沙米和藜麦种子代谢组比较分析

赵杰才，麻 彦，周 琴，赵 昕，马小飞，陈国雄

(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所/沙坡头沙漠试验研究站/甘肃省寒区旱区逆境生理与生态重点实验室，兰州 730000)

沙米和藜麦种子代谢组比较分析

赵杰才，麻 彦，周 琴，赵 昕，马小飞，陈国雄

(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所/沙坡头沙漠试验研究站/甘肃省寒区旱区逆境生理与生态重点实验室，兰州 730000)

为解析沙米和藜麦两种植物的种子代谢物，利用GC×GC-TOF MS平台开展非靶向沙米和藜麦种子代谢组分析。科尔沁沙地沙米、腾格里沙漠沙米和山西静乐藜麦种子检测到了106个代谢物。沙米代谢物相对含量有6个显著高于、17个显著低于藜麦，其余代谢物没有显著差异。在沙米代谢组中相对含量较高，而在稻米和小麦代谢组中都没有检测到的代谢物有棉籽糖、原儿茶酸和木糖醇等，这些代谢物可弥补稻米和小麦的营养不足。对以稻米或小麦为主食的人群来说，沙米是理想的药食同源食物。

沙米；藜麦；代谢物；药食同源；流动沙丘

沙蓬米即沙米，是苋科藜亚科一年生野生草本植物，生长于干旱半干旱地区流动沙丘或裸露沙地上，是沙区的传统美食。沙米种子蛋白质、脂肪酸和碳水化合物含量分别为23%、10%、45%左右，其营养价值不亚于藜麦[1]。藜麦也是苋科藜亚科一年生草本植物，原产于南美洲安第斯山脉，已有5 000年的驯化历史。由于藜麦的高营养价值及其耐旱性，联合国粮农组织把2013年定为国际藜麦年[2]，旨在向全世界推荐藜麦。

代谢组是生物体内小分子(MW<1 000)代谢物总和，是基因表达和代谢产生的最终产物或中间产物，处于生命信息传递的终端，它能表现出生物体系整体功能或状态的最终结果[3]。代谢组分析可应用于微生物学、植物学、食品及营养科学、毒理学研究、临床疾病诊断及药物开发等领域[3-6]，在农作物种子分析方面的应用有黄豆[7-9]、小麦[10，11]、水稻[12，13]、大麦[14]等。本文用非靶向方法开展了沙米和藜麦种子的代谢组分析，以揭示2种植物种子代谢物的异同。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用2个野生沙米群体种子，一种为地处科尔沁沙地的辽宁省阜新市彰武县阿尔乡群体种子(此后称阿尔乡沙米)；另一种是地处腾格里沙漠的甘肃省民勤县群体种子(此后称民勤沙米)；藜麦种子，购自山西省静乐县，经过发芽试验，取发芽率和发芽势皆高的6个不同商家的藜麦种子。2个沙米群体和藜麦种子各有6个生物学重复。

1.2 代谢组测定分析

种子代谢组的测定分析由上海阿趣生物科技有限公司完成。代谢组平台：GC×GC-TOF MS，型号：Pegasus 4D，厂家：LECO (USA)。

基础数据分析包括：数据预处理，偏最小二乘法-判别分析(PLS-DA)，正交偏最小二乘法-判别分析(OPLS-DA)，差异化合物筛选和鉴定，代谢通路分析。

2 结果与讨论

2.1 代谢组数据可靠性分析

沙米和藜麦共18个样本，检测到483个峰。对第一、二主成分进行建模分析。阿尔乡沙米与民勤沙米比较的OPLS-DA得分如图1A所示，可见2个沙米群体可以显著分开，沙米和藜麦也能清晰分开(图1B)。分析显示本代谢组分析数据可靠，可以进行代谢物及代谢通路分析。

2.2 沙米和藜麦的代谢物及代谢通路

沙米和藜麦代谢组分析鉴定出106个代谢物，其中89个代谢物定位到简化代谢通路网络(图2)，未能找到相应的代谢通路。沙米和藜麦种子的主要代谢通路有：三羧酸循环、醣酵解/糖质新生、淀粉与蔗糖代谢、戊糖和葡萄糖醛酸酯互变、果糖和甘露糖代谢、半乳糖代谢、嘧啶代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、苯丙氨酸代谢、脂肪酸生物合成等代谢通路。

