植物响应温度胁迫的代谢组学研究进展

周连玉，李园媛，王文妮，钟松

（青藏高原资源与环境教育部重点实验室，青海师范大学生命与地理科学学院，青海西宁810008）

植物响应温度胁迫的代谢组学研究进展

周连玉，李园媛，王文妮，钟松

（青藏高原资源与环境教育部重点实验室，青海师范大学生命与地理科学学院，青海西宁810008）

在极端温度胁迫下，植物体内会发生一系列复杂的生理、生化变化来响应外界环境。代谢组学已成为系统生物学的重要组成部分之一，是对某一生物、组织或细胞中小分子量的代谢产物进行定性和定量分析，以揭示生命现象与过程。综述了植物响应温度胁迫的代谢谱分析，并展望了代谢组学急需解决的问题。这将为今后引种、驯化、改良和培育抗寒或耐热植物提供充分的理论依据。

植物；代谢组学；温度胁迫

极端温度、干旱、盐碱、病原菌等非生物和生物因子严重影响植物的生长和生产力。温度胁迫是重要的非生物胁迫因子之一，影响植物的生长发育、生产量和地理分布范围，诱导植物在分子、细胞、生理和生化水平上发生显著改变[1-2]，从而使其克服温度胁迫环境。

代谢组学、基因组学、转录组学和蛋白质组学是系统生物学研究的重要组成部分。代谢组学（metabolomics/metabonomics）是继基因组学、转录组学和蛋白质组学后又一个新发展起来的组学。“metabolomics”是由德国科学家FIEHN在21世纪初提出的，即“定性、定量分析某一生物或细胞中所有分子量在1 000以内的代谢物”，主要利用色谱-质谱联用技术对植物和微生物进行相关研究。并且依据研究的对象和目的不同，FIEHN[3]将生物代谢分析（metabolite analysis）归纳为4类：目标分析（target analysis）、代谢谱分析（metabolic profiling）、代谢物组分析（metabolomics analysis）和代谢指纹分析（metabolic fingerprinting）。“metabonomics”是由1999年英国NICHOLSON定义为“定量测定生命体系中受生理、病理或基因改造而引起的多种代谢物变化”，主要侧重于运用核磁共振法研究人或动物在疾病作用下总代谢物的变化情况。代谢组学的研究也已成为系统生物学的重要组成部分之一，其研究结果可揭示出基因组、转录组和蛋白组受遗传或环境因素影响后的变化规律，更接近细胞或生物的表型，由此越来越广泛地被应用[3]。代谢组学以大规模的实验方法学和统计计算分析相结合为特征，涉及对生物样品中的代谢物提取和预处理、代谢组分的定性和定量分析以及对海量数据的解析等方面的研究。通过代谢产物变化作为标记，进行代谢组的综合研究，有助于找到调节代谢的关键因素，增强人们对植物如何响应各种逆境胁迫的理解。笔者综述了近年来代谢谱分析在植物对温度逆境响应中的研究进展，并讨论了代谢组研究的现状和今后的发展方向。

1 植物响应低温胁迫的代谢组学

代谢可反映生物活体和状态，随着不断改进代谢产物的检测和鉴定技术，植物应答非生物胁迫的代谢调节得到广泛的关注[4-5]。目前，植物逆境防御过程中的代谢组学已成为广泛研究的热点之一，主要是涉及一些模式植物和作物品种[6-9]。在低温（4℃）胁迫下，拟南芥植株体内天冬氨酸、鸟氨酸、精氨酸含量的增加表明了尿素合成途径被上调；α-酮戊二酸、延胡索酸、苹果酸、柠檬酸等化合物在低温胁迫下积累揭示了三羧酸循环途径被激活[6]。在后续的研究中，这些代谢组数据和转录组学数据相互结合揭示拟南芥低温适应的机理[10]。外源物质对植物响应低温胁迫的代谢谱的作用效果也受到一些学者关注，泡叶藻（Ascophyllum nodosum）提取物能促进拟南芥在低温胁迫下可溶性糖、糖醇、有机酸和脂肪酸的积累，这一结果也被转录组学数据分析所证实[11]。另外，SHI等[12]研究外源钙对狗牙草（Cynodon dactylon）在正常温度（28℃）和低温（4℃）条件下产生的特异性差异蛋白和代谢产物的影响，结果表明，外源钙可使51种蛋白质的丰度发生改变，基于气相-质谱联用技术（GC-MS）平台鉴定出43种代谢物，有39种化合物受到外源钙的显著影响，其中，33种代谢物在外源钙作用下增多。

