多层组学在植物逆境及育种中的研究进展

熊强强，魏雪娇，施 翔，方加海，陈小荣，贺浩华

(江西农业大学农学院/作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/江西省超级稻工程技术研究中心/双季稻现代化生产协同中心，江西南昌330045)

植物在生长发育过程中会受到各种不利的生物和非生物因素的影响，已经成为制约植物生长发育、影响植物产量和质量的关键因素，如病虫侵害、水分胁迫、温度(高、低温)胁迫和盐胁迫等。植物感受到这些逆境信号通过信号转导过程调节细胞内相关抗逆基因、蛋白的表达[1-3]，调整自身的状态来适应不利环境，最终以代谢产物形式响应环境变化和遗传修饰，生物体的表型是代谢物水平最终的表现[4-5]。当前，单纯研究某一层次生物分子(基因组、转录组、蛋白组或代谢组等)的变化，如通过Gene ontology(GO)分析基因、蛋白功能及相互作用网络，或通过Metabo-Analyst分析小分子代谢产物的相互关系并找寻生物标志物等，已经很难满足系统生物学越来越高的研究期望。因此，综合多组学数据对生物过程从基因、转录、蛋白和代谢水平全面的深入的阐释已成为研究的热点，从而更好的对生物系统进行全面了解[6-8]。

组学(omics)技术是随着系统生物学的发展而迅速发展起来的，它的运用为系统生物学提供了大量的实验数据和先进的技术方法，并且对系统生物学的发展提供了较为新颖的研究思路，大大加速了系统生物学的发展脚步。系统生物学(systems biology)是研究一个生物系统中所有组成成分的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科，整合分析生物系统在生物或非生物等相关因素的干扰下一定时间内的动力学过程及其规律[9-11]。多层组学是一个由左至右、由上而下的系统整合过程，即在深入研究基因、RNA、蛋白质和代谢产物上的一种系统分析和分子调控网络的整合(图1)，同时结合GO功能分析、代谢通路富集、分子互作等生物功能分析，系统全面地解析生物分子功能和调控机制。不同分子层次的组学数据进行整合分析一方面可以相互验证，另一方面也有助于相互补充、拓展认识。

图1 多层组学分子调控网络Fig.1 Multi-omics molecular regulatory network

近年来，以基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学为代表的组学分析方法正逐步在植物逆境胁迫及新品种培育上应用，国内外研究人员均取得了许多突破性的研究成果。本文较为详细地介绍了基因组学、转录组学、蛋白质组学和和代谢组学联合分析在植物响应逆境胁迫、基因功能研究及辅助育种中的最新应用和研究成果，并总结和评述了多层组学整合分析的未来发展趋势。

1 多层组学简介

多层组学主要包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学。通过对基因组、转录组、蛋白组和代谢组数据进行整合分析，可获得相关变化信息，富集和追索到变化最大、最集中的通路，然后对基因到RNA、蛋白质，再到代谢小分子，进而对整体变化物质分子进行综合分析，包括原始通路的分析及新通路的构建，反映出组织器官功能和代谢状态，从而对生物系统进行全面的解读。多层组学主要的分析内容和方法主要包括差异基因功能分析、差异mRNA生物信息分析(GO,pathway)、差异蛋白生物信息分析(GO,pathway,PPI)和差异代谢物生物信息分析(pathway)。进一步分析通常包括两个方面的内容，一是对共同关联的pathway进行整合分析。另一方面，是对将差异代谢物，代谢物直接相关的调控酶、基因和差异蛋白及相关代谢通路通过omicsbean或者cytoscape软件，构建基因、蛋白质、代谢物、及相关代谢通路的互作网路图。

基因组学(Genomics)是研究生物基因组和如何利用基因的一门学问。用于概括涉及基因作图、测序和整个基因组功能分析的遗传学分支。基因组(genome)是指细胞或生物体的一套完整的单倍体遗传物质，是所有不同染色体上全部基因和基因间的DNA的总和[12-13]。

