代謝組學(xué)技術(shù)在植物次生代謝產(chǎn)物研究中的應(yīng)用

曹小漢毛惠敏任莉萍

(1.阜陽師范大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽 阜陽 236037;2.阜陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，安徽 阜陽 236065)

次生代謝物是植物次生代謝過程中產(chǎn)生的一類有機(jī)小分子化合物。次生代謝物含量的積累對于糧食作物、中藥材質(zhì)量評估起到非常重要的作用。同時在植物受到脅迫時次生代謝產(chǎn)物也發(fā)揮著作用。研究人員對于次生代謝產(chǎn)物產(chǎn)生的途徑，哪種次生產(chǎn)物在發(fā)揮著作用以及發(fā)揮何種作用仍然不清楚。于是在基因組學(xué)技術(shù)和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)之后，作為專門研究代謝物的代謝組學(xué)技術(shù)被研究人員廣泛關(guān)注。研究者通過代謝組學(xué)技術(shù)找到次生代謝物的代謝途徑、代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控、目標(biāo)差異代謝物，并將其應(yīng)用于疾病診斷、藥物研發(fā)、獲得抗病植株、獲得豐產(chǎn)的農(nóng)作物等方面。直至目前，代謝組學(xué)的研究在國內(nèi)外仍然很活躍。

1 代謝組學(xué)技術(shù)及研究流程

代謝組學(xué)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于次生代謝物定量定性分析、積累模式分析及其功能研究、基因功能分析、尋找代謝途徑等方面的研究，是生物學(xué)研究的主要方向[1]。代謝組學(xué)技術(shù)是對小于1000Da小分子的物質(zhì)進(jìn)行整體全面的定性和定量的分析。由于代謝產(chǎn)物是生物體經(jīng)過復(fù)制、轉(zhuǎn)錄以及蛋白質(zhì)的表達(dá)所產(chǎn)生的最終的產(chǎn)物，也是生物體表型的物質(zhì)基礎(chǔ)，代謝產(chǎn)物的含量以及變化會更加直觀地體現(xiàn)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平和蛋白質(zhì)水平的表達(dá)情況，因此代謝物的種類和含量的變化是解釋植物出現(xiàn)差異原因的依據(jù)[2，3]。近幾年，代謝組學(xué)在研究植物抗病性、優(yōu)良品種培育上發(fā)揮著越來越重要的作用，其主要通過偏最小二乘法判別分析(PLS-DA)、主成分分析法(PCA)、單變量分析(UVA)等數(shù)據(jù)分析和處理方法進(jìn)行定性定量研究[4]。

代謝組學(xué)技術(shù)操作步驟分為5步：樣品提取、樣品預(yù)處理、運(yùn)用分析手段檢測樣品獲得原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、闡釋生物體發(fā)生的現(xiàn)象。研究者需要嚴(yán)格地控制外部條件下采集植物的樣本，從而減少樣品之間的誤差。樣本的預(yù)處理是經(jīng)過處理后采集的樣本可以被儀器所分析，并將處理過的樣本送往合適的分析平臺。分析數(shù)據(jù)的技術(shù)手段有色譜(HPLC，GC)、核磁共振(NMR)、質(zhì)譜(MS)、以核磁共振(NMR)技術(shù)。樣本分析結(jié)束之后會獲得大量的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。找到特征代謝物后，為了理解其生理功能，要分析代謝物代謝途徑分析，并找到與代謝相關(guān)的基因和蛋白，為接下來的代謝物生理功能的解釋供給了充裕的原始材料[5]。

2 次生代謝產(chǎn)物及其分類

初生代謝是次生代謝的基礎(chǔ)，次生代謝是初生代謝的發(fā)展和補(bǔ)充，次生代謝物的產(chǎn)生是植物對不良環(huán)境的一種適應(yīng)性，參與植物的營養(yǎng)生長和生殖生長以及抵擋不利環(huán)境對植物的破環(huán)，在逆境中一般會開啟20條次生代謝途徑，在植物的生命活動中起著十分重要的作用。次生代謝產(chǎn)物具有多樣性，根據(jù)次生代謝產(chǎn)物性質(zhì)的差異性科學(xué)家們將其分為7大類。另外又根據(jù)次生代謝產(chǎn)物的生源途徑分為酚類化合物、萜類化合物、含氮化合物等3大類。

2.1 酚類化合物

酚類化合物大致可以分為黃酮類、簡單酚類和醌類等，酚類化合物是芳烴的含羥基衍生物酚類，具有特殊的芳香氣味。因此，酚類化合物具有芳香味道。簡單酚類分布于植物各種器官、組織中，對植物的抗病起著十分重要的作用。醌類化合物具有抗炎、抗腫瘤等功能，如決明子、何首烏、紫草。