有关不同物种间代谢谱的比较研究，SON等[13]应用核磁共振技术（NMR）比较6个葡萄（Vitis vinifera）品种响应10℃条件的代谢谱，发现不同品种间代谢谱不同，3个品种的脯氨酸水平高，另外3个则反之。BENINA等[14]基于GC-MS平台比较3个物种于21，4℃生长下的代谢谱，正常温度下巴尔干苣苔（Haberlea rhodopensis）中棉子糖、蜜二糖、海藻糖、鼠李糖、肌醇、山梨糖醇、半乳糖、苏糖酸、α-酮戊二酸、柠檬酸和甘油等含量高于其他2种；腐胺和延胡索酸含量在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中最高；盐芥（Thellungiella halophyla）中具有高浓度的丙氨酸、β-丙氨酸、天冬酰胺、组氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、丝氨酸、苏氨酸；3个物种对低温反应不一致，盐芥合成较多的麦芽糖，拟南芥棉子糖合成量增多，而蔗糖含量在3个物种中均上升。VACLAVIK等[15]基于超高效液相-质谱联用技术（UPLC-MS）平台分析8个拟南芥品系的低温代谢谱，发现冷敏感型品系中3-丁烯基硫苷含量较高，而抗寒性品系中黄酮-3-醇糖苷合成量增加。总体上，不同物种响应低温胁迫的代谢谱表现不同，也暗示出一些代谢产物在低温胁迫下发挥着协同作用，由此可借助代谢组学方法来筛选抗寒性品种。

植物是一个复杂而精致的有机体，体内代谢物的合成与分解总是处于微妙的动态平衡状态以感应外部环境变化，维护机体的正常代谢。温度引起许多代谢产物的变化，尤其是低温影响更大，幼龄叶片中大约50%的代谢产物于低温胁迫49 d时表现出显著的变化，而成熟叶片在低温胁迫28 d或49 d时代谢产物几乎无变化[16]。对拟南芥响应低温胁迫过程（0，4，12，24，48，96 h）的代谢产物动态变化分析，229种化合物的含量呈现出持续性或瞬间性增加或降低，其中，92种化合物为低温胁迫初期时增加或降低，66种化合物发生在低温胁迫下中间时段（12～24 h），71种化合物在低温处理后期（48～96 h）降低或增加[6]。ROHLOFF等[17]基于GCMS技术检测3个野草莓品系（Fragaria vesca）响应2℃下0，3，24，72，240 h时的代谢谱，发现在低温胁迫下许多代谢产物于胁迫后期（72，240 h）合成量增加；而根系是植物最敏感的器官之一，其多数代谢物的水平高于植株地上部分，低温对3个品系的代谢途径的影响也不一致。由此可见，植物响应低温胁迫其代谢产物在时间和空间都具有高度的动态性。

2 植物响应高温胁迫代谢组学

从代谢组学方面对植物应答高温胁迫进行研究的报道并不多见，KAPLAN等[6]发现高温胁迫影响拟南芥体内氨基酸、碳水化合物等代谢物的变化。许多氨基酸如天冬酰胺、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、丙氨酸和缬氨酸，是由丙酮酸和草酰乙酸合成，这些氨基酸在高温胁迫下增加；延胡索酸和苹果酸是草酰乙酸的前体物，也在高温胁迫下增加；此外，高温会促进少数含氮化合物如β-丙氨酸、γ-氨基丁酸和腐胺含量上升；碳水化合物如麦芽糖、蔗糖、半乳糖醇、肌醇、棉子糖和单糖在高温胁迫下积累。RIZHSKY等[18]研究结果与上述相似，拟南芥体内β-丙氨酸、甘油、麦芽糖、蔗糖和海藻糖在高温6 h时增加。由此可见，植物对高温胁迫的响应方式是复杂多样的，涉及多种氨基酸、碳水化合物及一些含氮化合物。植物在高温胁迫时常常经历着干旱胁迫，RIZHSKY等[18]使用GC-MS技术研究拟南芥应答高温和干旱复合胁迫下的代谢物变化，复合胁迫下植物积累可溶性糖如蔗糖、麦芽糖、海藻糖、果糖和葡萄糖等，脯氨酸含量仅在干旱胁迫下积累，而在高温和干旱复合胁迫或高温胁迫下脯氨酸含量均不增加。