转录组学(transcriptomics)是指某一特定生理条件下从RNA水平研究基因表达的情况，即生物样本内全部转录本的RNA序列的测序，是研究细胞表型和基因功能的一个重要手段[14-15]。

蛋白质组学(proteomics)是以蛋白质组为研究对象，利用各种技术手段来研究蛋白质组的一门新学科，研究细胞、组织或生物体蛋白质组成及其变化规律的科学[16-17]。蛋白质组(proteome)是由一个细胞、一个组织或一种生物的基因组所表达的全部相应的蛋白质[18]。

代谢组学(metabolomics)的概念来源于代谢组，代谢组是指某一生物或细胞在一特定生理时期内所有的低分子量代谢产物，代谢组学则是对某一生物或细胞在一特定生理时期内所有低分子量代谢产物同时进行定性和定量分析的一门新学科[19-20]。

2 多层组学在植物响应逆境胁迫中的应用

随着拟南芥[21]、水稻[22]、大麦[23]、小麦[24]全基因组序列的完成，加速了多层组学在植物上的研究，利用系统生物学方法深入研究其响应环境变化、病虫侵害及其生长发育的机制，以适应在逆境环境中的生存具有重大意义。本文就近年来多层组学在植物研究中的应用进行分类综述(表1)。

2.1 响应非生物胁迫

自然界普遍存在非生物胁迫因素，它们可以使植物产量和品质下降。植物在感受到胁迫信号后从基因、mRNA、蛋白质水平，最终到代谢物的差异积累来响应胁迫，对来自不同层次的组学实验结果，包括基因组、转录组、蛋白组、代谢组以及各层次的修饰组学研究数据等，进行整体变化物质分子综合分析，通过多层组学根据网络协同调控逻辑对植物遭遇干旱[25-26]、盐[27-28]、温度[29-30]和重金属[31]有助于阐明水稻响应胁迫的分子机理。

Shu等[25]对干旱条件下水稻叶片转录组、蛋白质组及代谢组进行联合分析，研究认为干旱期间储存物质的能耗增加，从碳水化合物和脂肪酸到氨基酸方向的能量和物质的转移和利用增加。Chmielewska等[26]分析两种基因型(敏感型、耐旱型)大麦叶片和根蛋白质组和代谢组的数据，揭示了器官(根、叶片)的特异性变化，同时发现干旱敏感和耐受大麦品系响应水分亏缺的差异性。在水稻响应盐胁迫研究中，Wang等[27]以水稻盐敏感株系IR64和耐盐PL177为材料，在外源脱落酸情况下，结合幼苗期芽和根转录组和代谢组数据分析，在两种水稻基因型中，盐胁迫条件下，许多初级代谢产物发生变化和器官特异性的发生，外源ABA通过选择性的降低Na+在根部的积累，增加K+在芽的积累来提升水稻对盐胁迫的耐性，结合转录组和代谢组数据筛选出几个耐盐候选基因，为提高水稻的耐盐性提供理论参考依据。Ye等[28]以狗牙根(Bermudagrass)为材料，研究干旱和盐胁迫的生理，并结合蛋白质组学和代谢组学的比较分析。生理上分析，干旱和盐胁迫下渗透调节物质积累，活性氧簇(ROS)水平和抗氧化酶活性发生了较大的变化；组学结果分析，鉴定了77个涉及光合作用，氧化戊糖磷酸，糖酵解和氧化还原代谢途径的蛋白质，其中，36个蛋白质受到两种处理的共同调控，而另外40个蛋白质和13个蛋白质分别被干旱和盐调控。氨基酸，有机酸，糖和糖醇等37种代谢物的含量受干旱和盐处理的调控，其中18个调控代谢物涉及碳和氨基酸代谢途径，此研究为了解狗牙根对非生物胁迫响应的潜在分子机制和代谢稳态提供新的见解。Zhang等[29]以9311和日本晴为材料，结合代谢组和转录组数据行分析，结果发现处理期间代谢差异集中于抗氧化作用，而恢复期间抗寒相关代谢物的诱导在耐寒品种日本晴中更为活跃，衰老相关化合物仅在冷敏感品种9311中积累，揭示了水稻响应低温胁迫和恢复过程的代谢动态模式及活性氧主导的水稻适应低温环境机制。Wienkoop等[30]对拟南芥在高温胁迫下淀粉和棉子糖类物质的代谢变化进行的研究，阐述了高温下拟南芥的代谢途径以及相关酶类的活性变化。同时也表明代谢组学与其他组学相结合，能更全面地对生物现象进行阐述，例如，呼吸作用、光合作用和蛋白质合成等过程的代谢网络的变化，蛋白质组学和代谢组学相结合可以更深入分析蛋白质及代谢物的变化趋势，进而研究温度胁迫机制。在对莱茵衣藻镉浓度胁迫中，Jamers等[31]结合转录组和代谢组研究0，8.1，114.8 μmol/L镉对莱茵衣藻生长速率的影响，镉胁迫48 h和72 h后检测转录和代谢物谱发现，114.8 μmol/L镉胁迫下，对莱茵衣藻生长影响显著。转录组中，参与氧化应激防御机制的基因显著增加。代谢组中，涉及谷胱甘肽合成途径的代谢物(一种重要的抗氧化剂防御)也受到影响，镉在转录水平比代谢水平影响更显著，同时说明前者对镉胁迫具有更高的敏感性。

