TOKIO–(BUSINESS WIRE)–Hyuga Hirano (United Graduate School of Agricultural Science, Universität für Landwirtschaft und Technologie Tokio, und kooperierender Absolvent im Nationalmuseum der Naturwissenschaften (Präsident: Makoto Manabe)); Takashi Kikuchi (Anwendungslabore, Globale Produkteinheit, Rigaku Corporation, eine Konzerngesellschaft der Rigaku Holdings); Futa Sakakibara (Technischer Berater, Abteilung für F&E-Support, Asterism G.K.); Yoshinori Murai (Leitender Kurator, Abteilung für Botanik, Nationalmuseum der Naturwissenschaften); und Kollegen haben erfolgreich die Strukturen von mehr als zehn Phenolglykosiden aus einer winzigen Blütenprobe einer alpinen Pflanze bestimmt, indem sie eine Spurenanalytikmethode entwickelt haben. Diese Leistung ist besonders bedeutend, weil alpine Pflanzen in der Regel klein und aus rechtlichen, ethischen und umweltbezogenen Gründen schwer zu sammeln sind, was zu einer äußerst begrenzten Probenverfügbarkeit führt. Die Bestimmung der Strukturen mehrerer chemischer Komponenten aus einer solch kleinen Probe ist eine bahnbrechende Forschungsleistung.
Die von dem Forschungsteam entwickelte Methode lässt sich nicht nur auf die Analyse von chemischen Pflanzeninhaltsstoffen anwenden, sondern auch auf die Erforschung unzureichend genutzter Ressourcen in verschiedensten Bereichen, darunter Physik, Landwirtschaft und Pharmawissenschaften.
Die Forschungsergebnisse wurden am 22. Februar 2026 im online verfügbaren Journal of Molecular Structure veröffentlicht. Verwandte Studien unter Anwendung ähnlicher Techniken wurden zudem in Biochemical Systematics and Ecology veröffentlicht.
Forschungszusammenfassung:
- Eine Methode zur Isolierung und Kristallisierung chemischer Spurenkomponenten wurde bestimmt.
- Mit analytischen Techniken wie der Einzelkristall-Röntgenbeugung (SC-XRD) und der Mikrokristall‑Elektronenbeugung (MicroED) gelang die strukturelle Analyse kristallisierter Komponenten.
- Anhand dieser Methode konnte die Struktur phenolischer Komponenten von alpinen Pflanzen, für die nur sehr schwer Forschungsproben gesammelt werden können, bestimmt werden. Die Analyse zeigte verschiedenartige phenolische Komponenten in den Blüten von Diapensia lapponica .
- Während der Entwicklung dieser Methoden führten verwandet Studien zudem zu der Entdeckung von Komponenten, die mit chemisch adaptiven Mechanismen und phylogenetischen Eigenschaften von Pflanzen zusammenhängen.
1. Hintergrund und Ergebnisse
Alpine Pflanzen sind über die alpinen und subalpinen Zonen Japans verteilt. Um den Umweltbelastungen standzuhalten die für alpine Umgebungen charakteristisch sind – etwa intensive UV-Strahlung und niedrige Temperaturen – passen sich diese Pflanzen an, indem sie chemische Komponenten, die sogenannten phenolischen Komponenten, synthetisieren und ansammeln. Viele phenolischen Komponenten gelten auch als potenzielle natürliche Ressourcen. Da alpine Pflanzen weniger gut erforscht sind als Tieflandpflanzen, werden besonders in diesem Bereich weitere Forschungen erwartet. Gleichzeitig führen die rauen Umgebungen, in denen alpine Pflanzen wachsen, zu einer kleinen Pflanzengröße. Zudem ist ihre Verteilung auf hochgelegene Regionen beschränkt, wodurch sie relativ selten sind. Selbst bei der akademischen Forschung muss die Pflanzensammlung aus rechtlichen, erlaubnisbezogenen und ethischen Gründen strikt begrenzt werden, um den menschlichen Eingriff in alpine Ökosysteme zu minimieren. Infolgedessen ist die Menge an Probenmaterial für die strukturelle Analyse äußerst begrenzt.
Das Forschungsteam hat eine Methode zur Analyse der Komponenten von Spurenproben entwickelt. In dieser Studie konnte das Team unter Verwendung einer sehr kleinen Probe der Blüten der alpinen Pflanze Diapensia lapponica einzelne Komponenten mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) isolieren und reinigen und das molekulare Gewicht mittels Quadrupol-Flugzeit-Massenspektrometrie (QTOF-MS) bestimmen. Anschließend entwickelte das Team eine Methode zur Optimierung der Kristallisierung der einzelnen Komponenten.
