京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第21375号 / 農博第2299号 / 新制||農||1067(附属図書館) / 学位論文||H30||N5148(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科食品生物科学専攻 / (主査)教授 入江 一浩, 教授 橋本 渉, 准教授 後藤 剛 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DGAM

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Climate change is expected to increase the frequency of mild winters and warm springs, which can induce premature plant development. This premature development results in a high risk of exposure of young plant tissues to cold stress leading to severe reductions in plant growth and agricultural production. Plants are associated with complex bacterial communities that can activate acclimation processes and positively affect plant performance at low temperatures. Beneficial effects of plant colonization by cold-tolerant bacteria include the modulation of cold-related genes and the reduction in cellular damage under cold stress, but scarce information is available on mechanisms stimulated by bacterial endophytes in tomato plants against cold stress. The aims of this work were i) to analyze the taxonomy and potential functions of plant-associated microbial communities in cold regions, ii) to understand metabolic changes stimulated by cold-tolerant endophytic bacteria in tomato plants exposed to cold stress, and iii) to identify possible genomic traits of cold-tolerant endophytic bacteria responsible for plant growth promotion and cold stress mitigation. The first chapter includes an introduction on cold stress and acclimation processes in plants, and the second chapter defines the aims of the project. In the third chapter, the taxonomic and functional characterization of plant-associated microbial communities of alpine, Arctic, and Antarctic regions was reviewed, highlighting the main environmental factors affecting their taxonomic structure. e. The key findings of this chapter are the functional roles of microbial communities in plant growth and survival in cold environments, and the suggestion of potential biotechnological applications of ubiquitous and endemic cold-tolerant microorganisms. In the fourth chapter, metabolic changes stimulated by cold-tolerant endophytic bacteria in tomato plants exposed to cold stress were studied by metabolomic analyses, and compounds possibly associated with cold stress mitigation were found. 14 Tomato seeds were inoculated with two bacterial endophytes isolated from Antarctic Colobanthus quitensis plants (Ewingella sp. S1.OA.A_B6 and Pseudomonas sp. S2.OTC.A_B10) or with Paraburkholderia phytofirmans PsJN, while mock-inoculated seeds were used as control. The metabolic composition of tomato plants was analyzed immediately after cold stress exposure (4°C for seven days) or after two and four days of recovery at 25°C. Under cold stress, the content of malondialdehyde, phenylalanine, ferulic acid, and p-coumaric acid was lower in bacterium-inoculated compared to mock-inoculated plants, indicating a reduction of lipid peroxidation and the stimulation of phenolic compound metabolism. The content of two phenolic compounds, five putative phenylalanine-derived dipeptides, and three further phenylalanine-derived compounds was higher in bacterium-inoculated compared to mock-inoculated samples under cold stress. Thus, the presented work suggests that psychrotolerant endophytic bacteria can reprogram polyphenol metabolism and stimulate the accumulation of secondary metabolites, like 4-hydroxybenzoic and salicylic acid, which are involved in cold stress mitigation, and phenylalanine-derived dipeptides possibly involved in plant stress responses. In the fifth chapter, functional and genomic traits of Ewingella sp. S1.OA.A_B6 and Pseudomonas sp. S2.OTC.A_B10 were studied. In the framework of the present study, Ewingella sp., Pseudomonas sp., and the bacterial consortium showed plant growth-promoting activity on tomato seedlings at low temperatures. Ammonia was produced by both bacterial isolates and their consortium, while indole-3-acetic acid and proteases were produced by Ewingella sp. and Pseudomonas sp., respectively. Ewingella sp. and Pseudomonas sp. genomes (51.57% and 60.63% guanine-cytosine, 4,148 and 5,983 predicted genes, respectively) encompassed