表1 多层组学在植物研究中的应用

T:转录组学；P:蛋白组学；M:代谢组学；L:脂质组学

T:transcriptomics;P:proteomics;M:metabolomics;L:lipomics

2.2 响应生物胁迫

由单基因遗传而使植物产生抗性，部分已经成功克隆并转移到植物中以提高抗性[32]。多基因遗传较为复杂，尚未得到很好的开发用于植物改良[33]，如水稻(Oryzasativa)稻瘟病[34]，小麦(Triticumaestivum)[35]和大麦(Hordeumvulgare)[36]镰刀菌枯萎病、小麦白粉病[37]，马铃薯晚疫病(Solanumtuberosum)[38]和番茄(SolanumlycopersicumL.)中的细菌斑点[39]，植物响应生物胁迫主要通过产生一系列生物化学物质抵抗病原体攻击，利用基因组学、转录组学、代谢组学和蛋白质组学用来提取系统信息，结合生物信息学分析揭示宿主-病原体相互作用的靶向植物抵抗生物胁迫的几种机制[40-41]，多层组学联合分析方法提供了可以与由单基因或多基因控制的生物胁迫抗性相关的一系列生物化学物质的检测。

在稻瘿蚊侵染水稻组织的研究中，Agarrwal等[42]运用转录组和代谢组综合分析水稻和昆虫互作反应，鉴定出7 000多个差异表达基因和80个差异性代谢物，基因芯片分析碳(C)和氮(N)代谢的失调引起C/N转变，四吡咯的合成上调和叶绿素合成及光合作用的下调，综合结果显示，参与脂质过氧化(LPO)的基因表达上调，并且一个LPO标记代谢物(壬二酸)在过敏反应中出现积累，这一积累正好和昆虫取食点中更多GABA(神经递质和昆虫拒食剂)积累吻合。研究揭示了宿主中无毒瘿蚊(GMB1)侵扰后的转录组和代谢组的广泛重编程，这些重编程会产生有活性氧(比如单线态氧)的产生和释放诱导的过敏反应，并导致脂质过氧化介导的细胞死亡。因此，水稻施用过敏反应作为一种手段来限制昆虫幼虫的营养供应，同时积累GABA，这些都可能导致幼虫死亡。为了更好的了解番茄对黄化曲叶病毒的抗性，以抗性和易感番茄为材料，Sade等[43]运用转录组和代谢组相结合的方法，分析黄化曲叶病毒感染和对照1，3，7，14 d后在抗性和易感植物叶片中的代谢物的变化，揭示了抗性和易感植物之间特定代谢物水平的显著差异性，氨基酸、多胺、酚类和吲哚类代谢物的丰度发生了实质性改变，这些代谢物均导致防御化合物的合成。整合代谢组和转录组数据突出了抗性和易感植物响应黄化曲叶病毒(包括苯丙素、色氨酸、烟酸盐、尿素和多胺途径)的不同调控途径。