代謝組學(xué)及其在農(nóng)作物研究中的應(yīng)用

張曉磊，張瑞英

黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室（哈爾濱），黑龍江 哈爾濱 150086

農(nóng)業(yè)是人類賴以生存的基礎(chǔ)，提高農(nóng)作物品質(zhì)及確保農(nóng)產(chǎn)品安全是農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題。但全球范圍的農(nóng)業(yè)發(fā)展均面臨著各種脅迫因素的限制，因此，如何運用科學(xué)手段解決農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的難題是重中之重的工作。雖然基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)在植物脅迫及轉(zhuǎn)基因研究中取得一定進展，但基因與功能的關(guān)系是非常復(fù)雜的，生物體內(nèi)還存在著十分完備和精細的調(diào)控系統(tǒng)以及復(fù)雜的物質(zhì)與能量代謝網(wǎng)絡(luò)。代謝物作為機體終端產(chǎn)生或消耗的物質(zhì)、生命活動調(diào)控的末端，能更直觀地反映機體的變化與狀態(tài)，代謝物水平是生物體對環(huán)境變化和遺傳修飾的終端響應(yīng)，而基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的研究很難涵蓋這些重要的生命活性物質(zhì)[1]。在這種情況下，代謝組學(xué)應(yīng)運而生。

代謝組學(xué)是通過檢測生物體（細胞、組織或生物體）受外界刺激或干擾（如環(huán)境變化或基因修飾）后，其代謝產(chǎn)物種類和水平的變化來研究生物體系的一門科學(xué)[2-3]，主要針對相對分子質(zhì)量小于1000的內(nèi)源性小分子物質(zhì)。植物代謝組學(xué)是代謝組學(xué)的重要分支，主要研究不同物種、不同基因類型或生態(tài)類型的植物在不同生長時期或受到某種刺激前后所有小分子代謝產(chǎn)物的相應(yīng)變化，包括種類、數(shù)量上的改變及其變化規(guī)律，進而發(fā)現(xiàn)一些未知基因或蛋白的功能，從而進一步研究機體在逆境下的調(diào)控機制，尋找代謝物與生理或病理變化的相對關(guān)系[4-5]。

鑒于代謝組學(xué)的獨特優(yōu)勢，其在農(nóng)作物研究中的重要性也越來越獲得重視。通過代謝組學(xué)技術(shù)，得到農(nóng)作物與環(huán)境變化之間的關(guān)系，這將對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)作物種植預(yù)警起到不可忽視的作用，在農(nóng)業(yè)研究中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 代謝組學(xué)在農(nóng)作物非生物脅迫中的應(yīng)用

1.1 氮磷鉀失衡脅迫

氮磷鉀是植物生長發(fā)育的必需元素，但由于土壤資源有限、元素有效利用率低或施肥不均衡等原因，往往導(dǎo)致農(nóng)作物面臨營養(yǎng)元素失衡，其體內(nèi)代謝物也發(fā)生相應(yīng)變化。Schlüter等[6]發(fā)現(xiàn)低氮脅迫處理后玉米葉片淀粉有少量積累，碳水化合物含量相應(yīng)增加，同時亦導(dǎo)致磷酸鹽的積累，且顯著下調(diào)磷脅迫相關(guān)基因的表達。同時，其團隊還分析了低磷脅迫下玉米葉片的代謝組[7]，發(fā)現(xiàn)除硝酸鹽同化作用降低外，低磷脅迫使玉米葉片淀粉含量降低。這種與低氮脅迫相反的結(jié)果，說明這2種脅迫可能引起不同的代謝反應(yīng)途徑。曾建斌等[8]利用氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用技術(shù)，研究了正常供鉀與低鉀脅迫下大麥的代謝組差異，并鑒定出61種代謝物可能在植物響應(yīng)低鉀脅迫中起關(guān)鍵作用。這些結(jié)果有助于理解和掌握作物響應(yīng)氮磷鉀失衡脅迫的機制和機理。

1.2 干旱、溫度及鹽脅迫

土地干旱、鹽害及極端溫度亦是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主要的逆境危害，且三者往往會同時出現(xiàn)，對植物的生長發(fā)育等諸多代謝過程均有著嚴重的影響，包括氨基酸代謝、糖代謝、脂質(zhì)代謝、三羧酸循環(huán)和多元醇的合成等[9-11]。Sun等[12]應(yīng)用核磁共振（NMR）技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在干旱、鹽及高溫多重脅迫下，玉米葉片多種代謝物發(fā)生顯著變化，包括葡萄糖、果糖、蘋果酸鹽、檸檬酸鹽、脯氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺酸及蘇氨酸，且這些變化是時間依賴性的。在低溫脅迫后玉米的代謝組也發(fā)生相似變化[13]。Guo等[14]對玉米幼苗在中性鹽及堿性鹽脅迫下的代謝組變化進行了系統(tǒng)分析。GC-MS結(jié)果表明，堿性鹽使植物糖異生作用改變，同時抑制光合作用、氮代謝、糖酵解、及多種氨基酸的合成。