DU等[19]通过GC-MS技术对狗牙根和草地早熟禾响应高温胁迫的代谢谱进行分析，发现二者的36种代谢物发生改变，狗牙根尤其在胁迫18 d时，大多数代谢物的水平比草地早熟禾高，这些代谢物有7种糖类（蔗糖、果糖、半乳糖、红藻糖、蜜二糖、麦芽糖、木糖）、1种糖醇（肌醇）、6种有机酸（苹果酸、柠檬酸、异柠檬酸、苏糖酸、半乳糖醛酸、甲基丙二酸）和9种氨基酸（天冬酰胺、丙氨酸、缬氨酸、苏氨酸、γ-氨基丁酸、异亮氨酸、甘氨酸、赖氨酸和蛋氨酸）。该研究表明，对高温胁迫的响应，不同物种之间代谢谱不同，不同胁迫阶段表现的代谢谱也不一样，植物体内往往积累多种氨基酸和糖类物质以增强植株的耐热性。

3 温度胁迫代谢谱的比较

植物对高温和低温反应的区别在于，低温胁迫对代谢谱的影响更大于高温胁迫，在低温胁迫早期、中期、后期过程中，代谢产物相对均衡地发生变化；而在高温胁迫过程时，最初30 min内大多数代谢产物发生了明显的变化；其次为高温胁迫所产生的大部分代谢物也会在低温胁迫下产生。KAPLAN等[6]通过GC-MS技术对响应40，4℃的拟南芥植株间的代谢产物进行比较，发现响应高温胁迫所产生的大部分代谢物与低温胁迫产生的代谢物相同，有143种代谢产物在高温胁迫下发生显著变化；311种代谢物在低温胁迫下发生显著改变，而其中大约60%代谢产物不受高温影响。WIENKOOP等[20]使用GCMS检测拟南芥植株响应热胁迫和冷胁迫的代谢研究，也发现响应高温胁迫所产生的大部分代谢物与低温胁迫产生的代谢物相同，此外，结果还表明，脯氨酸、单糖（葡萄糖、果糖）、肌醇半乳糖苷和棉子糖等物质对温度胁迫具有重要作用。

总体上，植物体内的氨基酸、三羧酸循环的中间代谢物、许多碳水化合物含量均会受到温度胁迫的影响[10，16，18，19-22]。

4 展望

植物对温度胁迫产生耐受性的过程中涉及诸多代谢物的变化。近10 a内，从代谢水平上阐述生物响应不良环境的机理研究受到关注。代谢组学是针对所有代谢物进行分析，但是如今仍然没有一种能适合所有代谢产物的提取和预处理方法，实际研究中只能根据不同的研究对象、目的和检测手段而选择不同的提取方法。代谢产物的检测、分析和鉴定是代谢组学的核心技术，但是目前检测分析技术和计算技术均不够成熟和完善。大多数检测技术最多只能分离出数百种代谢物，在实际操作中往往需要采用多种方法进行分析，然而不同检测技术或不同仪器所获得的数据之间的转换、整合分析及误差校验等还没有准确而通用的方法，因此，今后要不断完善和提高代谢组学分析系统的硬件、软件技术，朝着整合化、自动化和高通量方向发展。代谢产物分析谱图包含大量的信息，为了挖掘数据中潜在的信息，需要运用多种数学和统计学的分析工具，如主成分分析法[23]、聚类分析[24]、偏最小二乘判别分析[25-26]和辨别功能分析[27]等方法，而多种数据分析技术的开发研究十分重要。

生物适应胁迫环境是一种许多代谢产物和代谢途径组成的动态变化的复杂过程。不同物种积累不同的代谢产物，代谢途径也常常涉及到多种细胞器的协作，代谢组学技术应用到植物研究中还需要建立植物代谢的专门数据库以及代谢模拟工具。为了更清晰地解释抗逆性代谢物变化的机理，今后的研究需要整合代谢组学、转录组学和基因组学等数据[28]。

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Research Progress in the Metabolomics for Plants Response to Temperature Stress

ZHOULianyu，LI Yuanyuan，WANGWenni，ZHONGSong
（Educational MinistryLaboratoryofEnvironment and Resource in Qinghai-Tibet Platean，College ofLife Science and Geography，Qinghai Normal University，Xining810008，China）

Under acute temperature stress,a complexprocess involvinga number ofphysiological and biochemical changes occured within plants.One promise of systems biology was metabolomics that could be defined as the complete set of small-molecule metabolites within a biology,organ or cell for revealing the process and phenomenon of the life.Here,the paper highlighted a selection of recent publications in the temperature stress field,and the problems that need to be settled in time in metabolomics were prospected.These provided important information for introduction,acclimation,improvement,and breed ofplant cold hardeningor thermotolence.

plant;metabolomics;temperature stress

Q946

A文献标识码：1002-2481（2017）02-0317-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.02.42

2016-10-13

青海师范大学本科生科技创新项目（qhnuxskj2016019）；青海师范大学博士科研启动经费（080021323）

周连玉（1976-），女，湖南安仁人，副教授，博士，主要从事微生物学教学及科研工作。