代謝組學(xué)在植物逆境生物學(xué)中的研究進(jìn)展

張鳳 陳偉

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家植物基因研究中心，武漢 430070；2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 武漢 430070）

隨著全球持續(xù)而復(fù)雜的環(huán)境變化，自然界中生物和非生物脅迫頻繁爆發(fā)。一系列的病毒、真菌以及蟲(chóng)害等生物脅迫以及干旱、鹽、極端溫度和紫外脅迫等非生物脅迫嚴(yán)重影響了植物的正常生長(zhǎng)和發(fā)育，尤其是農(nóng)作物的產(chǎn)量［1-3］。轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)以及表型組學(xué)等在解析植物體響應(yīng)和適應(yīng)逆境脅迫方面具有重要作用［4-5］。然而，這些研究方法提供的數(shù)據(jù)是有限的，在研究植物響應(yīng)和適應(yīng)逆境脅迫方面仍然具有局限性。逆境脅迫下代謝物的變化是其基因與環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，是生物體生理表型與體內(nèi)生化水平的直接體現(xiàn)。代謝組學(xué)的興起，為研究植物不同組織和逆境脅迫下代謝組重塑提供了可靠的手段［6-8］。作為系統(tǒng)生物學(xué)中重要的一門(mén)學(xué)科，代謝組與基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組或表型組的整合，尤其是代謝組與基因組整合形成的代謝組-基因組關(guān)聯(lián)分析，為植物代謝組的遺傳基礎(chǔ)解析和調(diào)控機(jī)制研究提供了重要的參考依據(jù)。本文綜述了逆境脅迫下植物代謝組學(xué)的研究方法、逆境脅迫下植物代謝組重塑的多樣性以及逆境脅迫下植物代謝組的遺傳基礎(chǔ)研究進(jìn)展，并展望了應(yīng)用代謝組學(xué)研究植物逆境生物學(xué)的應(yīng)用前景和局限性。

1 逆境脅迫下植物代謝組學(xué)的研究方法

代謝組學(xué)的概念最早是由英國(guó)科學(xué)家Nicholson提出的“metabonomics”以及德國(guó)科學(xué)家Fiehn提出的“metabolomics”而來(lái)［9-10］。作為系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成之一，代謝組學(xué)是指在特定物種、特定發(fā)育階段以及特定的器官、組織和細(xì)胞中所有低分子量代謝組的定量和定性分析的一門(mén)學(xué)科［11-12］。與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)以及蛋白組學(xué)不同，代謝組學(xué)反映的是細(xì)胞在特定條件下確實(shí)發(fā)生的事件，是生物體內(nèi)基因與環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，是生物體生理表型與體內(nèi)生化水平的直接體現(xiàn)［13-14］。在自然界中，一系列環(huán)境因子如極端溫度、旱、鹽、紫外線以及病原菌等在分子、生化以及生理水平上給植物造成了潛在的威脅［15-16］。代謝組作為連接植物體遺傳與生理指標(biāo)的重要基礎(chǔ)，通過(guò)代謝組學(xué)研究逆境脅迫下代謝組的差異為揭示特定脅迫條件下代謝物的差異積累、代謝途徑解析以及植物體抵御逆境脅迫的調(diào)控機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。目前，代謝組學(xué)已經(jīng)廣泛用于研究不同物種、同一物種不同組織以及同一物種同一組織在不同逆境脅迫下代謝物的變化 差異［17-18］。

