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【代谢专栏⑩】植物代谢组学应用、挑战与展望

2018-06-27

代谢活动是生命体的本质特征和物质基础。代谢组学(Metabolomics/Metabonomics)旨在研究生物体全部小分子代谢物成分及其动态变化[1]。代谢组学作为系统生物学的重要分支,近年来在植物研究领域受到广泛关注,并取得了重要进展。植物代谢组学目前是一个并不成熟的领域。已知的植物有30万余种,尚不包括未知的植物物种。它们产生的代谢物数量预计有20万-100万种[2],特别是植物次生代谢产物,通常都具有重要的生物学功能和商业价值。但这些代谢物结构迥异、种类繁多,就当前的仪器分析水平而言,还不能检测分析所有代谢物,这使得植物代谢组学研究更具挑战性。


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那么本期的代谢专栏,我们将为大家概述植物代谢组学的应用方向、发展趋势及其面临的挑战,提前来热热身!



1

植物代谢组学的应用

  植物基因型与表型之间的桥梁

植物代谢组学在揭示生命基本活动和规律方面,发挥着越来越重要的作用。Keurentijes等人将代谢组学与分子遗传学相结合,解析了拟南芥代谢途径及代谢网络[3]。分析了全球不同地理位置的14个拟南芥生态型的代谢谱,发现其中706个代谢物是某一品系特有的。只有331个是14个品系共有的。品系之间代谢表达谱差异非常大。其中两个品种杂交获得的160个重组自交系中,有853个代谢物为重组自交系特有的,表明它们是由基因重组产生的。这表明大多数代谢物质谱峰值的变异因素都归因于遗传因素。


代谢产物是基因表达的终产物,基因表达水平的极微小变化也可能导致代谢物的大幅改变。以往通过可见的表型改变来判断基因表达水平的升降,不仅耗时长,而且有时候基因表达变化无法引起表型改变。而此时植物体中某些代谢产物的含量却已经发生显著改变。利用代谢物的变化可以推测和判断基因表达水平的变化,从而推断基因的功能及其对代谢流的影响。Urbanczyk Wochniak等对马铃薯叶片糖代谢和其他初级代谢产物进行了检测,并且应用基因芯片研究了相关转录基因。发现昼夜变化过程中,虽然基因水平的变化较小,但糖代谢等代谢途径都发生了显著变化。这说明代谢产物可放大基因表达的变化,从而在基因型和表现型之间的相关性研究中建立了一座桥梁[4]


②  作物育种

转基因育种的安全性一直是阻碍该技术广泛应用的关键问题。代谢组学结合致敏反应和毒理反应,可综合评价转基因植物的安全性Sheperd等人分析转基因植物、非转基因植物和其他栽培品种的代谢谱,以主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)和层次聚类分析(HierarchicalClustering Analysis, HCA)来区分这些相似的代谢谱,发现转基因植物代谢谱的变异范围存在于各种栽培品种之间[5]植物育种最关心的另外一个问题就是抗逆研究。木质部是植物运输水分和矿物质的渠道,当干旱发生时,根分泌的信号物质会经过木质部传送到植物地上部分。Alvarez等利用代谢组学手段研究干旱胁迫对玉米木质部汁液代谢物及蛋白质变化的影响。结果显示,31个代谢物的含量发生了变化,苯丙素类物质积累导致了木质素合成的减少,从而影响了叶片和茎的长度[6]。这些研究为植物育种提供了代谢层面的理论支持。


  植物-微生物互作

植物受到病原菌侵染后会产生自身免疫应答反应,代谢物在这种免疫反应中扮演者非常重要的角色。研究发现病原菌一旦成功侵入植物,将会严重干扰植物的正常代谢以满足其自身的营养吸收和利用。抗性、感性植物品种在病原菌入侵后代谢谱变化不同。结合转录组学和代谢组学,Doehlemann等阐述了玉米种由主效基因控制的瘤黑粉病抗病反应中的信号转导和代谢物的变化[7]植物根际土壤中是微生物高度活跃的区域,植物与微生物共同促进植物生长。Nature Microbiology期刊最近报道了关于植物根系分泌物中各种代谢物如何影响根际环境的研究[8]。该研究调查了野生燕麦草属植物Avena barbata在植物发育的不同阶段分泌的化学物质,以及不同的根际细菌对其作出的应答反应。这种“代谢同步”提供了一种植物如何操控根际微生物生长的认知。这些研究表明代谢组学是研究植物-微生物互作的一个非常有效的办法。


  植物农艺性状、品质划分

植物的营养、品质等性状已经成为代谢组学研究的主要对象。农艺性状、品质划分,通常需要专业而准确的评定师,且具有很强的主观性。利用质谱方法,检测不同药/食材的代谢特征谱,构建代谢特征谱与品质、口感之间的数据模型,为更客观、更准确地评价药/食材提供了可能。Ruan等人从中国浙江、四川、贵州、山东等地春季收集的50种绿茶(一芽一叶),茶叶由专业评茶师做评价分级,茶粉用于代谢组学分析。将茶叶品质打分与代谢表达谱建立了良好的数据关联模型(R2Y=0.987,Q2=0.889)。通过单维统计学分析筛选出可以区分茶叶品质的标志物[9]