图1 阿尔乡沙米与民勤沙米(A)及沙米与藜麦(B)的OPLS-DA得分图

图2 沙米和藜麦种子简化代谢通路网络

2.3 沙米及藜麦代谢组比较

科尔沁沙地的阿尔乡沙米、腾格里沙漠的民勤沙米及山西省静乐县的藜麦代谢组都含有106个显著代谢物，只是相对含量有差异。阿尔乡沙米和民勤沙米的差异代谢物有10种(表1)，其中阿尔乡显著低于民勤的代谢物有3种，阿尔乡高于民勤的代谢物有7种。沙米种子有10%左右的代谢物响应不同的生态环境，这些代谢物可能与沙米的环境适应性有关。

沙米和藜麦的差异代谢物有23种(表2)，其中沙米比藜麦高的代谢物有6种，沙米比藜麦含量低的代谢物有17种。

肌醇半乳糖苷和棉籽糖在民勤沙米和阿尔乡沙米中的相对含量差异不显著、其中沙米中的相对含量显著大于藜麦中的相对含量。民勤处于干旱区沙漠，而阿尔乡处于半干旱区沙地，藜麦是农作物，环境条件显著不同，由此推断，肌醇半乳糖苷和棉籽糖是沙米适应沙漠逆境的标志性代谢物。肌醇半乳糖苷和棉籽糖是典型的耐逆物质，与多种耐逆响应有关[15-19]，它们不仅是渗透调节物质和细胞膜稳定剂，还是活性氧清除剂，可以减轻干旱、盐及冷胁迫所引起的活性氧的危害[20]，它们在拟南芥耐强光适应中积累，说明其在植物耐强光中的作用[21]。沙米能够适应流动沙丘，与它的耐强光性有关，午间可以同时受高强光和高温胁迫。肌醇半乳糖苷在种子发育后期脱水过程中产生，其含量可以反映环境的变化[22]。由于肌醇半乳糖苷和棉籽糖的抗氧化特性，在沙米代谢组中，它们的相对含量较高，在阿尔乡沙米中排名分别为第3和第5，在民勤沙米中排名分别为第1和第5，沙米应该具有很好的保健作用。在稻米种子代谢组中肌醇半乳糖苷相对含量很低，排在最后几个代谢物中，而棉籽糖没有检测到[23]。在小麦种子代谢组中没有检测到肌醇半乳糖苷和棉籽糖[24]，可见在种子发育过程中，肌醇半乳糖苷和棉籽糖积累并不是一种普遍现象。

表1 阿尔乡沙米和民勤沙米显著差异代谢物

表2 沙米和藜麦显著差异代谢物

脯氨酸相对含量在藜麦中排在前10位，在沙米中相对含量没在前10位，处于中上水平，脯氨酸相对含量在藜麦代谢组中高于在沙米代谢组中。细菌、真菌、原生动物、海洋无脊椎动物和植物受各种胁迫后，就会发生脯氨酸积累，这些胁迫包括盐胁迫、干旱、高温、低温、重金属、病害、厌氧、营养缺乏、空气污染、紫外辐射等[25]。在未受胁迫的植物中，种子的脯氨酸含量比其它器官高，脯氨酸在种子发育过程中起到渗透调节作用。脯氨酸在藜麦种子中保护作用比在沙米种子中的保护作用更重要，沙米种子的保护作用主要由肌醇半乳糖苷和棉籽糖提供。在稻米种子代谢组中[23]和小麦种子代谢组中[26]都有较高的脯氨酸含量，可见在种子发育过程中，积累脯氨酸是一种比较普遍的现象。