一般而言，逆境脅迫下植物代謝組學(xué)的研究流程包括逆境脅迫與對(duì)照條件下植物樣品的制備、代謝物的提取、代謝物的檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理、逆境脅迫下代謝物的注釋以及代謝途徑的解析等步驟（圖1）。根據(jù)研究目的，代謝組學(xué)分為非靶向代謝組學(xué)、靶向代謝組學(xué)和廣泛靶向代謝組學(xué)［19-21］。非靶向代謝組學(xué)是對(duì)有機(jī)體內(nèi)代謝物進(jìn)行全面和無(wú)偏向的代謝物分析。非靶向代謝組學(xué)由于檢測(cè)物質(zhì)的信息較大，具有較為廣泛的物質(zhì)覆蓋率。但是，由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)品，非靶向代謝組學(xué)可能會(huì)產(chǎn)生假陽(yáng)性的信號(hào)。同時(shí)，非靶向代謝組學(xué)不能對(duì)物質(zhì)進(jìn)行絕對(duì)定量以及重復(fù)性較差［20］。目前，非靶向植物代謝組學(xué)常用檢測(cè)技術(shù)主要有氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）、液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）、毛細(xì)管電泳和質(zhì)譜聯(lián)用（CE-MS）以及核磁共振（NMR）等。其中，最常用的是NMR、GC-MS以及LC-MS。NMR靈敏性低，樣品處理簡(jiǎn)單，主要用于代謝物結(jié)構(gòu)的分析［22］。GC-MS具有較高的分辨率和較高的靈敏度，樣品需要衍生化，主要用于揮發(fā)性物質(zhì)檢測(cè)。然而，LC-MS具有較高的分辨率和較高的靈敏度，主要用于非揮發(fā)性物質(zhì)的檢測(cè)［11］。為了降低誤差和提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化或標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)處理。然后，對(duì)預(yù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。常用的數(shù)據(jù)分析方法有主成分分析（princi- pal component analysis，PCA）、聚類(lèi)分析（hierarchical cluster analysis，HCA）以及偏最小二乘法（partial least square，PLS）［23］。最后，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)品比對(duì)以及代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)如MassBank、KEGG、PlantCyc以及PubChem等對(duì)植物響應(yīng)逆境脅迫的代謝物進(jìn)行注釋。

靶向代謝組學(xué)主要是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)品或同位素內(nèi)標(biāo)對(duì)代謝物的絕對(duì)定性或定量分析，是有機(jī)體內(nèi)特定一類(lèi)代謝物的研究分析。由于靶向代謝組學(xué)關(guān)注特定種類(lèi)的代謝物，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確定性和絕對(duì)定量，具有較好的重復(fù)性和靈敏性。而且，數(shù)據(jù)分析比非靶向代謝組學(xué)更簡(jiǎn)單和直接。但是，靶向代謝組學(xué)通量相對(duì)較低且需要購(gòu)買(mǎi)標(biāo)準(zhǔn)品［20］。在使用的方法和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用方面，靶向代謝組學(xué)和非靶向代謝組學(xué)相似。廣泛靶向代謝組學(xué)是一種結(jié)合了非靶向代謝組檢測(cè)的廣譜性和靶向代謝組檢測(cè)的準(zhǔn)確性，主要通過(guò)多反應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)（multiple reaction monitoring，MRM）采集數(shù)據(jù)并建立代謝物數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)代謝物的精確定性及定量［21］。廣泛靶向代謝組學(xué)整合了非靶向和靶向代謝組學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，具有通量高和定性準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。但是，廣泛靶向代謝組學(xué)需要自建數(shù)據(jù)庫(kù)。在植物體內(nèi)，由于其生長(zhǎng)環(huán)境的復(fù)雜性和體內(nèi)代謝物種類(lèi)的多樣性，至今沒(méi)有發(fā)現(xiàn)哪一種檢測(cè)技術(shù)能夠滿足植物體內(nèi)所有代謝物的檢測(cè)。隨著組學(xué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，代謝組與基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組以及表型組整合并結(jié)合正向或反向遺傳學(xué)手段實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物響應(yīng)逆境脅迫代謝物注釋、代謝途徑解析以及植物響應(yīng)和適應(yīng)逆境脅迫的調(diào)控機(jī)制揭示（圖1）。

圖1 逆境脅迫下植物代謝組學(xué)的研究流程Fig.1 Research process of plant metabolomics under stresses

