代谢组学及其在农作物研究中的应用

张晓磊，张瑞英

黑龙江省农业科学院 农产品质量安全研究所，农业部农产品质量安全风险评估实验室（哈尔滨），黑龙江 哈尔滨 150086

农业是人类赖以生存的基础，提高农作物品质及确保农产品安全是农业发展的关键问题。但全球范围的农业发展均面临着各种胁迫因素的限制，因此，如何运用科学手段解决农业发展面临的难题是重中之重的工作。虽然基因组学、转录组学和蛋白质组学在植物胁迫及转基因研究中取得一定进展，但基因与功能的关系是非常复杂的，生物体内还存在着十分完备和精细的调控系统以及复杂的物质与能量代谢网络。代谢物作为机体终端产生或消耗的物质、生命活动调控的末端，能更直观地反映机体的变化与状态，代谢物水平是生物体对环境变化和遗传修饰的终端响应，而基因组、转录组和蛋白质组的研究很难涵盖这些重要的生命活性物质[1]。在这种情况下，代谢组学应运而生。

代谢组学是通过检测生物体（细胞、组织或生物体）受外界刺激或干扰（如环境变化或基因修饰）后，其代谢产物种类和水平的变化来研究生物体系的一门科学[2-3]，主要针对相对分子质量小于1000的内源性小分子物质。植物代谢组学是代谢组学的重要分支，主要研究不同物种、不同基因类型或生态类型的植物在不同生长时期或受到某种刺激前后所有小分子代谢产物的相应变化，包括种类、数量上的改变及其变化规律，进而发现一些未知基因或蛋白的功能，从而进一步研究机体在逆境下的调控机制，寻找代谢物与生理或病理变化的相对关系[4-5]。

鉴于代谢组学的独特优势，其在农作物研究中的重要性也越来越获得重视。通过代谢组学技术，得到农作物与环境变化之间的关系，这将对农业生产、农作物种植预警起到不可忽视的作用，在农业研究中有着十分广阔的应用前景。

1 代谢组学在农作物非生物胁迫中的应用

1.1 氮磷钾失衡胁迫

氮磷钾是植物生长发育的必需元素，但由于土壤资源有限、元素有效利用率低或施肥不均衡等原因，往往导致农作物面临营养元素失衡，其体内代谢物也发生相应变化。Schlüter等[6]发现低氮胁迫处理后玉米叶片淀粉有少量积累，碳水化合物含量相应增加，同时亦导致磷酸盐的积累，且显著下调磷胁迫相关基因的表达。同时，其团队还分析了低磷胁迫下玉米叶片的代谢组[7]，发现除硝酸盐同化作用降低外，低磷胁迫使玉米叶片淀粉含量降低。这种与低氮胁迫相反的结果，说明这2种胁迫可能引起不同的代谢反应途径。曾建斌等[8]利用气相色谱-质谱（GC-MS）联用技术，研究了正常供钾与低钾胁迫下大麦的代谢组差异，并鉴定出61种代谢物可能在植物响应低钾胁迫中起关键作用。这些结果有助于理解和掌握作物响应氮磷钾失衡胁迫的机制和机理。

1.2 干旱、温度及盐胁迫

土地干旱、盐害及极端温度亦是农业生产上主要的逆境危害，且三者往往会同时出现，对植物的生长发育等诸多代谢过程均有着严重的影响，包括氨基酸代谢、糖代谢、脂质代谢、三羧酸循环和多元醇的合成等[9-11]。Sun等[12]应用核磁共振（NMR）技术发现，在干旱、盐及高温多重胁迫下，玉米叶片多种代谢物发生显著变化，包括葡萄糖、果糖、苹果酸盐、柠檬酸盐、脯氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺酸及苏氨酸，且这些变化是时间依赖性的。在低温胁迫后玉米的代谢组也发生相似变化[13]。Guo等[14]对玉米幼苗在中性盐及碱性盐胁迫下的代谢组变化进行了系统分析。GC-MS结果表明，碱性盐使植物糖异生作用改变，同时抑制光合作用、氮代谢、糖酵解、及多种氨基酸的合成。

1.3 重金属胁迫

我国大部分地区的农作物均有不同程度的重金属污染。过量的重金属会抑制或刺激某些酶的活性，影响蛋白质合成，降低光合呼吸作用，使植物萎蔫发黄、畸变甚至死亡，直接影响作物质量和产量。这些生理过程涉及多种代谢途径的变化，包括氨基酸代谢、硫代谢、有机酸代谢、胺类物质代谢等[15-16]。Rouphael等[5]通过液相色谱-质谱（LC-MS）联用技术发现，油麦菜根系中积累的多胺及其偶合物在锌胁迫响应中起关键作用。在纳米铜胁迫下，黄瓜叶片和根系中氨基酸、抗坏血酸、酚类化合物水平显著上升，柠檬酸水平下降[17]。Wang等[18]发现镉、铅处理的萝卜体内糖类、氨基酸和有机酸水平显著改变。在铅胁迫下，玉米根和茎中分别有20和37种代谢物水平显著升高，包括多种氨基酸、有机酸和辅酶[19]。