2.2 萜類化合物

萜類化合物是天然植物中最多的一類化合物，大約有2萬多種。萜類有單萜，倍半萜，雙萜，三萜，四萜和多萜之分。如青蒿(Artemisia carvifolia)中分離出來青蒿素就是一種倍半萜化合物，具有提高機(jī)體細(xì)胞的免疫功能、解熱鎮(zhèn)痛、抗瘧性、抗癌等功能；紅豆杉(Taxuschinensis)中提取的紫杉醇是一種二萜化合物，具有治療乳腺癌、肺癌、卵巢癌等實體腫瘤，是一種抗腫瘤的藥物；夏枯草里面提取出來的烏蘇酸是一種三萜化合物，具有抗癌、溶血、抗炎抗菌等功能。

2.3 含氮有機(jī)物

大多數(shù)含氮次級產(chǎn)物都是從普通的氨基酸中合成的。主要的含氮次級產(chǎn)物有生物堿、含氰苷、芥子油苷和非蛋白氨基酸等，其中最大的一類是生物堿，主要分布于草本雙子葉植物中，如嗎啡、麻黃堿、奎寧等。含氮有機(jī)物可分為真生物堿、原生物堿和偽生物堿。研究發(fā)現(xiàn)哌嗪類、吲哚類、吡啶類等生物堿都具有抗癌、抗病原菌作用[6]。

2.4 其它種類

除了上述的主要3大類外，植物還產(chǎn)生多炔類、有機(jī)酸等次生代謝物，多炔類化合物廣泛應(yīng)用于化合物的合成。有機(jī)酸不僅可以參加植物的光合作用和呼吸作用,還可以作為代謝活性溶質(zhì)，調(diào)節(jié)滲透壓，平衡過多的陽離子。

3 代謝組技術(shù)在次生代謝產(chǎn)物研究中的應(yīng)用

在過去的研究中，測序和分析技術(shù)的發(fā)展使得分子生物學(xué)發(fā)展起來。代謝組學(xué)來研究植物生長、發(fā)育和內(nèi)外界環(huán)境刺激下形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)次生代謝產(chǎn)物在不同領(lǐng)域的作用。

3.1 基于代謝組學(xué)的次生代謝產(chǎn)物的基因功能分析

利用代謝組學(xué)方法檢測次生代謝物的種類和含量變化則可以判斷植物在基因表達(dá)水平的細(xì)微變化，從而推斷基因的表達(dá)與相關(guān)代謝途徑的關(guān)系。在傳統(tǒng)的功能分析中只能通過觀察植物表型是否發(fā)生變化來推測基因水平的變化，但對于表型沒有變化的則很難去判斷，如在擬南芥中，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的突變體的表型都沒有發(fā)生變化，因此很難通過表型變化來判斷基因表達(dá)情況[7]。但是通過代謝組學(xué)方法進(jìn)行基因功能分析更加容易觀察。

3.2 基于代謝組學(xué)的代謝途徑及代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的研究

次生代謝物種類比初生代謝物要更加的豐富，因此次生代謝物的合成代謝途徑遠(yuǎn)比初生代謝途徑的要復(fù)雜多。目前一些次生代謝產(chǎn)物的代謝網(wǎng)絡(luò)途徑已經(jīng)明了。以磷酸戊糖途徑的中間產(chǎn)物4-磷酸赤蘚糖(E4P)和糖酵解的中間產(chǎn)物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)為起始物。起始物經(jīng)過化合反應(yīng)后又經(jīng)過幾步反應(yīng)生成莽草酸,莽草酸經(jīng)磷酸化形成5-磷酸莽草酸后，再與PEP反應(yīng)，以后生成分支酸;分支酸合成預(yù)苯酸，由預(yù)苯酸可生成苯丙氨酸和酪氨酸。苯丙氨酸在苯丙氨酸解氨酶(PAL)催化下脫氨形成肉桂酸，經(jīng)香豆酸、阿魏酸、芥子酸等酚類酸的中間產(chǎn)物，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化黃酮類、丹寧類、花色苷類多酚類物質(zhì)。

3.3 基于代謝組學(xué)技術(shù)的次生代謝產(chǎn)物功能解析

次生代謝物雖然在維持植物正常的生命活動上并不是很重要，但在環(huán)境脅迫下發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。植物在環(huán)境脅迫下產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物不僅廣泛參與植物的生長、發(fā)育和防御等生理過程，還為植物抗病、培育優(yōu)良種子、醫(yī)藥的開發(fā)、植物的抗性等方面提供幫助，如紫杉醇，可以作為治療晚期卵巢癌的藥物。木質(zhì)素是一種位于纖維素纖維之間的復(fù)雜有機(jī)聚合物，除了起到抗壓作用外，在細(xì)胞壁的形成過程中也十分重要。經(jīng)過近幾十年的研究，目前已在植物次生代謝產(chǎn)物的生物學(xué)功能的探索中取得了很多進(jìn)展。