研究表明感染后，水杨酸生物合成途径是抗性植物中重要的防御介质。在小麦赤霉病抗性研究中，Dhokane等[44]通过代谢组学和转录组学研究了携带抵抗型(R-RIL)和敏感型(S-RIL)等位基因(QTL-Fhb2)的重组自交系以发现候选基因。通过R-RIL和S-RIL代谢组分析，检测出丰度较高的代谢产物有苯丙素、木质素、甘油、脂肪酸、黄酮类、萜类化合物。通过转录组分析，找到了几种受体激酶、调节转录因子、信号转导、霉菌毒素的解毒和抗病相关基因。通过侧翼标记序列分析QTL-Fhb2，结合代谢组和转录组数据，鉴定出确定了4-香豆酸、辅酶A生成酶、胼胝质合成酶、碱性螺旋-环-螺旋转录因子、谷胱甘肽硫转移酶、ABC转运蛋白-4和肉桂醇脱氢酶为QTL-Fhb2区域内抗性基因。从而得出结论，QTL区域上的一些基因是通过加固细胞壁结构以减少病原体在穗轴的传播，其他一些基因通过降低脱氧雪腐镰刀菌烯醇(赤霉病毒素)的毒性以提高抗性，从而降低疾病的严重程度。在大豆抗蚜虫侵害能力研究中，Brechenmacher等[45]在蚜虫危害后48 h内，通过转录组和蛋白组学技术对Rag2位点不同的近等基因系(NILs)进行分析。比较Rag2和rag2株系共鉴定出3 445个蛋白，396个差异蛋白参与细胞壁代谢、糖代谢和应激反应。转录组分析发现抗性和敏感品系中有2 361个基因有明显的差异调节，Rag2株系中上调表达的蛋白参与细胞壁构建、次生代谢、激素代谢等胁迫条件下的信号传递和转录反应等生物学过程。Rag2株系下调表达的蛋白参与光合作用和碳代谢。研究发现，位于Rag2位点上的两个基因(一个功能未知、一个是线粒体蛋白酶)在抗性基因型材料上显著提高，一个位于Rag2位点内的假定NBS-LRR抗性基因在两个株系间没有差异表达，但是另一个位于Rag2位点边缘的NBS-LRR基因却出现差异，笔者推断该基因可能是一个控制蚜虫抗性的候选基因。宿主-病原体相互作用研究中利用代谢组学来了解植物的生物学功能[46]，植物育种[47]以及研究宿主与病原体的相互作用[48]已有较多报道。同时，蛋白质组学已被广泛用于研究宿主-病原体相互作用[49-50]。笔者着重于结合不同组学技术，解译生物胁迫对植物响应机制，并鉴定出可用于育种的候选基因。

2.3 基因功能研究

基因、RNA和蛋白的差异变化可能在观察生物体表型上没有明显的改变，但一般会引起下游代谢物的显著变化[4]。因此，可通过分析基因、RNA和蛋白变化前后的代谢物差异来研究基因功能，明确相关基因在转录和翻译过程中的不同调控作用，从而了解基因和蛋白调节下游代谢产物。

