代謝組學及其在農作物研究中的應用

張曉磊，張瑞英

黑龍江省農業科學院 農產品質量安全研究所，農業部農產品質量安全風險評估實驗室（哈爾濱），黑龍江 哈爾濱 150086

農業是人類賴以生存的基礎，提高農作物品質及確保農產品安全是農業發展的關鍵問題。但全球范圍的農業發展均面臨著各種脅迫因素的限制，因此，如何運用科學手段解決農業發展面臨的難題是重中之重的工作。雖然基因組學、轉錄組學和蛋白質組學在植物脅迫及轉基因研究中取得一定進展，但基因與功能的關系是非常復雜的，生物體內還存在著十分完備和精細的調控系統以及復雜的物質與能量代謝網絡。代謝物作為機體終端產生或消耗的物質、生命活動調控的末端，能更直觀地反映機體的變化與狀態，代謝物水平是生物體對環境變化和遺傳修飾的終端響應，而基因組、轉錄組和蛋白質組的研究很難涵蓋這些重要的生命活性物質[1]。在這種情況下，代謝組學應運而生。

代謝組學是通過檢測生物體（細胞、組織或生物體）受外界刺激或干擾（如環境變化或基因修飾）后，其代謝產物種類和水平的變化來研究生物體系的一門科學[2-3]，主要針對相對分子質量小于1000的內源性小分子物質。植物代謝組學是代謝組學的重要分支，主要研究不同物種、不同基因類型或生態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物的相應變化，包括種類、數量上的改變及其變化規律，進而發現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控機制，尋找代謝物與生理或病理變化的相對關系[4-5]。

鑒于代謝組學的獨特優勢，其在農作物研究中的重要性也越來越獲得重視。通過代謝組學技術，得到農作物與環境變化之間的關系，這將對農業生產、農作物種植預警起到不可忽視的作用，在農業研究中有著十分廣闊的應用前景。

1 代謝組學在農作物非生物脅迫中的應用

1.1 氮磷鉀失衡脅迫

氮磷鉀是植物生長發育的必需元素，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，往往導致農作物面臨營養元素失衡，其體內代謝物也發生相應變化。Schlüter等[6]發現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增加，同時亦導致磷酸鹽的積累，且顯著下調磷脅迫相關基因的表達。同時，其團隊還分析了低磷脅迫下玉米葉片的代謝組[7]，發現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果，說明這2種脅迫可能引起不同的代謝反應途徑。曾建斌等[8]利用氣相色譜-質譜（GC-MS）聯用技術，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低鉀脅迫中起關鍵作用。這些結果有助于理解和掌握作物響應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業生產上主要的逆境危害，且三者往往會同時出現，對植物的生長發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、脂質代謝、三羧酸循環和多元醇的合成等[9-11]。Sun等[12]應用核磁共振（NMR）技術發現，在干旱、鹽及高溫多重脅迫下，玉米葉片多種代謝物發生顯著變化，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分析。GC-MS結果表明，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

我國大部分地區的農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，影響蛋白質合成，降低光合呼吸作用，使植物萎蔫發黃、畸變甚至死亡，直接影響作物質量和產量。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、胺類物質代謝等[15-16]。Rouphael等[5]通過液相色譜-質譜（LC-MS）聯用技術發現，油麥菜根系中積累的多胺及其偶合物在鋅脅迫響應中起關鍵作用。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]發現鎘、鉛處理的蘿卜體內糖類、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 代謝組學在農作物生物脅迫中的應用

我國農業受病蟲危害嚴重，借助代謝組學技術，我們可以對農作物在病蟲害脅迫下相關代謝產物展開動態監測，挖掘更多更可靠的抗病蟲害相關基因信息。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生顯著變化。Liu等[21]通過代謝組學研究發現次生代謝物在水稻抵御褐飛虱感染中起關鍵作用。

由真菌引起的植物疾病亦是影響農業發展的嚴重因素。代謝組學研究可揭示病原菌不同生長發育過程的代謝信息，探索病原菌侵染植物過程相關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]通過代謝組學技術尋找葡萄響應霜霉病的生物標志物，發現有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、神經酰胺、脯氨酸、糖類、衛素和一些新的標志物。這種通過代謝組學尋找病原侵襲后植物產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，進而對農作物的病原侵害進行預警，對農業發展有著重要的推進作用。

3 代謝組學在轉基因農作物中的應用

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

Gareth等[24]系統比較了轉基因和非轉基因馬鈴薯的代謝組，發現兩者之間的代謝水平并沒有顯著差異，轉基因馬鈴薯和普通馬鈴薯是實質等同的。轉入蔗糖非發酵-1相關蛋白激酶（SnRK1）基因的馬鈴薯，除了相關糖類水平升高外，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。這些結果為轉基因農作物的安全評估開拓了新的技術平臺。

4 植物代謝組學的研究方法

由于代謝組學分析對象的物化性質差異很大，要對它們進行無偏向的全面分析，選擇合適的鑒定技術是代謝組學研究的關鍵。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 氣相色譜和質譜聯用技術

色譜是分離混合物的有效方法，而氣相色譜是最先發展起來的色譜技術[28]，也是代謝組學研究的核心方法之一，適合分析揮發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[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性，否則無揮發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定物質和大分子代謝物。

大學生社團作為高校課堂教育的補充和延伸,因其專業的交叉性、活動的實踐性、組織的社會性而具有實踐和教育的功能,在大學校園里發揮著重要的育人作用，為學生綜合素質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校園文化生活增添了亮麗的風景，而且為大學校園文化建設帶來了勃勃生機與青春活力。要大力支持和正確引導大學生組建社團、加入社團、建設社團，深入組織開展校園文體、學術交流、科技創新、社會服務等各種社會實踐活動，充分調動和發揮學生社團在自我教育、自我管理、自我服務的積極性和主動性，提高大學生的參與意識、動手能力、團隊精神，從而培養大學生的社會責任意識。

4.2 液相色譜和質譜聯用技術

LC-MS可檢測復雜生物樣品中未知的內源與外源代謝物，更適合高沸點、熱穩定性差、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-質譜（HPLCMS）以其高靈敏度和重復性，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的精確質量檢測能力達到5ppm以下，為植物代謝組學的研究提供了更強大的工具[33]。

4.3 核磁共振技術

NMR技術能在不破壞樣品結構的基礎上，準確識別分析物的結構，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用（HPLCNMR）技術是較常用的方法[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 農作物代謝組學的研究展望

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

參考文獻