植物代謝組學

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1、植物代謝組學及其應用河南農(nóng)業(yè)大學生命科學學院趙會杰目錄一、植物代謝組學的概念和意義二、代謝組學在系統(tǒng)生物學中的地位三、植物代謝組學的研究方法四、代謝組學在植物科學中的應用五、展望一、植物代謝組學的概念和意義1、概念生物學中“組”的概念：◆“組”：來源于希臘語ome，意指每個、所有、全部?！粢运鼮楹缶Y最先用于基因組：genome,指一個物種的全部遺傳組成?！糇曰蚪M學概念提出后，帶組學（omics)的概念出現(xiàn)有200多種。如蛋白組學、代謝組學等。近年來,隨著生命科學研究的發(fā)展,尤其是完成擬南芥(Arabidopsisthaliana)和水稻（Oryzasativa)等植

2、物的基因組測序后,植物科學發(fā)生了翻天覆地的變化。有人說生命科學研究跨入了后基因組時代。人們已經(jīng)把目光從基因的測序轉(zhuǎn)移到了基因的功能研究。在研究DNA的基因組學、mRNA的轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)的蛋白組學后,接踵而來的是研究代謝物的代謝組學。代謝組：是指細胞或者生物體內(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：通過大量代謝成分的定性、定量分析來定義生物體的生化表型(代謝表型)及其與基因型的關系，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（metabolomics)。2、意義●通過研究不同物種的

3、代謝產(chǎn)物,可以指導植物分類學,對植物進行更加合理的分類;●通過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,促進轉(zhuǎn)基因植物的研究,同時還可以對轉(zhuǎn)基因植物及其在食用方面的安全性進行代謝物組學水平上的評估;●通過研究不同生態(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產(chǎn)生的特定的應激變化,最終會表現(xiàn)在代謝物的改變上,通過研究這種變化規(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。20世紀末到本世紀初，大規(guī)模的基因組測序工作產(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，科學家迫切希望在整體水平上了解基因表達的特征和基因所編碼的產(chǎn)物的功能。因此，“功能基因組學(functionalgenomics)”的研究逐漸興起。它是通過大規(guī)模地分析細胞內(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，進而推測基因功能，這就開啟了“功能基因組學”的研究。二、代謝組學在系統(tǒng)生物學中的地位然而，轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組不一定能很好地預測基因的功能。盡管轉(zhuǎn)錄組攜帶了細胞內(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活性的改變?？紤]到這些因素，僅憑轉(zhuǎn)錄組或者蛋白質(zhì)組的改

5、變不一定能夠準確預測生化表型(代謝物)的改變。另外，在建立轉(zhuǎn)錄譜和蛋白譜的時候，要鑒定一種mRNA或者蛋白質(zhì)，現(xiàn)代的技術手段主要是通過序列相似性比對和與數(shù)據(jù)庫的匹配來確定的，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上來區(qū)分表型；不論是可見的還是不可見的表型，用代謝物來區(qū)分可能是更無偏見的，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)基因造成的可以測量的表型變化的實例中，代謝組的方法可以被用來闡明造成這種可見表型的生化原因或者結(jié)果。因此，以DNA、mRNA、蛋白質(zhì)和

6、代謝物為研究對象的基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學和代謝組學是一個密切相關的整體，他們共同構(gòu)成系統(tǒng)生物學（systemsbiology)?；蚪M、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組的關系系統(tǒng)生物學研究的四個層次代謝組學研究技術步驟三、植物代謝組學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）對研究對象進行培育的目的是為了對樣本的穩(wěn)定性進行控制,相對于微生物和動物而言,植物的人工栽培需要考慮更多的問題,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行精確

7、的控制,從而影響藥用植物代謝組研究的重復性。為了解決以上問題,推薦使用大容量的培養(yǎng)箱,定時更換培養(yǎng)箱中栽培對象的位置,以及使用無土栽培技術等,利用無土栽培系統(tǒng)將水和養(yǎng)分直接引入植物根部,并且對供給量進行精確地控制,大大提高了實驗的重復性。植物代謝物樣品制備分為組織取樣→勻漿→抽提→保存→樣品預處理等步驟。代謝產(chǎn)物通常用水或有機溶劑(如甲醇和己烷等)分別提取,獲得水提取物和有機溶劑提取物,從而把非極性的親脂相和極性相分開。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行預處理。然而植物代謝物千差萬別,其中很多物質(zhì)稍受干擾結(jié)構(gòu)就會發(fā)生改變,且對