在沙米代谢组中，相对含量较高(相对含量>0.01)，而在稻米和小麦代谢组中[24，25]都没有检测到棉籽糖、甘油磷酸、葡萄糖-1-磷酸、2-羟基吡啶、原儿茶酸、羟胺、对苯二甲酸、木糖醇。这些代谢物可能弥补稻米和小麦的营养不足，对以稻米或小麦为主食的人群来说，沙米是理想的药食同源食物。棉籽糖是一种功能性低聚糖，在人体小肠中不降解、不吸收、能量低、有甜味，在大肠中是双歧杆菌的增殖因子，能抑制腐败菌产生的有害物质，有整肠作用，预防便秘，对双歧杆菌有益，而双歧杆菌可以合成维生素B1、维生素B2、维生素B6、维生素B12和烟酸及叶酸等营养物质，提高机体免疫力[27]。葡萄糖-1-磷酸(G1P)，受葡萄糖磷酸变位酶催化，生成葡萄糖-6-磷酸，进入糖酵解途径[28]，是重要的能量物质；G1P是糖核苷酸生物合成的主要成分，也是海藻糖合成的主要底物，能提高钙在小肠内的运输活性[29]；G1P抑制细胞生长，可用于癌症和心脏病的治疗[30，31]。原儿茶酸具有增加冠脉流量、制血小板聚集和抗菌消炎作用[32，33]，还有明显的神经保护作用[34]，可作为防治帕金森病药物中的主要成分[35]。我国“四大南药”之一益智仁的主要成分包含原儿茶酸，具有抗癌和保护心血管等作用[36]。木糖醇，一种健康的甜味剂，是糖尿病患者最适宜的营养性食糖代替品，有益于肝糖元合成，可辅助治疗肝炎并发症，应用于各种减肥食品中，因其难被细菌代谢，影响血链球菌的致龋性[33]。

3 结论

沙米种子与藜麦种子代谢组基本一致，证明了沙米营养价值可与藜麦营养价值相媲美。沙米种子有10%左右的代谢物响应不同的生态环境，这些代谢物可能与沙米的环境适应性有关。肌醇半乳糖苷和棉籽糖在民勤沙米和阿尔乡沙米中的相对含量差异不显著，沙米中的相对含量显著大于藜麦中的相对含量，它们是沙米适应沙漠逆境的标志性代谢物，在农作物种子中的积累并不是一种普遍现象。脯氨酸在藜麦种子中保护作用比在沙米种子中的保护作用更重要，在稻米种子和小麦种子代谢组中都有较高的脯氨酸含量，可见在种子发育过程中，积累脯氨酸是一种比较普遍的现象。在沙米代谢组中，相对含量较高，而在稻米和小麦代谢组中都没有检测到的代谢物有棉籽糖、甘油磷酸、葡萄糖-1-磷酸、2-羟基吡啶、原儿茶酸、羟胺、对苯二甲酸、木糖醇，这些代谢物可弥补稻米和小麦的营养不足。对以稻米或小麦为主食的人群来说，沙米是理想的药食同源食物。◇

[1]Chen G X，Zhao J C，Zhao X，etal.A psammophyteAgriophyllumsquarrosum(L.)Moq.：a potential food crop [J]. Genetic Resources and Crop Evolution，2014，61：669-676.

[2]Bioversity International and FAO.Concept note：celebrating the international year of quinoa[EB/OL]. http：//www.fao.org/quinoa-2013/publications/fao/concept-note-celebratingthe-%20international-year-of-quinoa/ar/?no_mobile=1，2012.

[3]许国旺，路鑫，杨胜利.代谢组学研究进展[J]. 中国医学科学院学报，2007，29：701-711.

[4]李宁，范雪梅，王义明，等.代谢组学及其分析技术的研究进展[J]. 中南药学，2014，12：668-673.

[5]许国旺，杨军.代谢组学及其研究进展[J]. 色谱，2003，21：316-320.

[6]邱绪建，耿伟，刘光明，等.代谢组学方法在食品安全中的应用研究进展[J]. 食品工业科技，2012，33：369-373.

[7]Dclarke J，Calexander D，Pward D，etal.Assessment of Genetically Modified Soybean in Relation to Natural Variation in the Soybean Seed Metabolome [J]. Scientific Reports，2013，3：3082.