genes related to amino acid metabolism, plant hormone metabolism (auxin, cytokinins, ethylene, and salicylic acid), nitrogen metabolism, lytic activities (amylases, cellulases, and proteases). Traits related to plant growth promotion included genes for iron transport, phosphate metabolism, potassium transport, siderophore metabolism and 15 transport, and zinc transport. Moreover, Ewingella sp. and Pseudomonas sp. encompassed genes related to cold tolerance, such as cold shock and heat shock-related proteins, lipid desaturases, and genes related to polyamine metabolism, proline metabolism, proline and glycine betaine transport, reactive oxygen species detoxification, and trehalose metabolism. Thus, in this chapter, it was discovered that Antarctic cold-tolerant endophytes include multiple genomic and functional traits to survive under cold conditions and some of them can contribute to promote the host plant growth at low temperatures. These findings indicate that plant-associated bacteria of cold regions have a great biotechnological potential to mitigate cold stress in crop plants. In particular, Antarctic bacterial endophytes encompass genomic traits responsible for plant growth promotion and protection against cold stress, and they can mitigate cold stress in tomato plants by a complex reprogramming of plant metabolism. Although further metabolomic and functional studies are required to verify compound annotations and to better clarify the role of phenylalanine-derived compounds and phenylalanine-derived dipeptides in cold stress mitigation, these results provided a better understanding of metabolic changes stimulated by psychrotolerant endophytic bacteria in cold-stressed tomato plants. Thus, the validation of cold stress mitigation activated by psychrotolerant endophytic bacteria under field conditions will pave the way for the further development of endophytic bacterial inoculants as sustainable products to protect crops against cold stress.

Dans l’optique de comprendre et maitriser le vieillissement des vins, en particulier des vins blancs, il est nécessaire d’approfondir nos connaissances sur les mécanismes physico-chimiques d’oxydation liés aux processus d’oxygénation. Pour cela, il est important d’avoir des outils permettant la quantification de la capacité antioxydante des vins blancs, et l’identification des composés impliqués dans celle-ci, afin de pouvoir anticiper l’aptitude au vieillissement d’un vin.Lors de cette étude, des analyses de la capacité antioxydante par DPPH et Résonnance Paramagnétique Electronique (RPE) ont été réalisées sur un grand nombre de vins en cours d’élevage et issus de plusieurs millésimes. En parallèle des analyses métabolomiques, principalement par Chromatographie Liquide couplée à la Spectrométrie de Masse (UPLC-Q-TOF-MS) mais également par Spectrométrie de Masse à Résonance Cyclotronique des Ions et à Transformée de Fourier (FT-ICR-MS) ont été réalisées.L’optimisation de la méthode DPPH, pour l’analyse des vins blancs a révélé une réactivité importante des composés soufrés, avec des capacités antioxydantes similaires à celles des composés phénoliques. La comparaison de cette méthode optimisée à la méthode de référence du laboratoire (RPE) sur plus de 106 vins, a montré la complémentarité de l’information apportée par ces deux différentes méthodes de mesure de capacité antioxydante. Le traitement statistique des corrélations avec les analyses métabolomiques réalisées sur 287 vins a permis de révéler une liste de 380 marqueurs moléculaires associés à la capacité antioxydante des vins. Une méthode alternative de mesure du potentiel antioxydant des vins blancs a également été développée, qui repose sur l’identification de composés nucléophiles naturellement présents et susceptibles de piéger les quinones formées au cours de mécanismes d’oxydation. Outre des composés soufrés, nous avons montré que différents peptides ayant des propriétés antioxydantes présentent de telles propriétés nucléophiles. Dans un second temps, l’étude de différentes pratiques œnologiques (élevage, hyperoxygénation ou sulfitage) a permis de déterminer leurs impacts sur la capacité antioxydante des vins mais également sur les marqueurs moléculaires