小麦TaGW2-6A的编码区等位基因变异与籽粒的宽度和重量密切相关，但遗传机制尚不清楚。因此，为了获得小麦籽粒发育过程中由TaGW2-6A调控的关键功能，Du等[51]对TaGW2-6A等位基因变异材料进行转录组和蛋白组分析。转录组结果显示TaGW2-6A的等位变异在几个数量级上显著不同，每个TaGW2-6A等位变异在开花后6 d(DAA)到达第一个转录高峰期，但是插入TaGW2-6A等位变异到达第二个峰值时比正常类型早，即12DAA而不是20DAA。有关水稻叶片维管的脉络发育调节中，Peng等[52]利用水稻突变体(dl2)探讨叶维管形成和分化过程中的蛋白组和转录组变化。研究发现有3 172个蛋白质和能匹配到基因的9865230个标签，141个蛋白质和98个mRNA在dl2突变体和野生型之间差异表达，差异表达mRNA和差异表达的蛋白相关分析显示在mRNA和蛋白质之间表达相关性不高，说明转录和翻译过程中有不同的调控作用。通过分析了差异表达蛋白所参与的过程和代谢途径，发现一些关键蛋白的上调或下调证实维管束分化是一个活跃的过程。研究结果表明，叶维管系统的发育和生理过程是一个全面调控、复杂的过程。在利用基因组学资源鉴定番茄果实调控抗氧化物含量的候选基因研究中，Calafiore等[53]通过建立潘那利野生番茄渗入系(IL7-3)，导入能增加抗坏血酸和类胡萝卜素含量的QTL，分别在果实发育的3个阶段测量了IL7-3中抗坏血酸和类胡萝卜素的含量，查找了番茄基因参考序列和最近发布的潘那利野生番茄基因参考序列，通过分析CAPS标记，鉴定出了控制抗坏血酸积累的6个候选基因和一个控制类胡萝卜素的候选基因，并进行了qRT-PCR验证。最后，通过28个物种特异性的标记对7个亚渐渗系进行了基因分型，采用代谢物含量进行评估，分析证明9-顺式-环氧类胡萝卜素加双氧酶和一种L-抗坏血酸氧化酶同系物的基因的表达量显著提高，这些基因与抗坏血酸和类胡萝卜素的积累相关，结果表明，结合番茄遗传、基因组资源和生物信息学工具解析控制抗坏血酸和类胡萝卜素积累QTL的这种方法是可行的。在对拟南芥自噬相关基因(ATG)研究中，Avin-Wittenberg等[54]利用黄化的拟南芥幼苗作为缺碳的模式系统，结合代谢组学、脂质组学和蛋白组学分析，缺碳条件下，atg突变株幼苗比野生型幼苗生长迟缓的内在原因，野生型和atg突变株显著的差别表明，在碳饥饿时自噬作用对细胞代谢的整体影响和一些能量丧失，导致了形态学上的表型变化。多层组学数据的结合，不仅使实验结果得到相互验证，更是对研究结果的充分补充说明。在对不同油菜株系含油量区别研究中，Gan等[55]采用超微结构观察结合蛋白组学和比较基因组分析研究了高含油量(55.19%)和低含油量(36.49%)的两种油菜株系的种子油提特征及蛋白组差异，发现高含油量株系的油体排列更加紧密，鉴定出119个差异表达蛋白(包含32个油体蛋白)，这些蛋白主要参与与油体形成、脱水及蛋白的储存和防御等生物过程。研究还发现了与含油量相关的QTL区间内包含一些差异蛋白相对应的基因。并通过在拟南芥中表达全场cDNA的方式对一个编码贮藏蛋白的基因的功能进行了深入分析。

2.4 辅助育种

随着高通量测序技术的发展，基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学等多组学研究技术已经广泛应用于农学研究的各个领域，同时它们之间也存在一定的关联性。运用相应的技术手段对植物体内所有基因、蛋白以及小分子代谢物进行全面的定性定量分析，然后对不同组学数据进行关联分析，并与植物的各种重要性状直接相关，从而为植物遗传改良实践提供新思路。