[8]Millar K，Jgibson D，Gyoung B，etal.Impact of interspecific competition on seed development and quality of five soybean cultivars [J]. Animal Production Science，2007，47：1455-1459.

[9]Lin H，Rao J，Shi J，etal.Seed metabolomic study reveals significant metabolite variations and correlations among different soybean cultivars [J]. Journal of Integrative Plant Biology，2014，56：826-836.

[10]Zhen S X，Dong K，Xiong D，etal.Dynamic metabolome profiling reveals significant metabolic changes during grain development of bread wheat (TriticumaestivumL.)[J]. Journal of the Science of Food & Agriculture，2016，doi：10：1002/jsfa.7561.

[11]De Leonardis A M，Fragasso M，Beleggia R，etal.Effects of Heat Stress on Metabolite Accumulation and Composition，and Nutritional Properties of Durum Wheat Grain [J]. International Journal of Molecular Sciences，2015，16：30382-30404.

[12]Nam K，Jaeshin H，Pack I，etal.Metabolomic changes in grains of well-watered and drought‐stressed transgenic rice [J]. Journal of the Science of Food and Agriculture，2016，96：807-814.

[13]Nam M，Bang E，Kwon T，etal.Metabolite Profiling of Diverse Rice Germplasm and Identification of Conserved Metabolic Markers of Rice Roots in Response to Long-Term Mild Salinity Stress [J]. International Journal of Molecular Sciences，2015，16：21959-21974.

[14]Gorzolka K，Lissel M，Kessler N，etal.Metabolite fingerprinting of barley whole seeds，endosperms，and embryos during industrial malting [J]. Journal of Biotechnology，2012，159：177.

[15]Taji T，Ohsumi C，Iuchi S，etal.Important roles of drought and cold inducible genes for galactinol synthase in stress tolerance in Arabidopsis thaliana [J]. Plant Journal，2002，29：417-426.

[16]Panikulangara T，Eggersschumacher G，Wunderlich M，etal.Galactinol synthase1.A Novel Heat Shock Factor Target Gene Responsible for Heat-Induced Synthesis of Raffinose Family Oligosaccharides in Arabidopsis [J]. Plant Physiology，2004，136：3148.

[17]Kaplan F，Kopka J，Haskell D，etal.Exploring the Temperature-Stress Metabolome of Arabidopsis [J]. Plant Physiology，2004，136：4159-4168.

[18]Kaplan F，Kopka J，Sung D，etal.Transcript and metabolite profiling during cold acclimation of Arabidopsis reveals an intricate relationship of cold-regulated gene expression with modifications in metabolite content [J]. Plant Journal，2007，50：967-981.

[19]Peters S，Mundree S，Thomson J，etal.Protection mechanisms in the resurrection plant Xerophyta viscosa (Baker)：both sucrose and raffinose family oligosaccharides (RFOs)accumulate in leaves in response to water deficit [J]. Journal of Experimental Botany，2007，58：1947-1956.

[20]Nishizawa A，Yabuta Y，Yoshida E，etal.Arabidopsis heat shock transcription factor A2 as a key regulator in response to several types of environmental stress [J]. Plant Journal，2006，48：535-547.

[21]Jankanpaa H，Mishra Y，Schroder W，etal.Metabolic profiling reveals metabolic shifts in Arabidopsis plants grown under different light conditions [J]. Plant Cell and Environment，2012，35：1824-1836.

[22]Clarke S，Kingston J，James K，etal.Acceptance and Commitment Therapy group for treatment-resistant participants：A randomized controlled trial [J]. Journal of Contextual Behavioral Science，2014，3：179-188.

[23]Hu C，Tohge T，Chan S A，etal.Identification of Conserved and Diverse Metabolic Shifts during Rice Grain Development [J]. Scientific Reports，2016，6：20942.

[24]M.Francki，S.Hayton，J.Gummer，etal.Metabolomic profiling and genomic analysis of wheat aneuploid lines to identify genes controlling biochemical pathways in mature grain [J]. Plant Biotechnology Journal，2015，14：649-660.