associés. Il apparait ainsi une augmentation significative de la capacité antioxydante des vins au cours de l’élevage. De plus, cette augmentation de la capacité antioxydante est associée à une consommation de peptides en début d’élevage, ainsi qu’à l’apparition de nouveaux composés dans les vins et ce indépendamment du millésime. Les composés qui apparaissent semblent être majoritairement des composés phénoliques provenant potentiellement du bois ou de l’autolyse des levures. Les vins issus de moûts protégés par l’ajout précoce de sulfites ont une capacité antioxydante plus élevée par rapport aux vins issus de moûts hyperoxygénés. De plus, la protection du moût à un impact important sur la composante moléculaire soufrée retrouvée dans les vins. Ainsi, il a été observé une quantité beaucoup plus faible de composés soufrés (peptides ou non) dans les vins issus de moûts hyperoxygénés montrant donc une consommation de ces composés dans les mécanismes d’oxydation du vin. En résumé, ces résultats révèlent pour la première fois l’importance des composés soufrés dans les mécanismes de protection des vins blancs de Bourgogne vis-à-vis de l’oxydation, par leur capacité de piégeur de radicaux mais également de piégeur de quinones. / In order to understand and control the aging of wines, particularly white wines, it is necessary to deepen our knowledge about the physico-chemical mechanisms of oxidation related to oxygenation processes. For this, it is important to have tools to quantify the antioxidant capacity of white wines, and to identify the compoiunds involved, in order to anticipate the aging ability of a wine.In this study, analyzes of the antioxidant capacity by DPPH and Electron Paramagnetic Resonance (EPR) were carried out on a large number of wines during aging and from several vintages, in parallel with metabolomic analyzes, mainly carried out by Liquid Chromatography Coupled to Mass Spectrometry (UPLC-Q-TOF-MS) but also by Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry (FT-ICR-MS).Optimization of the DPPH method for the analysis of white wines, showed a high reactivity of sulfur compounds with similar antioxidant capacities to those of phenolic compounds. The comparison of this optimized method with the laboratory reference method (EPR) on more than 106 wines, showed the complementarity of the information provided by these two different methods of measuring an antioxidant capacity.Combining antioxidant capacity measurements and metabolomic analyzes, it was possible to determine a list of molecular markers related to the antioxidant capacity of white wines. During this study, a focus on nucleophilic compounds present in wines has also been realized, these compounds being able to react with the quinones formed during oxidation and thus to play a role in the oxidation mechanisms of white wines. Besides sulfur compounds, we showed that several peptides with antioxidant properties could exhibit such nucleophilic behavior. In a second step, the study of different oenological practices (aging, hyperoxygenation or adding SO2 to must) allowed to determine their impacts on the antioxidant capacity of wines but also on the associated molecular markers. It thus appears a significant increase in the antioxidant capacity of the wines during aging. In addition, this increase in antioxidant capacity is associated with a consumption of peptides at the beginning of aging, but also with the appearance of compounds in wines, regardless of the vintage. The compounds that appear are potentially phenolic compounds which can come from wood or lees autolysis. Wines from protected musts with sulfites addition, have a higher antioxidant capacity compared to wines from hyperoxygenated musts. In addition, the protection of musts has a significant impact on the sulfur component found in wines. Thus, a much smaller amount of sulfur compounds (peptides or not) has been observed in wines derived from hyperoxygenated musts, showing a consumption of these compounds in the oxidation mechanisms. Overall, these results reveal for the first time the importance of sulfur compounds in the mechanisms of protection of white wines from Burgundy against oxidation, by radical scavenging capacity and quinone trapping.