3.4 代謝組學(xué)技術(shù)在次生代謝產(chǎn)物中的應(yīng)用

在次生代謝產(chǎn)物的定量定性分析、基因功能分析、代謝途徑及其代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的研究、次生代謝物功能解析的研究中，代謝組學(xué)技術(shù)使得紫杉醇、酚類化合物、花青素等次生代謝產(chǎn)物在植物鑒定、抗病、育種、醫(yī)學(xué)、藥品開發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過代謝組學(xué)技術(shù)分析植物在適應(yīng)環(huán)境的過程中產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物，并對這些次生代謝產(chǎn)物的變化特征進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)植物自身的變化與代謝物之間存在著一定的關(guān)系，這樣就可以尋找到一系列抗病相關(guān)代謝物，這些抗病相關(guān)代謝物在植物抗性鑒定和植物抗病機(jī)制研究方面提供幫助。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，代謝組學(xué)和遺傳學(xué)相結(jié)合可獲得抗性品種，為接下來的抗病育種提供了非常好的材料[8]。研究人員想要利用代謝物作為評判農(nóng)業(yè)產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量優(yōu)劣的指標(biāo)，于是通過代謝組學(xué)技術(shù)篩出與產(chǎn)量提高、品質(zhì)優(yōu)良相關(guān)的標(biāo)志性代謝物，這些生物標(biāo)記物可以作為育種材料的篩選的指示物，從而加快了優(yōu)良育種。通過對小麥不同抗性品種進(jìn)行代謝組學(xué)分析，在實際的生產(chǎn)過程中已經(jīng)利用與抗病性相關(guān)的標(biāo)志代謝物獲得具有抗病性的植株[7]。我國中藥材資源豐富，品種繁多，由于不同地區(qū)溫度，氣候，雨水等環(huán)境因素的影響，品種之間具有差異性，中藥材質(zhì)量等級的劃分與化學(xué)成分有著直接的關(guān)系，中藥成分的復(fù)雜性是對其進(jìn)行評價的難點，而代謝組學(xué)技術(shù)依靠其高通量等技術(shù)分析特點可以對中藥材品種進(jìn)行鑒定以及評估中藥材的質(zhì)量。通過代謝組學(xué)技術(shù)，檢查并測定中藥材在一切非本體刺激下機(jī)體代謝網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)分泌的變化、藥物經(jīng)過修制、火制等方式的炮制后機(jī)體前后代謝途徑和網(wǎng)絡(luò)的改變，發(fā)現(xiàn)了中藥炮制后生物堿類、有機(jī)酸、油脂、無機(jī)鹽等成分的變化，為其在藥用植物的應(yīng)用研究中提供參考[9]。

4 結(jié)語

已知的植物次級代謝產(chǎn)物數(shù)量豐富，具有多樣性，約有20～100萬種，這些次級代謝產(chǎn)物在不同的領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。研究者借用代謝組學(xué)技術(shù)對通過生物體內(nèi)的代謝物進(jìn)行定量分析，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和處理方法以及不同的數(shù)據(jù)處理平臺，整體上對次生代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析，以利于闡明次生代謝途徑和代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制，進(jìn)而拓展在抗病育種、預(yù)防醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。但是由于次級代謝物種類繁多，數(shù)據(jù)庫的缺乏，特別是待分析工具及方法方面與其它組學(xué)相比存在著無法逾越的鴻溝；現(xiàn)在還有大量植物的次生代謝途徑以及調(diào)控機(jī)制還沒有被找到，因此，擴(kuò)大代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫覆蓋范圍，建立更加詳細(xì)、完整的數(shù)據(jù)庫是舉足輕重的。在此之前要開發(fā)出前沿性的數(shù)據(jù)分析的方式從而使獲取數(shù)據(jù)資料更加龐大，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性更高；要深度解析獲得的數(shù)據(jù)提高數(shù)據(jù)處理和計算的效率，從而達(dá)到對代謝途徑具有完整的認(rèn)識的程度[9]。代謝組學(xué)技術(shù)在研究次生代謝產(chǎn)物的應(yīng)用中是一項非常重要的新型技術(shù)，我們迫切地希望今后能夠?qū)⒋x組學(xué)與基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等組學(xué)技術(shù)相結(jié)合繼續(xù)開發(fā)次生代謝產(chǎn)物與次生代謝途徑在生物、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等方面的價值。