Hyuga Hirano (United Graduate School of Agricultural Science, Université agricole et technologique de Tokyo, et étudiant diplômé collaborateur au Musée national de la nature et des sciences (président : Makoto Manabe) ; Takashi Kikuchi (Application Laboratories, Global Product Unit, Rigaku Corporation, une société du groupe Rigaku Holdings) ; Futa Sakakibara (conseiller technique, division du support R&D, Asterism G.K.) ; Yoshinori Murai (conservateur principal, département de botanique, Musée national de la nature et des sciences) ; et des collègues ont déterminé avec succès les structures de plus de dix glycosides phénoliques à partir d'un minuscule échantillon d'une fleur de plante alpine en développant une méthode d'analyse de traces. Cet accomplissement est particulièrement important car les plantes alpines sont généralement petites et difficiles à obtenir en raison de considérations juridiques, éthiques et environnementales, ce qui entraîne une disponibilité extrêmement limitée des échantillons. Déterminer les structures de nombreux composants chimiques à partir d'un si petit échantillon représente une performance inédite dans la recherche.
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Figure 1: Pincushion plant (Diapensia lapponica) in bloom, growing in alpine rocky areas. Its distribution in Japan extends from the Chubu region of Honshu to Hokkaido.
La méthode mise au point par l'équipe de recherche peut être appliquée non seulement à l'analyse des constituants chimiques des plantes, mais aussi à l'exploration de ressources sous-utilisées dans un large éventail de domaines, y compris la physique, l'agriculture et les sciences pharmaceutiques.
Les résultats de la recherche ont été publiés en ligne le 22 février 2026, dans le Journal of Molecular Structure. Des études connexes utilisant des techniques similaires ont également été publiées dans Biochemical Systematics and Ecology.
Résumé de la recherche :
- une méthode d'isolement et de cristallisation des composants chimiques à l'état de traces a été établie.
- l'analyse structurale des composants cristallisés a été réalisée avec succès en utilisant des techniques analytiques telles que la diffraction des rayons X monocristallins (SC-XRD) et la diffraction des électrons microcristallins (MicroED).
- avec cette approche, la détermination structurale des composés phénoliques a été réalisée avec succès dans des plantes alpines pour lesquelles les échantillons de recherche sont difficiles à obtenir, révélant une gamme variée de composés phénoliques présents dans les fleurs de Diapensia lapponica.
- au cours du développement de cette méthode, des études connexes ont également conduit à la découverte de composants associés à des mécanismes d'adaptation chimiques et à des caractéristiques phylogénétiques chez les plantes.
1. Contexte et résultats
Les plantes alpines sont réparties dans les zones alpines et subalpines du Japon. Pour résister aux contraintes environnementales caractéristiques des environnements alpins, telles que le rayonnement ultraviolet intense et les basses températures, ces plantes s'adaptent en synthétisant et en accumulant des composés chimiques connus sous le nom de composés phénoliques. De nombreux composés phénoliques sont également reconnus comme des ressources naturelles potentielles. Comme les plantes alpines restent moins bien étudiées que les plantes de plaine, d'autres recherches dans ce domaine sont particulièrement attendues. En outre, les environnements rudes dans lesquels poussent les plantes alpines sont à l'origine de leur petite taille. Leur distribution est limitée aux régions de haute altitude, ce qui les rend relativement rares. Même dans la recherche universitaire, les considérations juridiques, de permis et éthiques exigent que la collecte des plantes soit strictement limitée pour minimiser les perturbations humaines sur les écosystèmes alpins. Dès lors, la quantité d'échantillons disponibles pour l'analyse structurelle est extrêmement limitée.
L'équipe de recherche avait mis au point une méthode d'analyse des composants des échantillons à l'état de traces. Dans cette étude, en utilisant un très petit échantillon de fleurs de la plante alpine Diapensia lapponica, l'équipe a isolé et purifié des composants individuels à l'aide de la chromatographie liquide à haute performance (CLHP) et a déterminé leurs poids moléculaires par spectrométrie de masse en tandem quadripôle-temps de vol (QTOF-MS). L'équipe a ensuite développé une méthode pour optimiser la cristallisation de chaque composant.