Le colza est une culture oléagineuse très exigeante en intrants azotés associée à une faible efficience d’usage de l’azote (EUA). Le défi majeur vise à améliorer le bilan agroenvironnemental du colza par une optimisation de l’EUA, notamment en condition où l’azote est limitant dans le sol. L’EUA est limitée par une faible efficience de remobilisation de l’azote (ERA) lors de la sénescence des feuilles. L’objectif de ce travail de thèse a consisté à rechercher, chez le colza, la topologie et l’orientation des attributs métaboliques associées à l’ERA pendant la sénescence foliaire.Les résultats montrent que le métabolome des feuilles évolue tout au long de leur développement végétatif, de leur croissance à leur chute. Il est spécifique à chaque étage foliaire et traduit des relations trophiques et environnementales particulières liées au positionnement des feuilles dans le couvert végétal. Ces spécificités sont associées à des variations de teneurs en glucides, d’acides aminés,de glucosinolates et de coumarines en lien étroit avec la régulation phytohormonale du développement foliaire et avec leur translocation dans le phloème. Le cas de la Proline a été plus particulièrement approfondi et l’activation de son catabolisme sous régulation circadienne dans les tissus sénescents a été mise en évidence. Une approche combinée de transcriptomique et de métabolomique a permis de démontrer une variabilité génotypique importante dans les processus de dégradation et de transport des protéines, glucides et acides aminés entre deux génotypes à forte ERA. De la même manière, des relati / Oilseed rape is a very demanding oleaginous crop for nitrogen inputs associated with a low nitrogen use efficiency (NUE). The main challenge to improve the agri-environmental balance of oilseed rape is to optimize the NUE, especially under nitrogen deprivation. The NUE is limited by a low nitrogen remobilization efficiency (NRE) during leaf senescence. The aim of this thesis was to define the metabolome topology and orientation associated with NRE during leaf senescence in oilseed rape.The results show that leaf metabolome dynamically evolves throughout their vegetative growth, until their fall. Metabolome was found specific to each leaf rank, reflecting the trophic and environmental relationships related to the leaf positioning in the canopy. These specificities are associated with variations in carbohydrates, amino acids, glucosinolates and coumarins contents in close connection with the phytohormonal regulation of leaf development and with their translocation in the phloem.In particular, the activation of Proline circadian-controlled catabolism in senescent tissues was demonstrated. Finally, significant variations in the degradation and transport of proteins, carbohydrates and amino acids between two highly efficient NRE genotypes were highlighted using a combined transcriptomic and metabolomic approach. Similarly, a close relationship has been described between the genes expression levels and the metabolic content involved to increase NRE under low nitrogen input.The results are discussed regarding nitrogen remobilization improvement and more generally nutrients i

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Cette thèse présente une approche multicompartimentée en métabolomique appliquée au diagnostic des tumeurs indéterminées de la thyroïde et à la caractérisation de l’effet du fructo-oligosaccharide sous condition de régime hyperlipidique chez la souris. L’objectif était de montrer qu’une telle approche permettrait de visualiser de façon plus globale des modulations du métabolisme induites, et par conséquent, d’améliorer la pertinence des marqueurs discriminants identifiés. Dans le cas de l'analyse nutritionnelle, l’analyse mono-compartimentée des différentes organes/segments intestinaux des souris ont permis de mettre en évidence les voies métaboliques affectées par le régime hyperlipidique mais pas d’observer un effet significatif du prébiotique FOS. Dans le cas du cancer de la thyroïde, l’étude multicompartimentée n’a pas pu être mise en place dans de bonnes conditions (problème de prélèvement d’échantillons). Cependant, l’analyse métabolomique monocompartimentée basée sur l’analyse HR-MAS des ponctions prélevées à l’aiguille fine a mené à une discrimination significative entre les lésions bénignes et malignes avec une prédictivité similaire aux tests moléculaires actuellement disponibles. En parallèle, nous avons exploré la technique HR-MAS à rotation lente dans le but de préserver l’intégrité des tissus au cours des expériences. L’utilisation de cette technique s’accompagne d’un certain nombre d’inconvénients que nous avons contournés en utilisant des séquences RMN particulières, et en mettant en place un protocole robuste de préparation d’échantillons. Enfin, nous avons évalué le filtre T1ρ et son application en métabolomique comme alternative au filtre T2. / This thesis presents a multicompartmental metabolomics approach applied to the diagnosis of indeterminate thyroid tumours and to the characterization of the effect of fructo-oligosaccharide (FOS), a prebiotic, under high fat diet condition in a mouse model. The aim of this project is to show that such approach could lead to a more global visualization of the induced metabolic modulations, and therefore, improve the identified discriminant markers relevance. Regarding the diet study, the mono-compartmental analysis of the different mouse organs/intestine segments enabled us to identify metabolic pathways affected by the high fat diet whereas the effect of FOS could only be characterized for the feces samples collected at day 28. Regarding the thyroid cancer study, the multi-compartmental approach could not have been continued due to sample handling issues. However, the classical metabolomics analysis of the fine-needle aspiration biopsies (FNAB) from patients with benign or malignant tumours led to a clear discrimination between both groups with a predictivity similar to that of commercial diagnosis tests. In the meantime, we explored the slow-spinning NMR HR-MAS technique in order to preserve the integrity of the tissues during the experiments. The use of this technique is accompanied by a number of drawbacks that we have avoided using special NMR sequences, and putting in place a robust protocol for sample preparation. Finally, we evaluated the T1ρ filter and its applications to metabolomics as an alternative to T2 filter.

