代謝組學技術在植物次生代謝產物研究中的應用

曹小漢毛惠敏任莉萍

(1.阜陽師范大學生物與食品工程學院，安徽 阜陽 236037;2.阜陽市農業科學院，安徽 阜陽 236065)

次生代謝物是植物次生代謝過程中產生的一類有機小分子化合物。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物也發揮著作用。研究人員對于次生代謝產物產生的途徑，哪種次生產物在發揮著作用以及發揮何種作用仍然不清楚。于是在基因組學技術和蛋白質組學技術之后，作為專門研究代謝物的代謝組學技術被研究人員廣泛關注。研究者通過代謝組學技術找到次生代謝物的代謝途徑、代謝網絡調控、目標差異代謝物，并將其應用于疾病診斷、藥物研發、獲得抗病植株、獲得豐產的農作物等方面。直至目前，代謝組學的研究在國內外仍然很活躍。

1 代謝組學技術及研究流程

代謝組學技術已經被廣泛應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，是生物學研究的主要方向[1]。代謝組學技術是對小于1000Da小分子的物質進行整體全面的定性和定量的分析。由于代謝產物是生物體經過復制、轉錄以及蛋白質的表達所產生的最終的產物，也是生物體表型的物質基礎，代謝產物的含量以及變化會更加直觀地體現相關基因的轉錄水平和蛋白質水平的表達情況，因此代謝物的種類和含量的變化是解釋植物出現差異原因的依據[2，3]。近幾年，代謝組學在研究植物抗病性、優良品種培育上發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)等數據分析和處理方法進行定性定量研究[4]。

代謝組學技術操作步驟分為5步：樣品提取、樣品預處理、運用分析手段檢測樣品獲得原始數據、數據分析、闡釋生物體發生的現象。研究者需要嚴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。樣本的預處理是經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。分析數據的技術手段有色譜(HPLC，GC)、核磁共振(NMR)、質譜(MS)、以核磁共振(NMR)技術。樣本分析結束之后會獲得大量的數據，并對數據進行分析。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 次生代謝產物及其分類

初生代謝是次生代謝的基礎，次生代謝是初生代謝的發展和補充，次生代謝物的產生是植物對不良環境的一種適應性，參與植物的營養生長和生殖生長以及抵擋不利環境對植物的破環，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。次生代謝產物具有多樣性，根據次生代謝產物性質的差異性科學家們將其分為7大類。另外又根據次生代謝產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，具有提高機體細胞的免疫功能、解熱鎮痛、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 含氮有機物

大多數含氮次級產物都是從普通的氨基酸中合成的。主要的含氮次級產物有生物堿、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。含氮有機物可分為真生物堿、原生物堿和偽生物堿。研究發現哌嗪類、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，植物還產生多炔類、有機酸等次生代謝物，多炔類化合物廣泛應用于化合物的合成。有機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，調節滲透壓，平衡過多的陽離子。

3 代謝組技術在次生代謝產物研究中的應用

在過去的研究中，測序和分析技術的發展使得分子生物學發展起來。代謝組學來研究植物生長、發育和內外界環境刺激下形成的復雜網絡，進而發現次生代謝產物在不同領域的作用。

3.1 基于代謝組學的次生代謝產物的基因功能分析

利用代謝組學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水平的細微變化，從而推斷基因的表達與相關代謝途徑的關系。在傳統的功能分析中只能通過觀察植物表型是否發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，發現幾乎所有的突變體的表型都沒有發生變化，因此很難通過表型變化來判斷基因表達情況[7]。但是通過代謝組學方法進行基因功能分析更加容易觀察。

3.2 基于代謝組學的代謝途徑及代謝網絡調控的研究

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比初生代謝途徑的要復雜多。目前一些次生代謝產物的代謝網絡途徑已經明了。以磷酸戊糖途徑的中間產物4-磷酸赤蘚糖(E4P)和糖酵解的中間產物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)為起始物。起始物經過化合反應后又經過幾步反應生成莽草酸,莽草酸經磷酸化形成5-磷酸莽草酸后，再與PEP反應，以后生成分支酸;分支酸合成預苯酸，由預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，經香豆酸、阿魏酸、芥子酸等酚類酸的中間產物，可進一步轉化黃酮類、丹寧類、花色苷類多酚類物質。