 中药药效评价

中药是中华民族的瑰宝,因其确切的临床疗效展现着蓬勃的生命力。但因其理论体系和治疗思路不同于现代医学,故而引起部分学者的排斥和质疑。高通量组学方法着眼于生命体生理、病理的全局变化,其整体性、动态性、时空性和复杂性与中医药研究有诸多相似之处。因此,组学技术为中药现代化研究提供了全新的解学方案,可有力地阐释和印证中药学的合理性、逻辑性以及有效性,为中药药效评价的客观化、现代化提供了理论和技术上的可能。Meng等人利用生化指标分析、蛋白质组学、代谢组学等多种分析手段,阐明复方茵陈蒿汤作用机制。为提高药效、减少不良反应提供理论依据[10]


2

植物代谢组学面临的挑战

  严格的实验设计

严格的实验设计是获得代谢组学实验成功的第一步。实验设计要求:1)控制基本一致的植物生长环境条件。如果不能达到每次实验在完全一致的条件下进行,也要保证同一实验内不同处理或材料的生长环境基本一致。2)设置实验重复。一般为6-8次。重复实验将进一步消除环境和实验操作的误差,获得具有统计意义的数据。


  标准化的试验流程

为了控制和监测样本提取、前处理及仪器分析过程中的误差,试验流程一般要求:1)设置空白对照。空白对照可监测有机溶剂的纯度、外来污染物等。2)设置质控样本。代谢组学实验需要分析的样本数多,仪器运行时间过长,极容易出现系统性偏移和偏差。质控样本可起到非常重要的监测和校正作用。3)设置内标。 在提取物中加入已知量的内标物质,会更容易监测分析过程中的误差。


  代谢物数据库和代谢途径注释

目前,综合性好且含有代谢通路数据的数据库有京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG)。MetaCyc是一个关于代谢途径和酶的数据库。METLIN代谢物数据库包含了人的23000多种内源性和外源性代谢物数据。KNApSAcK是一个涵盖大部分植物物种和代谢化合物关系的网站,包含了4万多种化合物和8000多植物物种的信息。MassBank收集超过12000种初级代谢物和次生代谢物的质谱图。MassBank支持用户通过输入文本格式的质谱进行搜索和比较。但是到目前为止,植物代谢物数据库所收集的代谢物数量还很少,并且大多数物种的代谢途径很不完善。植物的代谢途径目前只解析了一小部分,收录在KEGG或PlantCyc数据库中。


3

展望

随着新的分析检测技术和生物信息学的发展,植物代谢组学为植物研究提供了全面的、多维的视角,从而为人们从整体角度全面理解植物代谢提供了可能,为中药现代化的深入研究创造了全新的平台。同时随着对植物代谢组学研究的深入,讲植物代谢组学、转录组学、蛋白质组学和基因组学整合,并和相互呼应验证,将是植物代谢组学发展的方向。目前的研究大多集中在模式植物中,对非模式植物,特别是重要药用植物的研究较为薄弱。以植物代谢组学为切入点,绘制植物代谢网络,将生物事件与代谢表型关联起来,从而阐明其中的作用机制和效应物质基础,再与其他系统生物学组学联合分析,势必会将植物研究提升到一个前所未有的高度和深度。


再次提醒一下:6月28日(明天)上午10:00-11:30,我们会在QQ群里开展一场关于植物代谢的直播,欢迎大家前来收听!


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参考文献:

[1] Metabolomics-the link betweengenotypes and phenotypes. Plant Mol Biol.

[2] Phytochemistry meets genomeanalysis and beyond. Phytochemistry.

[3] The genetics of plant metabolism.Nat Genet.

[4] Profiling of diurnal patterns ofmetabolite and transcript abundance in potato (Solanum tuberosum) leaves.Planta.

[5] Assessing the potential forunintended effects in genetically modified potatoes perturbed in metabolic anddevelopmental processes. Targeted analysis of key nutrients and antinutrients.Transgenic Res.

[6] Metabolomic and proteomic changesin the xylem sap of maize under drought. Plant Cell & Environ.

[7] Reprogramming a maize plant: transcriptionaland metabolic changes induced by the fungal biotroph Ustilago maydis. Plant J.

[8] Dynamic root exudate chemistry andmicrobial substrate preferences drive patterns in rhizosphere microbialcommunity assembly. Nature Microbiology.

[9] Prediction of Chinese green tearanking by metabolite profiling using ultra-performance liquidchromatography–quadrupole time-of-flight mass spectrometry (UPLC–Q-TOF/MS).Food Chem.

[10] Metabolomics Coupled withProteomics Advancing Drug Discovery toward More Agile Development of TargetedCombination Therapies. Molecular & Cellular Proteomics.


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