Au cours des dernières années, de nombreuses études ont porté sur les relations entre le microbiote intestinal et l'obésité. Des groupes bactériens ont été incriminés et des hypothèses proposées mais les mécanismes liant microbiote et obésité restent en grande partie inconnus. Le microbiote intestinal est constitué de plusieurs centaines d’espèces et est spécifique de chaque individu. Récemment, il a été révélé l’implication potentielle de ce microbiote dans le développement de l’obésité. Lors d’une étude précédente, notre équipe a ainsi montré que les souris sans germes (dites « axéniques ») sont résistantes à l’obésité et aux désordres métaboliques induits par un régime hypercalorique (Roy et al. 2012). Par ailleurs, nous avons observé que certaines souris conventionnelles soumises à un tel régime développent une obésité et une insulinorésistance importantes (phénotype dit répondeur) tandis que d'autres restent minces et tolérantes au glucose (phénotype dit non répondeur) indépendamment de la quantité de nourriture consommée. Les mécanismes expliquant cette hétérogénéité de phénotype sont actuellement peu connus. Ce projet de thèse vise donc à élucider les mécanismes liant le microbiote intestinal au développement de l'obésité et des désordres associés en partant du principe que l'hétérogénéité (en termes de composition et de fonctions) du microbiote intestinal, spécifique de chaque individu (aussi bien chez l'homme que chez le rongeur), joue un rôle dans ces réponses différentes à un même régime hypercalorique. Pour ce faire, des souris conventionnelles ont reçu un régime contrôle ou un régime hyperlipidique pendant 12 semaines. A l’issu de ce régime, des souris ont été sélectionnées en tant que répondeuses ou non-répondeuses Une approche par métagénomique à partir d’échantillons fécaux prélevés avant et après régime hyperlipidique et issus des souris répondeuses et non-répondeuses ont été analysés. Les profils de microbiotes avant et après régime hyperlipidique ont été comparés afin de déterminer les effets de ce régime sur le microbiote intestinal. De plus, le profil du microbiote des souris répondeuses a été comparé à celui des souris non-répondeuses afin de détecter des espèces bactériennes, des gènes ou des voies métaboliques sous- ou sur-représentés dans les deux phénotypes. Par ailleurs, des échantillons de fèces, d’urine et de plasma prélevés avant et après le régime hyperlipidique ont été analysés par métabolomique et nous avons ainsi analysé les fluctuations métaboliques induites par l’effet du régime. L’ensemble de ces travaux a eu pour but d’identifier s’il existe un microbiote de prédisposition au développement ou à la résistance du développement d’une obésité induite. Au cours de ce projet de thèse nous avons utilisé l’approche de métagénomique à partir d’échantillon fécaux afin d’identifier les profils du microbiote intestinal des souris NR et des souris R avant et après régime hyperlipidique en vue de mesurer l’impact de ce type de régime sur le microbiote, et surtout de détecter les espèces bactériennes, les gènes ou les voies métaboliques potentiellement sous- ou sur-représentés dans les deux phénotypes. D’autre part, l’approche de métabolomique a été utilisée sur des échantillons d’urine, de fèces et de plasma avant et après régime afin de visualiser les fluctuations métaboliques induites par l’effet du régime d’une part et d’identifier les métabolites (biomarqueurs) associés à chacun des phénotypes d’autre part. / In recent years, numerous studies have examined the relationship between the gut microbiota and obesity. Bacterial groups have been incriminated but the mechanisms linking microbiota and obesity remain largely unknown. Intestinal microbiota consists of several hundred species and is specific for each individual. Recently, it was revealed that the potential contribution of microbiota in the development of obesity. In a previous study, our team has shown that mice without germs (called "germ-free") are resistant to obesity and metabolic disorders induced by a high calorie diet (Roy et al. 2012). Furthermore, we observed that certain conventional mice subjected to such a plan develop an important obesity and insulin resistance (responder phenotype) while others