2 代谢组学在农作物生物胁迫中的应用

我国农业受病虫危害严重，借助代谢组学技术，我们可以对农作物在病虫害胁迫下相关代谢产物展开动态监测，挖掘更多更可靠的抗病虫害相关基因信息。Widarto等[20]比较了菜蛾幼虫侵害的油菜叶的代谢变化。与对照组相比，其苏氨酸、丙氨酸、葡萄糖和蔗糖水平均发生显著变化。Liu等[21]通过代谢组学研究发现次生代谢物在水稻抵御褐飞虱感染中起关键作用。

由真菌引起的植物疾病亦是影响农业发展的严重因素。代谢组学研究可揭示病原菌不同生长发育过程的代谢信息，探索病原菌侵染植物过程相关的代谢物及代谢途径等。Rubert等[22]分析了镰刀菌侵染的小麦代谢组。其研究表明，小麦快速响应镰刀菌侵染的标志为甘油二酯快速被磷酸化为磷脂酸；同时，烷基间苯二酚浓度显著升高，且磷脂酸水解及13-脂氧化酶信号途径被激活。Chitarrini等[23]通过代谢组学技术寻找葡萄响应霜霉病的生物标志物，发现有53种代谢物在病原菌侵染后有显著变化，包括不饱和脂肪酸、神经酰胺、脯氨酸、糖类、卫素和一些新的标志物。这种通过代谢组学寻找病原侵袭后植物产生的重要生物标志物的方法，为研究病原菌对作物侵害的机理提供了新的途径，通过对标志物定性或定量检测，进而对农作物的病原侵害进行预警，对农业发展有着重要的推进作用。

3 代谢组学在转基因农作物中的应用

目前，转基因农作物是否会对健康和环境等产生不良影响还存在争议，因此，对转基因农作物的安全评估是目前科研领域的一项重要课题。虽然“实质等同性”是目前普遍公认的评价转基因食品安全性原则，但由转基因产生的非预期效应却无法衡量。组学技术，尤其是代谢组学，能在生物学水平上检测转基因农作物遗传变化，通过对非转基因和转基因农作物代谢物的比较和鉴别，找出代谢差异物，不仅从系统生物学的角度分析转基因带来的本质性变化，也能揭示转基因植物的各种非预期变异效应。此方向是目前转基因农作物研究的热点。

Gareth等[24]系统比较了转基因和非转基因马铃薯的代谢组，发现两者之间的代谢水平并没有显著差异，转基因马铃薯和普通马铃薯是实质等同的。转入蔗糖非发酵-1相关蛋白激酶（SnRK1）基因的马铃薯，除了相关糖类水平升高外，其他代谢物水平并无变化[25]。Hanhineva等[26]分析了转基因草莓的代谢物水平，其肉桂酸盐、香豆酸盐、阿魏酸盐衍生物的含量有所上升，而黄酮醇含量却下降趋势。这些结果为转基因农作物的安全评估开拓了新的技术平台。

4 植物代谢组学的研究方法

由于代谢组学分析对象的物化性质差异很大，要对它们进行无偏向的全面分析，选择合适的鉴定技术是代谢组学研究的关键。常见的代谢分析仪器在灵敏度等方面各有特点，依靠单个分析平台还不能检测到生物样品中所有的代谢物，需要综合使用多种分析检测方法[27]。

4.1 气相色谱和质谱联用技术

色谱是分离混合物的有效方法，而气相色谱是最先发展起来的色谱技术[28]，也是代谢组学研究的核心方法之一，适合分析挥发性有机物和亲水性代谢物[29]。其中，全二维气相色谱（GC×GC）是目前最具有高峰容量和高分辨率的气相色谱技术[30]。但GC-MS通常需要对样品进行衍生化处理以增加化合物的挥发性，否则无挥发性的代谢物就不能被检测到。另外，GC-MS也不适合分析热不稳定物质和大分子代谢物。

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4.2 液相色谱和质谱联用技术

LC-MS可检测复杂生物样品中未知的内源与外源代谢物，更适合高沸点、热稳定性差、大分子和极性强化合物的分离分析，且不需要对样品进行衍生化处理。高效液相色谱-质谱（HPLCMS）以其高灵敏度和重复性，已广泛用于亲水性代谢物的代谢组分析[31-32]，而超高效液相色谱-质谱（UPLC-MS）更大大提高了分析的速度、灵敏度和分辨率，如UPLC-Q-TOF-MS的精确质量检测能力达到5ppm以下，为植物代谢组学的研究提供了更强大的工具[33]。

4.3 核磁共振技术

NMR技术能在不破坏样品结构的基础上，准确识别分析物的结构，适合同时分析大量代谢物，更适合鉴定一般生物组织和液体的代谢物图谱[34]。其中高效液相色谱和核磁联用（HPLCNMR）技术是较常用的方法[35]，但其主要缺点是灵敏度低，不适合分析低丰度的代谢物。

5 农作物代谢组学的研究展望

目前，尽管代谢组学在农作物响应逆境胁迫的研究中取得一些进展，但人们对于植物复杂的胁迫应答代谢机理的认识仍非常有限。应用代谢组学开展更多逆境胁迫下农作物应答相关研究，将提高对农作物耐受环境胁迫的分子机理的认识，能促进对农作物胁迫应答代谢规律的了解，有利于从整体水平上把握农作物胁迫应答机制，从而进行作物抗逆性的改良，提高农产品产量和质量，对农作物的遗传多样性、抗胁迫生理研究有重要的理论研究意义和实际应用价值。

参考文献