植物的生长发育过程中会产生大量的代谢物，其中类黄酮、硫苷、氨基酸、维生素、酚类、萜类等代谢物与品质、抗性等有密切的关系。类黄酮是一类广泛分布在植物界的次生代谢产物，在植物的发育、花色的形成、植物微生物互作以及应对各种生物、非生物胁迫反应发挥重要作用。Peng等[56]对14种代表性植物中类黄酮的定性及定量分析揭示：单子叶(尤其是鸭跖草类)植物中存在大量的氧糖基黄酮，而拟南芥等大量积累氧糖基黄酮醇。同时对水稻自然群体中所检测的黄酮代谢组数据[57-58]进行全基因组关联分析(GWAS)，确定了4个控制氧糖基黄酮自然变异的位点。结合体外生化实验及对转基因植株的代谢谱分析，鉴定出两个主效基因：黄酮-5-氧糖基转移酶(F5GlcT)和黄酮-7-氧糖基转移酶(F7GlcT)。F5GlcT和F7GlcT强弱功能等位变异组合的分布与水稻品种在不同紫外强度下的地理分布显著相关，且其超量表达均能显著提高植株对紫外的耐受性，从而揭示了水稻氧糖基黄酮自然变异的生化基础及其在紫外耐受性方面的作用，为作物遗传改良实践提供了新资源。结合相同的技术，对番茄育种过程中的代谢变化进行全面解读，对442份材料进行代谢组分析，发现茄碱的自然变异受到5个主要遗传位点控制，且这些位点在驯化及改良过程中受到强烈选择。对其中效应最大的位点是位于10号染色体上包含P450氧化还原酶、酰基转移酶和糖基转移酶的一个基因簇进行体外实验，发现糖基转移酶(Solyc10g085230)外显子上发现一个点突变造成提前终止，显著降低栽培番茄果实中茄碱物质的含量。通过两个主效的位点，能够将主要茄碱含量降低80%。Zhu等[59]研究表明粉果育种是选择了在转录因子SlMYB12的启动子区域一个导致低水平转录的变异，从而造成粉果番茄中营养因子类黄酮含量大幅下降。另外，研究还表明番茄育种过程中对果重基因的选择及野生渐渗片段对代谢组的影响，首次揭示了育种过程中代谢组变化的“搭车效应”。该研究通过多组学手段对育种过程进行全景式的分析，其大数据资源也将促进番茄营养、健康品质改良研究。水稻花器官由于类黄酮物质的积累而显现不同的颜色。Sun等[60]以颖壳着色为例，比较系统地从遗传、分子、代谢、进化等水平阐述了调控水稻着色的C-S-A基因模型，解析类黄酮着色的遗传机制及其基因调控网络。在C-S-A 基因系统中，有三种类型的基因参与调控类黄酮的着色，其中C1编码R2R3-MYB转录因子，决定颜色的产生；S1编码bHLH转录因子，发挥组织特异着色的功能；A1编码二氢黄酮醇还原酶(DFR)，负责花青素的合成。其中，C1和A1是颜色形成的关键因子，共同决定了颜色能否形成以及形成何种颜色。为了解植物硫苷代谢的分子网络，Chen等[61]对拟南芥中脂肪族硫苷的生物合成关键酶进行RNA干扰(RNAi)，并对其中两个RNAi的株系进行了蛋白组学和代谢组学的综合分析。经过整合分析之后发现了细胞通路过程和硫苷代谢之间的紧密分子关系，笔者结合蛋白组学和代谢组学描绘了一个新的硫苷代谢的分子调控网络，从原因和结果两个层面综合阐述硫苷合成酶RNAi之后的系统变化，为进一步了解硫苷调控机制奠定了基础，有助于后续增强植物抗性和质量，并应用于植物育种中。在对大豆蚜虫的研究中，Brechenmacher等[45]采用抗虫能力不同的近等基因系(NIL)材料为研究对象，应用LC-MS/MS技术和RNA测序技术分析了不同材料受蚜虫危害后转录组和蛋白组的差异，对差异表达的生物分子的功能分析较为全面的了解了大豆抗蚜虫危害的分子机理。另外，通过与NIL位点的综合分析，发现了一些可能与抗性相关的基因，为大豆抗虫育种提供了新思路。在棉花抵抗黄萎病菌研究中，Gao等[62]基于蛋白组学分析，发现参与刺激代谢的一些基因，活性氧产生和植物激素信号通路在生理和分子方面的分析中得到确认，相关基因的作用通过病毒诱导基因沉默(VIGS)进一步被表征。研究发现，棉酚、油菜素内酯和茉莉酸的产生足以影响对黄萎病菌的抗性，在棉花接种黄萎病菌油菜素内酯信号被激活，并且外源油菜素内酯的使用增强了棉花对黄萎病菌的抗性，以上数据得出了在分子基础上棉花抵抗黄萎病菌的新见解，为棉花抗病育种提供了重大参考价值。采用相同的方法，Ning等[63]比较两个品种以及F10重组自交系(RIL)群体在冷害胁迫下蛋白累计差异，研究发现，PAP6-like蛋白在小麦耐冷方面可能起重要作用。

