实现对难以解析的植物痕量成分的高效鉴定，并推动新型及尚未充分开发的生物资源的发掘与利用。此外，该技术在物理学、农业科学及药学等多个领域均展现出广泛的应用潜力，预计将为基础研究与应用研究提供重要的方法学支撑与数据基础。

四、论文发表情况

论文题目：基于单晶结构解析的高山花卉中酚类苷的可持续微量鉴定
作者：Hyuga Hirano, Takashi Kikuchi, Futa Sakakibara, Yoshinori Murai
发表期刊：《Journal of Molecular Structure》，145740（2026年2月22日在线发表）

相关论文
论文题目：反映日本岩梅（Diapensia lapponica subsp. obovata，岩梅科）
作者：Hyuga Hirano, Toshiyo Kato, Keiichi Noguchi, Hisahiro Kai, Takuro Ito, Takashi Kikuchi, Futa Sakakibara, Yoshinori Murai
发表期刊：《Biochemical Systematics and Ecology》，125：105168（2025年11月20日在线发表，计划于2026年4月刊发）

本研究获得日本学术振兴会（JSPS）科研费（KAKENHI，项目编号：JP23K05503、JP24KJ1011）以及日本国立科学博物馆“极端环境综合研究”项目的资助。

 

图1：高山植物岩梅（Diapensia lapponica）开花期形态，生长于高山岩质环境。在日本，其分布范围由本州中部延伸至北海道。

图2：本研究主要分析步骤流程示意。