[25]N.Verbruggen，C.Hermans.Proline accumulation in plants：a review [J]. Amino Acids，2008，35：753-759.

[26]Zhen S，Dong K，Deng X，etal.Dynamic metabolome profiling reveals significant metabolic changes during grain development of bread wheat (TriticumaestivumL.)[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture，2016，doi：10：1002/jsfa.7561.

[27]袁美兰，温辉梁，黄绍华.功能性低聚糖-棉籽糖的开发应用现状[J]. 中国食品添加剂，2002，9：54-57.

[28]Kitaoka M，Hayashi K.Carbohydrate-processing phosphorolytic enzymes [J]. Trends in Glycoscience & Glycotechnology，2002，14：35-50.

[29]Fraser D，Kodicek E.Unique Biosynthesis by Kidney of a Biologically Active Vitamin D Metabolite [J]. Nature，1970，228：764-766.

[30]Vandamme，E Van Loo J，Machtelinckx L，etal.Microbial Sucrose Phosphorylase：Fermentation Process，Properties，and Biotechnical Applications [J]. Advances in Applied Microbiology，1987，32：163-201.

[31]Parish C，Cowden WB，Willenborg DO.Phosphosugar-based anti-inflammatory and/or immunosuppressive drugs [P]. 1996，Patent US5506210.

[32]徐宗佩，张伯礼，李尚珠，等.中药单体原儿茶醛对瘀血证患者单核细胞趋化游走能力的影响[J]. 天津中医，2002，26：49-50.

[33]赵光洁，赵燕霞，姜新亚，等.蔗糖及木糖醇对血链球菌和变异链球菌相互作用的影响[J]. 牙体牙髓牙周病学杂志，2016，(01)：7-11，20.

[34]An L，Guan S，Shi G，etal.Protocatechuic acid fromAlpiniaoxyphyllaagainst MPP+-induced neurotoxicity in PC12 cells [J]. Food and Chemical Toxicology，2006，44：436.

[35]刘叶明，郑甜甜，徐美娟，等.益智仁中的原儿茶酸对鱼藤酮损伤PC12细胞的保护作用[J]. 辽宁大学学报(自然科学版)，2016，43：61-67.

[36]代汝伟，章时杰，蔡伟彬，等.原儿茶酸对β淀粉样蛋白诱导PC12细胞毒性的保护作用及机制[J]. 广州中医药大学学报，2016，33：66-70.

(责任编辑 李婷婷)

Comparative Analysis on Metabolomics of Agriophyllum squarrosum and Chenopodium quinoa Seeds

ZHAO Jie-cai，MA Yan，ZHOU Qin，ZHAO Xin，MA Xiao-fei，CHEN Guo-xiong

(Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences/Shapotou Desert Experiment and Research Station/Key Laboratory of Stress Physiology and Ecology in Cold and Arid Regions in Gansu Province，Lanzhou 730000，China)

To understand seed metabolites ofAgriophyllumsquarrosumandChenopodiumquinoa，untargeted metabolomics analysis of sand rice and quinoa seeds had been conducted using GC×GC-TOF MS platform.A total of 106 metabolites were identified in sand rice seeds harvested from Horqin sandy land and Tengger Desert and Quinoa seeds produced in Jingle，Shanxi，China.The metabolites had similar relative contents between sand rice and quinoa except of six metabolites higher and 17 metabolites lower in sand rice than in quinoa.Some metabolites such as raffinose，dihydroxybenzoic acid，and xylitol had a high content in sand rice but could not be identified in rice and wheat.These metabolites may complement the lack of nutrients in rice and wheat.Sand rice is a perfect affinal drug and diet for people who eat mainly rice or wheat.

Agriophyllumsquarrosum;Chenopodiumquinoa；metabolite；affinal drug and diet；active sand dune

国家重点基础研究发展计划(项目编号：2013CB429904)；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所成果转化引导基金(项目编号：Y655831001)。

赵杰才(1986— )，男，在读博士研究生，研究方向：植物生理生态学。

陈国雄(1963— )，男，博士，研究员，研究方向：植物生理生态学。