2 逆境脅迫下植物代謝組重塑的多樣性

在自然界中，植物體內(nèi)代謝物分為初生代謝物和次生代謝物。初生代謝物如糖類(lèi)、氨基酸類(lèi)以及三羧酸循環(huán)的中間物質(zhì)等，主要參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育［24］。由初生代謝物合成的次生代謝物在自然界中大約有20萬(wàn)種，主要分為苯丙烷類(lèi)（phenylpropanoids）、硫苷類(lèi)（glucosinolates）、萜類(lèi)（terpenoids）以及生物堿類(lèi)（alkaloids）等，主要參與植物的信號(hào)傳導(dǎo)、植物與環(huán)境的互作以及植物防御等［25-26］。就同一物種而言，代謝物積累既有時(shí)空積累的特異性，又存在逆境響應(yīng)的多樣性［27-28］。因此，對(duì)不同發(fā)育階段代謝圖譜的分析可以找到不同發(fā)育階段響應(yīng)的特異代謝物。同時(shí)，對(duì)逆境下代謝物積累模式分析可以找到一些抗性生物標(biāo)記物質(zhì)。代謝組是植物體表型的生化基礎(chǔ)，逆境脅迫條件下代謝組重塑很大程度上反映了植物體對(duì)逆境的響應(yīng)和防 御［29-31］。事實(shí)上，在生物逆境和非生物逆境下植物體內(nèi)代謝組存在大量重塑，展現(xiàn)出多樣化的現(xiàn)象。

2.1 生物逆境下植物代謝組重塑的多樣性

Parker等發(fā)現(xiàn)當(dāng)大麥（Hordeum vulgare L.）受到稻瘟病（Magnaporthe oryzae）入侵時(shí)，體內(nèi)代謝物發(fā)生重排，多胺類(lèi)（polyamines）、phenylpropanoids以及脂肪酸類(lèi)（fatty acids）等代謝物含量明顯升高［32］。同時(shí)，Kumaraswamy等［33］指出植物體受到赤霉病（fusarium head blight，F(xiàn)HB）侵染時(shí)，幾個(gè)與植物防御相關(guān)的代謝物如茉莉酸（jasmonic acid，JA）、二氫甘氨酸（dihydro-7-hydroxyglycine）、葡萄糖苷、鼠李糖苷的山奈酚（kaempferol-3-O-glucoside-7-O-rhamnoside）以及甲氧基肉桂酸（4-methoxycinnamic acid）的含量明顯增加。進(jìn)一步，Dixon等［34］對(duì)FHB敏感的大麥植株的代謝譜分析表明，大麥中高含量的黃酮類(lèi)、脂肪酸以及萜類(lèi)等物質(zhì)與抗FHB密切相關(guān)。Chitarrin等［35］對(duì)受到霜霉病（Plasmopara viticola）入侵的抗性葡萄（Vitis vinifera L.）的代謝圖譜詳細(xì)分析表明，抗性葡萄品種中早期積累的代謝物主要是不飽和脂肪酸、氨基酸以及可溶性糖等初生代謝物，中期積累的是一些揮發(fā)性的苯甲醛（benzaldehyde），后期積累的主要是黃酮類(lèi)（flavonols）以及芪類(lèi)化合物（stilbenes）。