3.3 基于代謝組學技術的次生代謝產物功能解析

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，但在環境脅迫下發揮著至關重要的作用。植物在環境脅迫下產生的次生代謝產物不僅廣泛參與植物的生長、發育和防御等生理過程，還為植物抗病、培育優良種子、醫藥的開發、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。木質素是一種位于纖維素纖維之間的復雜有機聚合物，除了起到抗壓作用外，在細胞壁的形成過程中也十分重要。經過近幾十年的研究，目前已在植物次生代謝產物的生物學功能的探索中取得了很多進展。

3.4 代謝組學技術在次生代謝產物中的應用

在次生代謝產物的定量定性分析、基因功能分析、代謝途徑及其代謝網絡調控的研究、次生代謝物功能解析的研究中，代謝組學技術使得紫杉醇、酚類化合物、花青素等次生代謝產物在植物鑒定、抗病、育種、醫學、藥品開發等領域發揮著至關重要的作用。通過代謝組學技術分析植物在適應環境的過程中產生的次生代謝產物，并對這些次生代謝產物的變化特征進行分析，可以發現植物自身的變化與代謝物之間存在著一定的關系，這樣就可以尋找到一系列抗病相關代謝物，這些抗病相關代謝物在植物抗性鑒定和植物抗病機制研究方面提供幫助。在農業生產中，代謝組學和遺傳學相結合可獲得抗性品種，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業產品數量和質量優劣的指標，于是通過代謝組學技術篩出與產量提高、品質優良相關的標志性代謝物，這些生物標記物可以作為育種材料的篩選的指示物，從而加快了優良育種。通過對小麥不同抗性品種進行代謝組學分析，在實際的生產過程中已經利用與抗病性相關的標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，由于不同地區溫度，氣候，雨水等環境因素的影響，品種之間具有差異性，中藥材質量等級的劃分與化學成分有著直接的關系，中藥成分的復雜性是對其進行評價的難點，而代謝組學技術依靠其高通量等技術分析特點可以對中藥材品種進行鑒定以及評估中藥材的質量。通過代謝組學技術，檢查并測定中藥材在一切非本體刺激下機體代謝網絡和內分泌的變化、藥物經過修制、火制等方式的炮制后機體前后代謝途徑和網絡的改變，發現了中藥炮制后生物堿類、有機酸、油脂、無機鹽等成分的變化，為其在藥用植物的應用研究中提供參考[9]。

4 結語

已知的植物次級代謝產物數量豐富，具有多樣性，約有20～100萬種，這些次級代謝產物在不同的領域起著至關重要的作用。研究者借用代謝組學技術對通過生物體內的代謝物進行定量分析，結合相應的數據分析和處理方法以及不同的數據處理平臺，整體上對次生代謝產物進行分析，以利于闡明次生代謝途徑和代謝網絡調控機制，進而拓展在抗病育種、預防醫學上的應用。但是由于次級代謝物種類繁多，數據庫的缺乏，特別是待分析工具及方法方面與其它組學相比存在著無法逾越的鴻溝；現在還有大量植物的次生代謝途徑以及調控機制還沒有被找到，因此，擴大代謝組學數據庫覆蓋范圍，建立更加詳細、完整的數據庫是舉足輕重的。在此之前要開發出前沿性的數據分析的方式從而使獲取數據資料更加龐大，數據的穩定性更高；要深度解析獲得的數據提高數據處理和計算的效率，從而達到對代謝途徑具有完整的認識的程度[9]。代謝組學技術在研究次生代謝產物的應用中是一項非常重要的新型技術，我們迫切地希望今后能夠將代謝組學與基因組學、蛋白質組學等組學技術相結合繼續開發次生代謝產物與次生代謝途徑在生物、農業、醫療等方面的價值。