植物代謝組學(xué)

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1、植物代謝組學(xué)及其應(yīng)用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院趙會(huì)杰目錄一、植物代謝組學(xué)的概念和意義二、代謝組學(xué)在系統(tǒng)生物學(xué)中的地位三、植物代謝組學(xué)的研究方法四、代謝組學(xué)在植物科學(xué)中的應(yīng)用五、展望一、植物代謝組學(xué)的概念和意義1、概念生物學(xué)中“組”的概念：◆“組”：來(lái)源于希臘語(yǔ)ome，意指每個(gè)、所有、全部。◆以它為后綴最先用于基因組：genome,指一個(gè)物種的全部遺傳組成?！糇曰蚪M學(xué)概念提出后，帶組學(xué)（omics)的概念出現(xiàn)有200多種。如蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等。近年來(lái),隨著生命科學(xué)研究的發(fā)展,尤其是完成擬南芥(Arabidopsisthaliana)和水稻（Oryzasativa)等植

2、物的基因組測(cè)序后,植物科學(xué)發(fā)生了翻天覆地的變化。有人說(shuō)生命科學(xué)研究跨入了后基因組時(shí)代。人們已經(jīng)把目光從基因的測(cè)序轉(zhuǎn)移到了基因的功能研究。在研究DNA的基因組學(xué)、mRNA的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)的蛋白組學(xué)后,接踵而來(lái)的是研究代謝物的代謝組學(xué)。代謝組：是指細(xì)胞或者生物體內(nèi)的所有代謝物的總和，也有人將它定義為細(xì)胞、組織、器官或者生物體內(nèi)的所有小分子代謝組分的集合。代謝組學(xué)：通過(guò)大量代謝成分的定性、定量分析來(lái)定義生物體的生化表型(代謝表型)及其與基因型的關(guān)系，從而為研究基因功能、詮釋生命現(xiàn)象提供大量的代謝信息，這就是代謝組學(xué)（metabolomics)。2、意義●通過(guò)研究不同物種的

3、代謝產(chǎn)物,可以指導(dǎo)植物分類學(xué),對(duì)植物進(jìn)行更加合理的分類;●通過(guò)研究不同基因型植物的代謝物,可以發(fā)現(xiàn)新的功能基因,促進(jìn)轉(zhuǎn)基因植物的研究,同時(shí)還可以對(duì)轉(zhuǎn)基因植物及其在食用方面的安全性進(jìn)行代謝物組學(xué)水平上的評(píng)估;●通過(guò)研究不同生態(tài)環(huán)境下植物的代謝產(chǎn)物,了解植物的區(qū)域性分布。如果所研究的植物是某種藥用植物,則就可以應(yīng)用于中藥道地藥材的確定;●植物在受到某種內(nèi)部或外界因素刺激之后會(huì)產(chǎn)生的特定的應(yīng)激變化,最終會(huì)表現(xiàn)在代謝物的改變上,通過(guò)研究這種變化規(guī)律,為從植物中定向培養(yǎng)得到某一特定代謝物提供指導(dǎo)。20世紀(jì)末到本世紀(jì)初，大規(guī)模的基因組測(cè)序工作產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)。但僅僅是依賴DNA序列

4、我們能夠得到的信息還是有限的，科學(xué)家迫切希望在整體水平上了解基因表達(dá)的特征和基因所編碼的產(chǎn)物的功能。因此，“功能基因組學(xué)(functionalgenomics)”的研究逐漸興起。它是通過(guò)大規(guī)模地分析細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄水平(轉(zhuǎn)錄組)和蛋白質(zhì)水平(蛋白質(zhì)組)上的變化，進(jìn)而推測(cè)基因功能，這就開(kāi)啟了“功能基因組學(xué)”的研究。二、代謝組學(xué)在系統(tǒng)生物學(xué)中的地位然而，轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組不一定能很好地預(yù)測(cè)基因的功能。盡管轉(zhuǎn)錄組攜帶了細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的密碼子，但是mRNA水平上的增加與蛋白質(zhì)水平的增加并不一致，況且蛋白質(zhì)合成后的各種修飾往往帶來(lái)活性的改變。考慮到這些因素，僅憑轉(zhuǎn)錄組或者蛋白質(zhì)組的改

5、變不一定能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)生化表型(代謝物)的改變。另外，在建立轉(zhuǎn)錄譜和蛋白譜的時(shí)候，要鑒定一種mRNA或者蛋白質(zhì)，現(xiàn)代的技術(shù)手段主要是通過(guò)序列相似性比對(duì)和與數(shù)據(jù)庫(kù)的匹配來(lái)確定的，這樣的鑒定主要依賴于匹配度，因此不是直接的。由于現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)信息的缺乏，轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組也就只能提供有限的信息。代謝組可以在代謝物的基礎(chǔ)上來(lái)區(qū)分表型；不論是可見(jiàn)的還是不可見(jiàn)的表型，用代謝物來(lái)區(qū)分可能是更無(wú)偏見(jiàn)的，至少是提供了代謝水平上的證據(jù)。而且，在那些由突變體或者轉(zhuǎn)基因造成的可以測(cè)量的表型變化的實(shí)例中，代謝組的方法可以被用來(lái)闡明造成這種可見(jiàn)表型的生化原因或者結(jié)果。因此，以DNA、mRNA、蛋白質(zhì)和

6、代謝物為研究對(duì)象的基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)是一個(gè)密切相關(guān)的整體，他們共同構(gòu)成系統(tǒng)生物學(xué)（systemsbiology)?；蚪M、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組的關(guān)系系統(tǒng)生物學(xué)研究的四個(gè)層次代謝組學(xué)研究技術(shù)步驟三、植物代謝組學(xué)的研究方法植物材料培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析與解釋樣品制備成分分析與鑒定1、植物培養(yǎng)（栽培）對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行培育的目的是為了對(duì)樣本的穩(wěn)定性進(jìn)行控制,相對(duì)于微生物和動(dòng)物而言,植物的人工栽培需要考慮更多的問(wèn)題,如中藥材在不同年齡、不同發(fā)育階段、不同部位以及光照、水肥、耕作等環(huán)境因素的微小差異都可引起生理狀態(tài)的變化,而這些非可控及可控雙重因素的影響很難進(jìn)行精確

7、的控制,從而影響藥用植物代謝組研究的重復(fù)性。為了解決以上問(wèn)題,推薦使用大容量的培養(yǎng)箱,定時(shí)更換培養(yǎng)箱中栽培對(duì)象的位置,以及使用無(wú)土栽培技術(shù)等,利用無(wú)土栽培系統(tǒng)將水和養(yǎng)分直接引入植物根部,并且對(duì)供給量進(jìn)行精確地控制,大大提高了實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。植物代謝物樣品制備分為組織取樣→勻漿→抽提→保存→樣品預(yù)處理等步驟。代謝產(chǎn)物通常用水或有機(jī)溶劑(如甲醇和己烷等)分別提取,獲得水提取物和有機(jī)溶劑提取物,從而把非極性的親脂相和極性相分開(kāi)。分析之前,通常先用固相微萃取、固相萃取和親和色譜等方法進(jìn)行預(yù)處理。然而植物代謝物千差萬(wàn)別,其中很多物質(zhì)稍受干擾結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生改變,且對(duì)