2.2 非生物逆境下植物代謝組重塑的多樣性

同時(shí)，植物體內(nèi)初生代謝物和次生代謝物也廣泛參與非生物脅迫過(guò)程。在多種氨基酸中，脯氨酸（proline）受非逆境脅迫影響最為明顯，proline含量的差異與逆境脅迫如干旱、鹽、洪澇以及極端溫度等直接相關(guān)［36-37］。此外，Yadav等［38］指出干旱逆境下，小麥（Triticum aestivum L.）體內(nèi)天冬氨酸（aspartic acid）含量明顯增加。同時(shí)，植物次生代謝物如phenylpropanoids、terpenoids以及fatty acids等的含量在干旱逆境下普遍增加［39-40］。此外，植物在響應(yīng)干旱的不同階段代謝組重塑模式也存在明顯差異。Goufo等［41］發(fā)現(xiàn)在豇豆（Vigna unguiculata L. walp.）根中氨基酸、可溶性糖以及原花青素（proanthocyanidin）的積累與干旱脅迫起始階段的感知密切相關(guān)。Khan等［42］對(duì)長(zhǎng)期干旱條件下鷹嘴豆（Cicer arietinum）葉片代謝圖譜分析表明，尿囊素（allantoin）、proline、組氨酸（histidine）、異亮氨酸（isoleucine）以及色氨酸（tryptophan）的含量在干旱條件下明顯上升。同時(shí)，膽堿（cholinevidine）、苯丙氨酸（phenylalanine）、γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid）、丙氨酸（alanine）以及aspartic acid含量明顯下降。研究表明，一些代謝物如甜菜堿（betaine）、proline、polyamines和多羥基醇（polyhydroxy-alcohols）等與鹽脅迫的耐受密切相關(guān)［43-44］。Ye等［45］通過(guò)對(duì)鹽脅迫下狗牙草（Cynodond actylon）中代謝物的分析表明，鹽脅迫明顯提高了氨基酸、可溶性糖、有機(jī)酸以及可溶性糖醇等37種代謝物的含量。Yang等［46］對(duì)普通野生大豆（Glycine max）及耐鹽的野生大豆代謝圖譜分析指出，耐鹽的野生型大豆通過(guò)增強(qiáng)體內(nèi)氨基酸及有機(jī)酸代謝來(lái)增強(qiáng)大豆的耐鹽性。由色氨酸合成而來(lái)的五羥色胺（serotonin）和褪黑素（melatonin）廣泛參與植物冷及凍的脅迫過(guò)程。Ding等［47］通過(guò)外源添加色胺類(lèi)物質(zhì)的方式分析冷脅迫對(duì)番茄（Solanum lycopersicum）的傷害程度表明，外源施加melatonin通過(guò)增強(qiáng)活性氧相關(guān)酶活性減緩番茄對(duì)凍害的傷害。Fan等［48］指出，在水稻（Oryza sativa L.）幼苗中melatonin通過(guò)提高光系統(tǒng)的效率以及抗氧化酶活性來(lái)增強(qiáng)植株對(duì)冷的耐受性。在紫外和氧化脅迫下，flavonoids的含量普遍上升。Nakabayashi等［49］對(duì)過(guò)量積累黃酮類(lèi)物質(zhì)的擬南芥進(jìn)行干旱和氧化脅迫處理表明，擬南芥（Arabidopsis thaliana）中過(guò)度積累flavonoids增強(qiáng)植株對(duì)氧化脅迫及干旱脅迫的耐受性。Tohge等［50］指出擬南芥中黃酮醇苯酰基轉(zhuǎn)移酶（flavonolphenylacyltransferase）促進(jìn)酰基化類(lèi)黃酮（phenylacylflavonol）的積累從而增強(qiáng)紫外線脅迫的耐受性。 此外，Ju等［51］對(duì)洪澇后葡萄葉片代謝圖譜分析表 明，葉片中揮發(fā)性物質(zhì)，尤其是2-己醛（2-hexenal）和3-己醛（3-hexenal）在抵御洪澇具有重要作用。這些研究結(jié)果表明，不同物種對(duì)同一種逆境脅迫具有相似性。同一物種在不同逆境脅迫下，代謝物的積累模式也具有明顯的差異性（表1）。因此，通過(guò)對(duì)逆境脅迫下代謝組數(shù)據(jù)挖掘，為注釋特定逆境脅迫下植物響應(yīng)逆境的代謝物和解析相關(guān)逆境脅迫的代謝通路提供理論基礎(chǔ)。同時(shí)，對(duì)逆境下植物體內(nèi)代謝物定量分析可以幫助鑒定植物響應(yīng)逆境脅迫的生理表型和篩選耐受逆境的植物個(gè)體，更好地解析植物響應(yīng)以及適應(yīng)逆境的生化遺傳基礎(chǔ)從而助力農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)。

表1 植物響應(yīng)逆境脅迫代謝物研究列表Table1 Research list of plant metabolites in response to stresses