1.3 重金屬脅迫

我國大部分地區(qū)的農(nóng)作物均有不同程度的重金屬污染。過量的重金屬會抑制或刺激某些酶的活性，影響蛋白質(zhì)合成，降低光合呼吸作用，使植物萎蔫發(fā)黃、畸變甚至死亡，直接影響作物質(zhì)量和產(chǎn)量。這些生理過程涉及多種代謝途徑的變化，包括氨基酸代謝、硫代謝、有機酸代謝、胺類物質(zhì)代謝等[15-16]。Rouphael等[5]通過液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）聯(lián)用技術(shù)發(fā)現(xiàn)，油麥菜根系中積累的多胺及其偶合物在鋅脅迫響應(yīng)中起關(guān)鍵作用。在納米銅脅迫下，黃瓜葉片和根系中氨基酸、抗壞血酸、酚類化合物水平顯著上升，檸檬酸水平下降[17]。Wang等[18]發(fā)現(xiàn)鎘、鉛處理的蘿卜體內(nèi)糖類、氨基酸和有機酸水平顯著改變。在鉛脅迫下，玉米根和莖中分別有20和37種代謝物水平顯著升高，包括多種氨基酸、有機酸和輔酶[19]。

2 代謝組學(xué)在農(nóng)作物生物脅迫中的應(yīng)用

我國農(nóng)業(yè)受病蟲危害嚴重，借助代謝組學(xué)技術(shù)，我們可以對農(nóng)作物在病蟲害脅迫下相關(guān)代謝產(chǎn)物展開動態(tài)監(jiān)測，挖掘更多更可靠的抗病蟲害相關(guān)基因信息。Widarto等[20]比較了菜蛾幼蟲侵害的油菜葉的代謝變化。與對照組相比，其蘇氨酸、丙氨酸、葡萄糖和蔗糖水平均發(fā)生顯著變化。Liu等[21]通過代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)次生代謝物在水稻抵御褐飛虱感染中起關(guān)鍵作用。

由真菌引起的植物疾病亦是影響農(nóng)業(yè)發(fā)展的嚴重因素。代謝組學(xué)研究可揭示病原菌不同生長發(fā)育過程的代謝信息，探索病原菌侵染植物過程相關(guān)的代謝物及代謝途徑等。Rubert等[22]分析了鐮刀菌侵染的小麥代謝組。其研究表明，小麥快速響應(yīng)鐮刀菌侵染的標志為甘油二酯快速被磷酸化為磷脂酸；同時，烷基間苯二酚濃度顯著升高，且磷脂酸水解及13-脂氧化酶信號途徑被激活。Chitarrini等[23]通過代謝組學(xué)技術(shù)尋找葡萄響應(yīng)霜霉病的生物標志物，發(fā)現(xiàn)有53種代謝物在病原菌侵染后有顯著變化，包括不飽和脂肪酸、神經(jīng)酰胺、脯氨酸、糖類、衛(wèi)素和一些新的標志物。這種通過代謝組學(xué)尋找病原侵襲后植物產(chǎn)生的重要生物標志物的方法，為研究病原菌對作物侵害的機理提供了新的途徑，通過對標志物定性或定量檢測，進而對農(nóng)作物的病原侵害進行預(yù)警，對農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重要的推進作用。

3 代謝組學(xué)在轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物中的應(yīng)用

目前，轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物是否會對健康和環(huán)境等產(chǎn)生不良影響還存在爭議，因此，對轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的安全評估是目前科研領(lǐng)域的一項重要課題。雖然“實質(zhì)等同性”是目前普遍公認的評價轉(zhuǎn)基因食品安全性原則，但由轉(zhuǎn)基因產(chǎn)生的非預(yù)期效應(yīng)卻無法衡量。組學(xué)技術(shù)，尤其是代謝組學(xué)，能在生物學(xué)水平上檢測轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物遺傳變化，通過對非轉(zhuǎn)基因和轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物代謝物的比較和鑒別，找出代謝差異物，不僅從系統(tǒng)生物學(xué)的角度分析轉(zhuǎn)基因帶來的本質(zhì)性變化，也能揭示轉(zhuǎn)基因植物的各種非預(yù)期變異效應(yīng)。此方向是目前轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物研究的熱點。