3 展望

近几十年来，随着新技术的不断涌现，加快了多组学研究向定量化，高通量的发展，特别是在单细胞层次研究基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学，已成为人们发现生命化学物质基础和深入了解其分子机制的新方向。伴随着生物信息学分析的个性化和多样性，基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学，在生命科学的多个领域已经取得了重大成果。从基因水平到蛋白水平以及代谢终产物的研究，构建出植物响应逆境的基因-mRNA-蛋白质-代谢物网络，更为详实的明确植物在逆境条件下的分子机理，这些组学的联合运用极大地促进科学界对生命现象的理解。多组学数据虽能够得到较为完整的结果，但是在分析数据的研究过程中会忽略相关的结论，反而愈加关注差异表达的基因、mRNA、蛋白和代谢物。因此，值得强调的一点就是使用多组学分析技术会增加复杂的风险。就像树被森林所隐藏，外界环境之间的分子相互作用会被大量的多组学数据淹没。还有得到的分子代谢网络应进行遗传、细胞等水平上的验证。

在植物响应逆境及辅助育种的研究中，这四大组学的基础理论研究已经取得了一些进展，并取得了一些突破性的成果。当然，目前组学技术在植物育种的应用研究还处在较为初级的阶段。一方面，基因组学、转录组学、蛋白质组学和的代谢组学，在基础理论研究中取得了丰硕的成果；另一方面，基因组学、转录组学、蛋白质组学和的代谢组学应用于植物生产上培育良种的实践较少。未来应该将组学多应用于实践，培育和改良新品种，特别是对于培育突破性品种。基因编辑作为一项最有效、最便捷地“编辑”基因的技术，在作物遗传改良上的取得了丰硕的成果[64-66]，这项史诗级的技术能对植物基因组进行精准的定点敲除、插入和替换。随着人们对植物的抗性、品质育种的不断重视，组学技术和基因编辑技术联合起来运用对植物基因功能研究、作物遗传改良和新品种培育未来将具有巨大的潜力。运用组学的优势和科研成果可深入到医学、农业以及资源保存等研究领域，推动基因科技成果转化，实现基因科技造福人类。

4 结语

随着各组学分析平台的不断革新，数据挖掘、分析工具和方法的不断改进，基因、蛋白和代谢物共享数据库的建立和不断完善，将来自不同组学的数据源进行归一化处理、比较分析，建立不同组间数据的关系，综合多组学数据对生物过程从基因、转录、蛋白和代谢水平进行全面的深入的阐释，多层组学未来在植物研究中会得到更加广泛的应用。多层组学联合分析将在揭示水稻响应胁迫机制、基因功能解析及辅助育种等方面发挥越来越重要的作用。