3 代謝組學(xué)在植物逆境遺傳基礎(chǔ)的進(jìn)展

代謝組學(xué)作為植物體內(nèi)代謝組檢測(cè)的重要手段，揭示了不同物種間，同一物種不同組織以及同一物種同一組織在不同逆境脅迫下代謝物的積累模式，為發(fā)現(xiàn)植物特異積累的代謝物以及與逆境脅迫響應(yīng)的標(biāo)志代謝物提供參考依據(jù)。然而，逆境脅迫下植物體內(nèi)代謝物重塑是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，牽涉到一系列基因表達(dá)和調(diào)控，是DNA、RNA、蛋白質(zhì)以及代謝物與逆境脅迫共同作用的結(jié)果［52］。當(dāng)植物體受到不同逆境脅迫時(shí)，體內(nèi)響應(yīng)蛋白（receptors）首先被激活，激活下游的信號(hào)蛋白如蛋白激酶（receptor-like kinases，RLKs）、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）、轉(zhuǎn)錄因子（MYBs、WRKYs以及bZIPs等）以及熱激蛋白（heat shock factors，HSFs）等，進(jìn)而激活代謝途徑相關(guān)基因如參與類(lèi)黃酮代謝相關(guān)基因茶耳酮合成酶（chalcone synthases，CHSs）、黃酮醇合成酶（flavonol synthases，F(xiàn)LSs）和類(lèi)黃酮UDP-糖基轉(zhuǎn)移酶（UDPdependent glycosyltransferases，UGTs）以 及 參 與 萜類(lèi)合成的牻牛兒基焦磷酸合酶（geranyl diphosphate synthases，GPSs）、法 呢 基 焦 磷 酸 合 酶（farnesyl diphosphate synthases，F(xiàn)PSs）、牻牛兒牻牛兒基焦磷 酸 合 酶（geranyl geranyl pyrophosphate synthases，GGPSs）以及萜烯合酶（terpene synthases，TPSs）等表達(dá)，促進(jìn)黃酮類(lèi)和萜類(lèi)等物質(zhì)的積累增強(qiáng)植物體對(duì)逆境脅迫的耐受性［53］（圖2）。因此，在系統(tǒng)生物學(xué)中，代謝組學(xué)僅僅是系統(tǒng)生物學(xué)的一部分，單從代謝組學(xué)的角度解析植物體對(duì)逆境脅迫的調(diào)控機(jī)制以及遺傳基礎(chǔ)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的。事實(shí)上，代謝組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)的整合廣泛應(yīng)用于多種逆境脅迫下植物的調(diào)控機(jī)制研究。Wang等［54］通過(guò)對(duì)水稻幼苗的轉(zhuǎn)錄組和代謝組圖譜分析表明，在耐寒性水稻品種中特異積累脫落酸（abscisic acid，ABA）介導(dǎo)脂類(lèi)和脂肪酸代謝過(guò)程；Copley等［55］通過(guò)代謝組與轉(zhuǎn)錄組的整合分析揭示了大豆在響應(yīng)紋枯病（sheath blight）侵染后的初生代謝的調(diào)控機(jī)制；Egea等［56］指出，在耐旱野生番茄中氨基酸代謝以及植物激素如乙烯（ethylene）和JA代謝與干旱的耐受密切相關(guān)。相似地，代謝組與轉(zhuǎn)錄組的整合分析揭示了小麥初生代謝參與赤霉病（fusarium head blight）耐受性［57-58］。同時(shí)，代謝組學(xué)與蛋白組學(xué)的整合在多種逆境脅迫下被研究［59-60］。Kumar等［61］通過(guò)代謝組與蛋白組的整合分析表明，鷹嘴豆感染尖孢鐮刀菌（fusarium oxysporum）后，碳氮代謝與鷹嘴豆抵抗尖孢鐮刀菌密切相關(guān)。同時(shí)，Chmielewska等［62］對(duì)干旱敏感和干旱耐受的大麥品種的蛋白組和代謝組的分析指出，干旱耐受的大麥品種葉片及根中苯丙烷代謝相關(guān)的酶的表達(dá)以及氨基酸類(lèi)物質(zhì)含量的增加參與大麥抵抗干旱。此外，通過(guò)基因組學(xué)、蛋白組學(xué)以及代謝組學(xué)的整合，Pandey等［63］確定了草酸是小麥黑穗病的主要致病因子。這些研究結(jié)果表明，通過(guò)代謝組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)或/和蛋白組學(xué)的整合為逆境脅迫下植物代謝物的鑒定、代謝途徑解析以及植物響應(yīng)逆境脅迫的生化遺傳基礎(chǔ)解析提供重要參考依據(jù)（圖1）。