En appliquant des techniques analytiques telles que la diffraction des rayons X monocristallins (SC-XRD) et la diffraction des électrons microcristallins (MicroED), qui permettent de déterminer la structure à partir de cristaux d'environ un centième de la taille requise par les méthodes conventionnelles, l'équipe a réussi à déterminer les structures des composants à l'état de traces à partir d'échantillons extrêmement petits. Les résultats ont démontré que D. lapponica, qui affectionne les environnements alpins difficiles, contient des flavonoïdes et d'autres composés phénoliques, y compris des glycosides de quercétine. Ces composés ont attiré l'attention ces dernières années en tant qu'ingrédients fonctionnels avec des avantages potentiels pour la santé.
Dans des recherches connexes publiées dans Biochemical Systematics and Ecology, l'équipe de recherche a également réussi à isoler et à déterminer les structures de nombreux composants des feuilles d'une même plante, découvrant des composés qui contribuent à la protection ultraviolette et à l'activité antioxydante. L'étude révèle en outre que l'accumulation de certains composants diffère géographiquement, de la région de Chubu de Honshu à Hokkaido. La présente étude représente une avancée par rapport à ces précédentes conclusions.
2. Remarques
Chromatographie liquide à haute performance (CLHP) : une technique analytique qui sépare et détecte les composants en fonction des différences dans leurs interactions avec une phase mobile (solvant) et une phase stationnaire (colonne). Le système de CLHP préparative illustré à la figure 2 a été utilisé pour isoler chaque composant.
Spectrométrie de masse en tandem quadripôle-temps de vol (QTOF-MS) : une technique de spectrométrie de masse qui combine des analyseurs quadripôles et de temps de vol pour atteindre une précision, une résolution et une sensibilité de masse élevées. Le système LC-QTOF-MS illustré à la figure 2 intègre la CLHP avec la QTOF-MS.
Diffraction des rayons X monocristallins (SC-XRD) : une méthode dans laquelle les cristaux d'échantillon sont irradiés avec un faisceau de rayons X, et le modèle de diffraction résultant est utilisé pour déterminer directement la structure moléculaire tridimensionnelle.
Diffraction des électrons microcristallins (MicroED) : technique d'analyse structurelle qui utilise un faisceau d'électrons au lieu des rayons X, permettant la détermination de la structure à partir de cristaux de taille submicrométrique beaucoup plus petits.
3. Orientations futures
Pour développer la méthode d'analyse décrite ici, l'équipe de recherche a utilisé des échantillons de Diapensia lapponica, une espèce alpine avec une répartition géographique relativement large. L'équipe applique actuellement cette méthode à l'analyse d'espèces végétales plus rares, y compris les espèces endémiques au Japon et les espèces menacées.
Cette approche devrait faciliter l'identification de composants à l'état de traces dans des plantes qui étaient auparavant difficiles à analyser, ainsi que l'exploration de ressources biologiques nouvelles et sous-utilisées. En outre, la méthode a une large applicabilité dans divers domaines, y compris la physique, les sciences agricoles et les sciences pharmaceutiques, et devrait servir de source importante d'informations fondamentales pour la recherche fondamentale et appliquée.
4. Documents présentés
Titre : Sustainable micro-scale identification of phenolic glycosides in alpine flower through single-crystal structure analysis
Auteurs : Hyuga Hirano, Takashi Kikuchi, Futa Sakakibara, Yoshinori Murai
Publication : Journal of Molecular Structure, 145740 (en ligne 22 février 2026)
Document connexe
Titre : Phenolic compound diversity reflecting phylogeographic structure of Diapensia lapponica subsp. obovata (Diapensiaceae) populations in Japan
Auteurs : Hyuga Hirano, Toshiyo Kato, Keiichi Noguchi, Hisahiro Kai, Takuro Ito, Takashi Kikuchi, Futa Sakakibara, Yoshinori Murai
Publication : Biochemical Systematics and Ecology, 125: 105168 (en ligne 20 novembre 2025 ; publication imprimée prévue pour avril 2026)
Cette étude a été soutenue par une société japonaise pour la promotion de la science (JSPS) KAKENHI numéros d'attribution JP23K05503 et JP24KJ1011, et « Integrated Research on Extreme Environments » du Musée national de la nature et des sciences, Japon.
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