植物代谢组学应用研究

各种组学技术在植物系统生物学研究中的相互关系。其中代谢组学主要是通过研究代谢网络中各个要素(如底物,产物,辅酶因子的浓度以及反应速度等)的变化规律,确定影响生物体最终生物学表型的分子构成和调控机制(通过与其他组学数据整合)。

（中国农业科技导报，张凤霞,王国栋）植物中的代谢物超过20 万种(这里是指分子量小于1 000 的化合物),有维持植物生命活动和生长发育所必需的初生代谢物,也有利用初生代谢物生成的与植物抗病和抗逆关系密切的次生代谢物。植物代谢物在不同器官中的组成与植物的各种重要性状直接相关。激素小分子的发现是一个很好的例子,在植物科学史上每一次激素小分子化合物的化学结构和生理功能鉴定都会引领一次学术浪潮, 例如最近独角金内酯的发现。受分析技术条件的限制,植物代谢物先前并没有得到很好的挖掘。因此,植物代谢组学(是指全面的定性定量研究植物体内源性代谢产物)这门以高通量、高灵敏度现代分析仪器为硬件基础、全面的定性定量研究生物体内源性代谢产物变化规律的学科从一开始就受到人们极大的关注。

得益于其高通量和低成本的特点,植物代谢组学的应用也从最初单纯的代谢分析、单一代谢途径描述走向与其他组学技术结合,围绕特定的生物学问题,来共同揭示植物生命活动的奥秘。

作为一个新兴的学科,植物代谢组学是效仿基因组学和蛋白质组学的研究思路,对生物体内所有小分子代谢物进行全面的定性定量分析,并寻找代谢物与植物生理变化的相对关系,确定其生理功能的研究方式, 是系统生物学的组成部分。从分析流程上讲可以分为样品制备、样品分析和海量数据处理等三大部分。

植物次生代谢网络研究：代谢组学在植物次生代谢网络研究中的角色相对直接,主要是因为研究者所关心的就是化合物本身(且通常是代谢途径的终产物)含量变化,所以包括后续的数据关联分析等步骤基本无需考虑辅酶因子、生长环境等因素对终产物生成的影响。

拟南芥和番茄等模式植物都已有高质量的全基因组序列信息和非常完备的各类公共资源, 包括cDNA 全长序列、各种形式的突变体和丰富的Microarray 数据信息,这些都为模式植物基因功能鉴定提供了条件。利用代谢组学和转录组学的整合分析在模式植物未知基因(特别是那些缺失或过量表达并不能引起可见表型变化的基因)的功能鉴定中已经有了很多成功报道。在这一过程中最重要的就是关联分析,其原理是“共犯原则”(Guilt-by-association),也就是说参与同一生物过程中的基因(或代谢物)通常是受同一个调控系统控制的;换而言之,同一生物过程中的基因(或代谢物)的变化规律是相似的。如果你所感兴趣的生物途径中某一步基因其功能已被鉴定,通过对不同组学数据的关联分析可以确定参与该生物途径的其他候选基因。候选基因确定后就可以利用反向遗传学或生化手段进行功能验证。

植物主生代谢网络研究：近年,植物代谢组学也开始应用于主要农作物(如水稻、玉米等)的产量、品质性状等育种研究领域。在常规育种过程中,如何精确定量描述农业性状一直是非常头疼的问题,也是影响常规育种准确度的主要原因,许多科研人员也在尝试利用代谢物(或代谢网络)来定量表征产量、品质等农业性状。农作物的产量、品质性状理论上讲主要还是和植物主生代谢途径网络(包括包括光合作用、糖酵解、三羧酸循环、呼吸途径、氨基酸和脂肪酸代谢等)直接相关。相关研究工作已经表明(通常是对一套重组自交系或渐渗系进行群体分析)产量、品质等性状与所含化合物之间不是简单的一一对应的线性关系(这与次生代谢研究截然不同),而且不同的主生代谢物含量本身就属于数量遗传性状———QTL。

玉米是典型的异交作物,表现极端的近交衰退和杂种优势。玉米育种的优势是拥有丰富的遗传资源,但如何将大量的遗传资源加以鉴定、改良和利用,则是一件十分困难的工作(包括人力或财力的因素)。为此,需要建立杂种优势模型,把育种材料作适当的分群,找出材料之间的规律性关系,这样就可以从总体上提高育种工作的效率。

代谢流组学研究：在研究代谢问题的过程中,基因到代谢物以及代谢物到代谢物的调控都是由调控代谢流的方向和速度来实现的。在这里必须提到代谢流学,代谢流组学是指研究特定的生物中所有代谢网络中化合物流向规律的科学。代谢流并不是一个新的概念,早年被应用于大肠杆菌等体系研究提高代谢工程效率。它是用计量矩阵模型表示拟稳态下胞内反应的一种定量分析方法。

另外一种代谢流分析是通过跟踪稳定同位素在代谢网络中的转移并进行相应的模型计算能有效地定量代谢流量及其变化。Szecowka 等利用代谢组学平台分析了拟南芥莲座叶40 种主生代谢物在13CO2(替代CO2)生长条件下的13C 随时间变化的富集情况,建立了莲座叶光合作用的动态代谢流模型。这为研究者加深对光合作用代谢调控的认识,进而通过工程改造提高植物的光合作用效率奠定了坚实基础。

辅酶因子组学研究：如图所示,在代谢网络的各个变量中,辅酶起了非常重要的作用。辅酶是指一类可以将化学基团从一个酶转移到另一个酶上的有机小分子,与酶较为松散地结合,但对于特定酶的活性发挥却是必要的。有许多维生素(特别是水溶性的B 族维生素)及其衍生物,如核黄素、硫胺素和叶酸,都属于辅酶。

作为生物体必不可少的化学物质,理论上讲辅酶应该在植物的各个细胞中合成、积累;但这并不表示它们在不同的植物组织或器官中的生物合成能力和积累是相同的,所以对辅酶及其中间代谢产物在不同的植物组织中进行全面的分析还是非常必要的。而且植物组织中辅酶的含量很低,通常在0. 1 ~ 20 nmol/ g 鲜重。如何建立高灵敏度、高通量的植物辅酶因子代谢组学分析平台,对植物辅酶因子进行快速、灵敏、准确的定量检测也是植物代谢组学需要迫切回答的问题之一。由于这些辅酶因子都是结构已知的化合物,商业化的标准品也相对容易获得,所以利用液相色谱串联三重四极杆质谱技术来进行定量分析是一个上佳的选择。

在植物代谢组学研究中,对未知化合物的结构解析一直是一个非常重要但也非常棘手的问题。一台能够同时完成对样品的分离、定量定性分析和结构鉴定的仪器一直是从事代谢组学研究人员的梦想。对于化合物结构解析,尽管质谱,特别是高分辨率质谱可以提供非常有用的元素组成和结构信息,在没有相应化学标准品的情况下,能够只依靠质谱就能解出结构的情况少之又少。未知化合物的结构鉴定最终还要依靠NMR 波谱(核磁共振)和IR 光谱(红外光谱)。Lindon 等很早就在尝试将LC、NMR 和MS 联用的可行性并取得了一些突破,尽管现在LC-NMR-MS/ MS 技术在植物代谢组学研究中还只是停留在探索阶段,存在很多的问题,但作为代谢组学中的一个重要改进方向还是很值得期待。