圖2 植物次生代謝響應(yīng)逆境脅迫的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Regulatory networks of plant secondary metabolism in response to stresses

事實(shí)上，植物在生長(zhǎng)過(guò)程中暴露在各種生物和非生物環(huán)境因子中，群體中不同個(gè)體的性狀和表型為研究植物體的性狀及表型的調(diào)控機(jī)制提供可靠參考。正向遺傳學(xué)的方法如連鎖分析已經(jīng)證明在鑒定性狀、數(shù)量性狀位點(diǎn)（quantitative trait loci，QTL）以及同一群體不相關(guān)個(gè)體的性狀表型中是非常有效的［64］。因此，比較分析世界不同地區(qū)的植物種質(zhì)資源可以為植物體響應(yīng)以及耐受逆境脅迫的機(jī)制研究提供遺傳基礎(chǔ)。隨著基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)運(yùn)而生的基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自然群體中不同個(gè)體的性狀表型的分析［65］。同時(shí)，隨著代謝組學(xué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和更新，像表型性狀的QTL和GWAS一樣，代謝組的數(shù)量性狀位點(diǎn)（metabolic quantitative trait loci，mQTLs）和代謝組-基因組關(guān)聯(lián)分析（metabolic genome-wide association study，mGWAS）在揭示植物代謝物含量變異的遺傳基礎(chǔ)具有重要作用［66-67］。目前mQTL和mGWAS在擬南芥、番茄、水稻以及玉米（Zea mays）等多個(gè)物種中被廣泛研究。Lisec等［68］通過(guò)369份擬南芥重組自交系（recombination inbred line，RIL）的mQTL分析表明，代謝雜種優(yōu)勢(shì)主要由上位性貢獻(xiàn)決定的。Schauer等［69］在76份番茄重組自交系中找到了30個(gè)mQTLs，解析了部分初生代謝物含量變異的遺傳基礎(chǔ)。此外，響應(yīng)逆境脅迫性狀的QTL以及mQTLs在幾個(gè)物種中已經(jīng)被報(bào)道。Templer等［70］對(duì)81份大麥種質(zhì)葉片的干旱及熱脅迫下mQTLs分析表明，γ-生育酚（γ-tocopherol）、谷胱甘肽（glutathione）和琥珀酸（succinate）參與大麥中干旱及熱脅迫的適應(yīng)，并鑒定了響應(yīng)該脅迫的mQTL位點(diǎn)。Yang等［71］通過(guò)對(duì)玉米抗病相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)qMdr9.02精細(xì)圖譜分析表明，編碼一個(gè)咖啡酰輔酶A甲基轉(zhuǎn)移酶（caffeoyl-CoA O-methyltransferase，ZmCCoAOMT2）通過(guò)調(diào)控木質(zhì)素代謝參與南方葉枯病和灰斑病的抗性。Hill等［72］對(duì)干旱脅迫下小麥劍葉的95個(gè)mQTLs分析表明，38個(gè)mQTLs與農(nóng)藝性狀密切相關(guān)。Chen等［73］通過(guò)529份水稻核心種質(zhì)的五葉期葉片的mGWAS解析了部分次生代謝物的遺傳基礎(chǔ)；Zhu等［74］通過(guò)番茄群體的mGWAS找到了參與番茄風(fēng)味調(diào)控的物質(zhì)并解析了風(fēng)味物質(zhì)調(diào)控的機(jī)制；Zhang等［75］通過(guò)水稻類(lèi)黃酮含量的mGWAS篩選到一個(gè)特異響應(yīng)UV-B的類(lèi)黃酮糖基轉(zhuǎn)移酶。這些研究表明，代謝組與基因組的整合在解析植物體內(nèi)代謝途徑以及代謝組的遺傳基礎(chǔ)提供可靠的參考依據(jù)。