Gareth等[24]系統(tǒng)比較了轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因馬鈴薯的代謝組，發(fā)現(xiàn)兩者之間的代謝水平并沒有顯著差異，轉(zhuǎn)基因馬鈴薯和普通馬鈴薯是實質(zhì)等同的。轉(zhuǎn)入蔗糖非發(fā)酵-1相關(guān)蛋白激酶（SnRK1）基因的馬鈴薯，除了相關(guān)糖類水平升高外，其他代謝物水平并無變化[25]。Hanhineva等[26]分析了轉(zhuǎn)基因草莓的代謝物水平，其肉桂酸鹽、香豆酸鹽、阿魏酸鹽衍生物的含量有所上升，而黃酮醇含量卻下降趨勢。這些結(jié)果為轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的安全評估開拓了新的技術(shù)平臺。

4 植物代謝組學(xué)的研究方法

由于代謝組學(xué)分析對象的物化性質(zhì)差異很大，要對它們進行無偏向的全面分析，選擇合適的鑒定技術(shù)是代謝組學(xué)研究的關(guān)鍵。常見的代謝分析儀器在靈敏度等方面各有特點，依靠單個分析平臺還不能檢測到生物樣品中所有的代謝物，需要綜合使用多種分析檢測方法[27]。

4.1 氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)

色譜是分離混合物的有效方法，而氣相色譜是最先發(fā)展起來的色譜技術(shù)[28]，也是代謝組學(xué)研究的核心方法之一，適合分析揮發(fā)性有機物和親水性代謝物[29]。其中，全二維氣相色譜（GC×GC）是目前最具有高峰容量和高分辨率的氣相色譜技術(shù)[30]。但GC-MS通常需要對樣品進行衍生化處理以增加化合物的揮發(fā)性，否則無揮發(fā)性的代謝物就不能被檢測到。另外，GC-MS也不適合分析熱不穩(wěn)定物質(zhì)和大分子代謝物。

大學(xué)生社團作為高校課堂教育的補充和延伸,因其專業(yè)的交叉性、活動的實踐性、組織的社會性而具有實踐和教育的功能,在大學(xué)校園里發(fā)揮著重要的育人作用，為學(xué)生綜合素質(zhì)的提高提供了廣闊的舞臺。豐富多彩的社團活動不僅為大學(xué)校園文化生活增添了亮麗的風(fēng)景，而且為大學(xué)校園文化建設(shè)帶來了勃勃生機與青春活力。要大力支持和正確引導(dǎo)大學(xué)生組建社團、加入社團、建設(shè)社團，深入組織開展校園文體、學(xué)術(shù)交流、科技創(chuàng)新、社會服務(wù)等各種社會實踐活動，充分調(diào)動和發(fā)揮學(xué)生社團在自我教育、自我管理、自我服務(wù)的積極性和主動性，提高大學(xué)生的參與意識、動手能力、團隊精神，從而培養(yǎng)大學(xué)生的社會責(zé)任意識。

4.2 液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)

LC-MS可檢測復(fù)雜生物樣品中未知的內(nèi)源與外源代謝物，更適合高沸點、熱穩(wěn)定性差、大分子和極性強化合物的分離分析，且不需要對樣品進行衍生化處理。高效液相色譜-質(zhì)譜（HPLCMS）以其高靈敏度和重復(fù)性，已廣泛用于親水性代謝物的代謝組分析[31-32]，而超高效液相色譜-質(zhì)譜（UPLC-MS）更大大提高了分析的速度、靈敏度和分辨率，如UPLC-Q-TOF-MS的精確質(zhì)量檢測能力達到5ppm以下，為植物代謝組學(xué)的研究提供了更強大的工具[33]。

4.3 核磁共振技術(shù)

NMR技術(shù)能在不破壞樣品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，準確識別分析物的結(jié)構(gòu)，適合同時分析大量代謝物，更適合鑒定一般生物組織和液體的代謝物圖譜[34]。其中高效液相色譜和核磁聯(lián)用（HPLCNMR）技術(shù)是較常用的方法[35]，但其主要缺點是靈敏度低，不適合分析低豐度的代謝物。

5 農(nóng)作物代謝組學(xué)的研究展望

目前，盡管代謝組學(xué)在農(nóng)作物響應(yīng)逆境脅迫的研究中取得一些進展，但人們對于植物復(fù)雜的脅迫應(yīng)答代謝機理的認識仍非常有限。應(yīng)用代謝組學(xué)開展更多逆境脅迫下農(nóng)作物應(yīng)答相關(guān)研究，將提高對農(nóng)作物耐受環(huán)境脅迫的分子機理的認識，能促進對農(nóng)作物脅迫應(yīng)答代謝規(guī)律的了解，有利于從整體水平上把握農(nóng)作物脅迫應(yīng)答機制，從而進行作物抗逆性的改良，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，對農(nóng)作物的遺傳多樣性、抗脅迫生理研究有重要的理論研究意義和實際應(yīng)用價值。

參考文獻