Durch die Anwendung analytischer Techniken wie Einzelkristall-Röntgenbeugung (SC-XRD) und Mikrokristall‑Elektronenbeugung (MicroED), die die strukturelle Bestimmung anhand von Kristallen ermöglichen, die etwa ein Hundertstel der normalerweise erforderlichen Größe aufweisen, bestimmte das Team erfolgreich die Strukturen von Spurenkomponenten aus extrem kleinen Proben. Die Ergebnisse zeigten, dass D. lapponica, die in rauen alpinen Umgebungen gedeiht, Flavonoide und andere phenolische Komponenten enthält, darunter Quercetinglykoside. Diese Komponenten haben in den letzten Jahren als funktionelle Inhaltsstoffe mit potenziellen gesundheitlichen Vorteilen die Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
In einer verwandten Forschung, die in Biochemical Systematics and Ecology veröffentlicht wurde, konnte das Forschungsteam außerdem die Strukturen zahlreicher Komponenten aus den Blättern derselben Pflanze isolieren und bestimmen. Dabei entdeckten sie Komponenten, die zu UV-Schutz und antioxidativer Aktivität beitragen. Die Studie ergab zudem, dass die Ansammlung einiger Komponenten von der Chubu-Region auf Honshu bis Hokkaido geografisch variiert. Die aktuelle Studie baut auf diesen vorherigen Erkenntnissen auf.
2. Hinweise
Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC): Eine Analysetechnik, die Komponenten basierend auf Unterschieden hinsichtlich ihrer Interaktion mit einer mobilen Phase (Lösungsmittel) und einer stationären Phase (Säule) trennt und erkennt. Das präparative HPLC-System in Abbildung 2 wurde zur Isolierung der einzelnen Komponenten verwendet.
Quadrupol-Flugzeit-Massenspektrometrie (QTOF-MS): Eine Massenspektrometrietechnik, bei der durch die Kombination von Quadrupol- und Flugzeitanalysatoren eine hohe Massengenauigkeit, Auflösung und Empfindlichkeit erzielt werden. Das in Abbildung 2 gezeigte LC-QTOF-MS-System kombiniert HPLC und QTOF-MS.
Einzelkristall-Röntgenbeugung (SC-XRD): Eine Methode, bei der Probenkristalle einem Röntgenstrahl ausgesetzt werden. Anhand des sich ergebenden Beugungsmusters wird die dreidimensionale Molekularstruktur direkt bestimmt.
Mikrokristall‑Elektronenbeugung (MicroED): Eine Technik der strukturellen Analyse, bei der anstelle von Röntgenstrahlung ein Elektronenstrahl eingesetzt wird, was die Strukturbestimmung anhand deutlich kleinerer Kristalle im Submikrometerbereich ermöglicht.
3. Zukünftige Richtungen
Bei der Entwicklung der hier beschriebenen Analysemethode verwendete das Forschungsteam Proben der Nadelkissenblume, einer alpinen Spezies mit einer relativ weiten geografischen Verteilung. Das Team wendet diese Methode derzeit auf die Analyse seltener Pflanzenarten an, darunter endemische Arten Japans und gefährdete Arten.
Dieser Ansatz soll die Identifizierung von Spurenkomponenten in Pflanzen erleichtern, die bisher schwer zu analysieren waren, sowie die Erforschung neuartiger und unzureichend genutzter biologischer Ressourcen. Darüber hinaus lässt sich die Methode in verschiedenen Bereichen einsetzen, darunter Physik, Agrarwissenschaft und Pharmawissenschaft, und wird erwartungsgemäß als wichtige Quelle für grundlegende Informationen für die Grundlagenforschung und angewandte Wissenschaft dienen.
4. Präsentierte Papers
Titel: Nachhaltige Identifizierung im Mikromaßstab von Phenolglykosiden in alpinen Blüten mittels Einkristallstrukturanalyse
Autoren: Hyuga Hirano, Takashi Kikuchi, Futa Sakakibara, Yoshinori Murai
Veröffentlichung: Journal of Molecular Structure , 145740 (online 22. Februar 2026)
Verwandtes Paper
Titel: Diversität phenolischer Komponenten als Ausdruck der phylogeografischen Struktur der Populationen von Diapensia lapponica subsp. obovata (Diapensiaceae) in Japan
Autoren: Hyuga Hirano, Toshiyo Kato, Keiichi Noguchi, Hisahiro Kai, Takuro Ito, Takashi Kikuchi, Futa Sakakibara, Yoshinori Murai
Veröffentlichung: Biochemical Systematics and Ecology , 125: 105168 (online 20. November 2025; geplante Druckveröffentlichung: April 2026)
Diese Forschung wurde durch einen Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI Fördernummern JP23K05503 und JP24KJ1011 und der „Integrated Research on Extreme Environments“ des Nationalmuseums der Naturwissenschaften Japans unterstützt.
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Contacts
(Forschungsanfragen)
Sawa Himeno
Direktor, Kommunikationsabteilung
Rigaku Holdings Corporation
E-Mail: prad@rigaku.co.jp
Yoshinori Murai
Leitender Kurator, Abteilung für Botanik, Nationalmuseum der Naturwissenschaften
Außerordentlicher Professor, Universität für Landwirtschaft und Technologie Tokio
E-Mail: murai@kahaku.go.jp
Futa Sakakibara
Technischer Berater, Abteilung für F&E-Support
Asterism G.K.
E-Mail: lab@asterism.co.jp
Website: https://www.asterism.co.jp
(Medienanfragen)
Sawa Himeno
Direktor, Kommunikationsabteilung
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Yuichi Inaba
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E-Mail: t-shuzai@kahaku.go.jp TEL.: +81-29-853-8984 FAX: +81-29-853-8998
Honoka Midorikawa
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TEL.: +81-90-2524-8753
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Universität für Landwirtschaft und Technologie Tokio
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