remain thin and glucose tolerant (non responder phenotype) regardless of the amount of food consumed. The mechanisms explaining this phenotype heterogeneity are currently poorly known. This PhD project aims to elucidate the mechanisms linking the intestinal microbiota in the development of obesity and disorders associated with the assumption that heterogeneity (in terms of composition and functions) of the intestinal microbiota, specific for each individual ( both in humans than in rodents), plays a role in these different responses to the same high-fat diet. To do this, conventional mice received control diet or a high fat diet for 12 weeks. At the end of this diet, mice were selected as a responder or non-responder A metagenomics approach from fecal samples taken before and after high fat diet and from responder and non-responder mice were analyzed. Microbiota profiles before and after fat diet were compared to determine the effects of this diet on the intestinal microbiota. In addition, the profile of the microbiota of responder mice was compared to that of non-responder mice in order to detect bacterial species, genes or pathways under- or over-represented in both phenotypes. Furthermore, samples of feces, urine and plasma collected before and after fat diet were analyzed by metabolomics and we have analyzed the metabolic changes induced by the effect of diet. All of this work has been aimed to identify if there is a predisposition microbiota to the development or the resistance of induced obesity. In this PhD project we used the metagenomic approach from fecal sample to identify the profiles of the intestinal microbiota in mice NR and R mice before and after fat diet in order to measure the impact of this type of diet on the microbiota, and especially to detect bacterial species, genes or metabolic pathways potentially under- or over-represented in both phenotypes. On the other hand, the approach of metabolomics has been used on samples of urine, feces and plasma before and after diet in order to visualize the metabolic changes induced by the effect of diet on the one hand and to identify metabolites (biomarkers) associated with each other hand phenotypes.

Les travaux exposés dans cette thèse sont le reflet d'années d'efforts consacrées à la mise en place de diagnostics de qualités des hépatites virales au Laos au sein du Centre d'infectiologie Lao Christophe Mérieux (CILM), dont je suis aujourd'hui la directrice scientifique. En introduction, nous avons tenu à présenter les caractéristiques socio-économiques du Laos et ses défis sanitaires pour atteindre les Millennium Development Goals, qui guident les politiques publiques de pays en situation de développement. Nous avons jugé important de souligner ces points tout comme la présentation du CILM pour faire comprendre au lecteur le contexte de réalisation de ce travail. C'est grâce à une bio-banque riche de plus de 7,000 échantillons biologiques de patients infectés par les virus des hépatites virales B et C, que nous avons pu poser la question de recherche clé de cette thèse : Comment évoluent les hépatites virales chez les patients reçus depuis une dizaine d'années au CILM ? Cette question en a fait émerger une deuxième concernant la qualité du diagnostic dans les centres de soins à Vientiane. Ainsi, nous nous sommes intéressés aux kits de diagnostic rapide de l'hépatite B utilisés dans les structures de soins de Vientiane, comparés au standard utilisé dans notre laboratoire. Ces travaux, qui ont donné lieu à la publication de 2 articles (un troisième article a été soumis), jouent un rôle capital pour le pays, car ils donnent des axes d'intervention aux autorités de santé publique laotiennes pour combattre ce fléau. Nous avons choisi une présentation dichotomique des hépatites virales avec une partie dédiée aux hépatites B et une partie dédiée à l'hépatite C en raison de l'émergence d'une troisième question de recherche plus fondamentale. Il s'agit du risque de développement du cancer du foie chez les patients infectés, risque différent suivant que l'on est porteur d'une hépatite B ou d'une C. En effet, les outils diagnostiques pour déterminer la magnitude de ce risque sont peu ou pas accessibles pour les patients au Laos. [...] / The