然而，植物體內(nèi)逆境脅迫下mGWAS的研究相對(duì)較少。通過(guò)對(duì)逆境脅迫下mGWAS的定位結(jié)果分析，在解析植物響應(yīng)、耐受逆境脅迫的調(diào)控機(jī)制以及選育耐受逆境的農(nóng)作物品種具有重要意義。與正向遺傳學(xué)相反地，反向遺傳學(xué)主要關(guān)注一個(gè)基因的改變一個(gè)生化途徑，進(jìn)而探究植物代謝途徑［76-77］。通過(guò)反向遺傳工具如RNA干擾技術(shù)（RNA interference，RNAi）和基因敲除（gene knockout）直接檢測(cè)突變體中特定代謝物的改變從而鑒定潛在基因的功能［78］。同時(shí)，隨著基因編輯技術(shù)CRISPR/CAS9的發(fā)展，反向遺傳學(xué)極大促進(jìn)并加快了學(xué)者對(duì)植物代謝相關(guān)基因的功能解析［79-80］。因此，運(yùn)用正向遺傳學(xué)與反向遺傳學(xué)結(jié)合的方法對(duì)植物逆境脅迫下挖掘的新基因進(jìn)行功能驗(yàn)證是非常快速和高效的。尤其是，運(yùn)用反向遺傳工具驗(yàn)證通過(guò)逆境脅迫mGWAS挖掘的候選基因?qū)⑹羌瓤焖俣挚煽康氖侄巍Ｔ谖磥?lái)，逆境脅迫依然是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育以及農(nóng)作物產(chǎn)量的重要威脅，代謝組與基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組以及表型組等其它組學(xué)的整合，并結(jié)合反向遺傳工具將更高效解析植物響應(yīng)以及適應(yīng)逆境脅迫的生化遺傳基礎(chǔ)，從而加快對(duì)植物響應(yīng)以及適應(yīng)逆境脅迫的調(diào)控機(jī)制研究，助力農(nóng)作物的穩(wěn)產(chǎn)（圖1）。

4 結(jié)論和展望

代謝組學(xué)作為系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分，揭示了不同物種間，同一物種不同組織中以及同一物種同一組織在不同逆境脅迫下代謝圖譜的差異。代謝組與基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組以及表型組等其它組學(xué)的整合為植物代謝組的鑒定、代謝途徑解析以及植物響應(yīng)逆境脅迫的生化遺傳基礎(chǔ)研究提供重要參考依據(jù)。同時(shí)，代謝組學(xué)與其它組學(xué)的整合并結(jié)合反向遺傳工具快速篩選植物與環(huán)境互作的抗性基因、選育抗性品種是助力農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)的重要手段。然而，代謝組學(xué)在植物逆境脅迫中的研究仍然存在一些挑戰(zhàn)。在植物眾多代謝物中，已檢測(cè)和鑒定的代謝物仍然是屈指可數(shù)的。目前，對(duì)于植物中不同屬性的代謝物還沒(méi)有統(tǒng)一的檢測(cè)和提取方法。同時(shí)，在自然界中，植物遭受的逆境脅迫是多種逆境脅迫共同作用的結(jié)果。而且，植物與逆境脅迫的互作是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，牽涉到逆境信號(hào)的感知、信號(hào)傳導(dǎo)以及植物對(duì)逆境的防御等。因此，植物中代謝組檢測(cè)方法的改進(jìn)、鑒定技術(shù)的提升、多水平組學(xué)的整合以及反向遺傳工具的開(kāi)發(fā)將為深入研究逆境脅迫下植物代謝組的遺傳基礎(chǔ)以及解析逆境脅迫的調(diào)控機(jī)制研究提供有力保障。