work presented in this thesis reflects many years of effort to devoted the implementation of quality diagnostics of viral hepatitis in Laos at the Centre d'infectiologie Lao Christophe Mérieux (CILM), of which I am now the scientific director. In the introduction, we wanted to present the socio-economic characteristics of Laos and its health challenges in order to achieve the Millennium Development Goals (MDG), which guide public policies in developing countries. We felt it was important to highlight these points as well as the presentation of the CILM to help the readers to understand the context in which this work was carried out. It is thanks to a bio-bank with more than 7,000 biological samples from patients infected with viral hepatitis B and C viruses, that we were able to ask the key research question of this thesis: What is the evolution of patients infected by viral hepatitis B/C who have been follow the viral load at CILM for the past ten years or so? This question raised a second one concerning the quality of diagnosis in health centres in Vientiane. For example, we were interested in the rapid diagnostic kits for hepatitis B used in Vientiane's health facilities, compared to the standard used in our laboratory. This work, which has resulted in the publication of 2 articles (a third article has been submitted), plays a crucial role for the country, as it provides Laotian public health authorities with a focus for action to combat this scourge.

<p>   </p> <p>Ambient Mass Spectrometry Imaging (MSI) is a powerful analytical tool in biomedical research that enables simultaneous label-free spatial mapping of hundreds of molecules in biological samples under native conditions. Nanospray desorption electrospray ionization (nano-DESI) is an emergent ambient MSI technique developed in 2010 that uses localized liquid extraction of molecules directly from surfaces. Like other liquid-extraction based techniques, nano-DESI relies on gentle removal of molecules from surfaces and soft ionization. High sensitivity and spatial resolution, versatility of the solvent composition, which may be used to tailor the extraction and ionization of selected molecules, quantification capabilities at the single-pixel level as well as compensation for matrix effects by adding a known standard to the solvent, and online derivatization are key features of nano-DESI MSI that position it as a unique analytical tool for studying biological systems. </p> <p>Despite the advantages that nano-DESI provides, there are still challenges associated with the structural characterization, extraction, and detection of certain molecular classes. Therefore, my dissertation research has focused on addressing these analytical challenges by developing innovative approaches that substantially enhance the performance of the nano-DESI technique in the study of complex biological systems. </p> <p>In this thesis, a systematic study of the solvent composition is carried out to aid in the detection of neutral lipids such as triglycerides thereby expanding the molecular coverage of nano-DESI experiments. Taking advantage of the versatility of the solvent composition, I developed an approach for the online derivatization of unsaturated lipids into lipid hydroperoxides using the reaction of singlet oxygen with C=C bonds. This method further expands the specificity of nano-DESI MSI by enabling the detection and imaging of positional lipid isomers. To aid in the analysis of complex mixtures and provide additional structural information in the form of collision cross sections, coupling of nano-DESI with a drift-tube ion mobility spectrometry is also reported along with examples of the powerful capabilities of this platform. Lastly, nano-DESI MSI is used to address the complexity in the analysis of individual skeletal muscle fibers. This collaborative project involves the development of a robust image registration approach of immunofluorescence imaging and high-spatial resolution nano-DESI MSI to obtain accurate chemical maps specific to each fiber type. The developments described in this thesis are key to understanding the dynamic metabolic processes on a molecular level with an unprecedented specificity and sensitivity.</p> <p>  </p>