代谢组学技术在植物次生代谢产物研究中的应用

曹小汉毛惠敏任莉萍

(1.阜阳师范大学生物与食品工程学院，安徽 阜阳 236037;2.阜阳市农业科学院，安徽 阜阳 236065)

次生代谢物是植物次生代谢过程中产生的一类有机小分子化合物。次生代谢物含量的积累对于粮食作物、中药材质量评估起到非常重要的作用。同时在植物受到胁迫时次生代谢产物也发挥着作用。研究人员对于次生代谢产物产生的途径，哪种次生产物在发挥着作用以及发挥何种作用仍然不清楚。于是在基因组学技术和蛋白质组学技术之后，作为专门研究代谢物的代谢组学技术被研究人员广泛关注。研究者通过代谢组学技术找到次生代谢物的代谢途径、代谢网络调控、目标差异代谢物，并将其应用于疾病诊断、药物研发、获得抗病植株、获得丰产的农作物等方面。直至目前，代谢组学的研究在国内外仍然很活跃。

1 代谢组学技术及研究流程

代谢组学技术已经被广泛应用于次生代谢物定量定性分析、积累模式分析及其功能研究、基因功能分析、寻找代谢途径等方面的研究，是生物学研究的主要方向[1]。代谢组学技术是对小于1000Da小分子的物质进行整体全面的定性和定量的分析。由于代谢产物是生物体经过复制、转录以及蛋白质的表达所产生的最终的产物，也是生物体表型的物质基础，代谢产物的含量以及变化会更加直观地体现相关基因的转录水平和蛋白质水平的表达情况，因此代谢物的种类和含量的变化是解释植物出现差异原因的依据[2，3]。近几年，代谢组学在研究植物抗病性、优良品种培育上发挥着越来越重要的作用，其主要通过偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)、主成分分析法(PCA)、单变量分析(UVA)等数据分析和处理方法进行定性定量研究[4]。

代谢组学技术操作步骤分为5步：样品提取、样品预处理、运用分析手段检测样品获得原始数据、数据分析、阐释生物体发生的现象。研究者需要严格地控制外部条件下采集植物的样本，从而减少样品之间的误差。样本的预处理是经过处理后采集的样本可以被仪器所分析，并将处理过的样本送往合适的分析平台。分析数据的技术手段有色谱(HPLC，GC)、核磁共振(NMR)、质谱(MS)、以核磁共振(NMR)技术。样本分析结束之后会获得大量的数据，并对数据进行分析。找到特征代谢物后，为了理解其生理功能，要分析代谢物代谢途径分析，并找到与代谢相关的基因和蛋白，为接下来的代谢物生理功能的解释供给了充裕的原始材料[5]。

2 次生代谢产物及其分类

初生代谢是次生代谢的基础，次生代谢是初生代谢的发展和补充，次生代谢物的产生是植物对不良环境的一种适应性，参与植物的营养生长和生殖生长以及抵挡不利环境对植物的破环，在逆境中一般会开启20条次生代谢途径，在植物的生命活动中起着十分重要的作用。次生代谢产物具有多样性，根据次生代谢产物性质的差异性科学家们将其分为7大类。另外又根据次生代谢产物的生源途径分为酚类化合物、萜类化合物、含氮化合物等3大类。

2.1 酚类化合物

酚类化合物大致可以分为黄酮类、简单酚类和醌类等，酚类化合物是芳烃的含羟基衍生物酚类，具有特殊的芳香气味。因此，酚类化合物具有芳香味道。简单酚类分布于植物各种器官、组织中，对植物的抗病起着十分重要的作用。醌类化合物具有抗炎、抗肿瘤等功能，如决明子、何首乌、紫草。

2.2 萜类化合物

萜类化合物是天然植物中最多的一类化合物，大约有2万多种。萜类有单萜，倍半萜，双萜，三萜，四萜和多萜之分。如青蒿(Artemisia carvifolia)中分离出来青蒿素就是一种倍半萜化合物，具有提高机体细胞的免疫功能、解热镇痛、抗疟性、抗癌等功能；红豆杉(Taxuschinensis)中提取的紫杉醇是一种二萜化合物，具有治疗乳腺癌、肺癌、卵巢癌等实体肿瘤，是一种抗肿瘤的药物；夏枯草里面提取出来的乌苏酸是一种三萜化合物，具有抗癌、溶血、抗炎抗菌等功能。

2.3 含氮有机物

大多数含氮次级产物都是从普通的氨基酸中合成的。主要的含氮次级产物有生物碱、含氰苷、芥子油苷和非蛋白氨基酸等，其中最大的一类是生物碱，主要分布于草本双子叶植物中，如吗啡、麻黄碱、奎宁等。含氮有机物可分为真生物碱、原生物碱和伪生物碱。研究发现哌嗪类、吲哚类、吡啶类等生物碱都具有抗癌、抗病原菌作用[6]。

2.4 其它种类

除了上述的主要3大类外，植物还产生多炔类、有机酸等次生代谢物，多炔类化合物广泛应用于化合物的合成。有机酸不仅可以参加植物的光合作用和呼吸作用,还可以作为代谢活性溶质，调节渗透压，平衡过多的阳离子。

3 代谢组技术在次生代谢产物研究中的应用

在过去的研究中，测序和分析技术的发展使得分子生物学发展起来。代谢组学来研究植物生长、发育和内外界环境刺激下形成的复杂网络，进而发现次生代谢产物在不同领域的作用。

3.1 基于代谢组学的次生代谢产物的基因功能分析

利用代谢组学方法检测次生代谢物的种类和含量变化则可以判断植物在基因表达水平的细微变化，从而推断基因的表达与相关代谢途径的关系。在传统的功能分析中只能通过观察植物表型是否发生变化来推测基因水平的变化，但对于表型没有变化的则很难去判断，如在拟南芥中，发现几乎所有的突变体的表型都没有发生变化，因此很难通过表型变化来判断基因表达情况[7]。但是通过代谢组学方法进行基因功能分析更加容易观察。

3.2 基于代谢组学的代谢途径及代谢网络调控的研究

次生代谢物种类比初生代谢物要更加的丰富，因此次生代谢物的合成代谢途径远比初生代谢途径的要复杂多。目前一些次生代谢产物的代谢网络途径已经明了。以磷酸戊糖途径的中间产物4-磷酸赤藓糖(E4P)和糖酵解的中间产物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)为起始物。起始物经过化合反应后又经过几步反应生成莽草酸,莽草酸经磷酸化形成5-磷酸莽草酸后，再与PEP反应，以后生成分支酸;分支酸合成预苯酸，由预苯酸可生成苯丙氨酸和酪氨酸。苯丙氨酸在苯丙氨酸解氨酶(PAL)催化下脱氨形成肉桂酸，经香豆酸、阿魏酸、芥子酸等酚类酸的中间产物，可进一步转化黄酮类、丹宁类、花色苷类多酚类物质。

3.3 基于代谢组学技术的次生代谢产物功能解析

次生代谢物虽然在维持植物正常的生命活动上并不是很重要，但在环境胁迫下发挥着至关重要的作用。植物在环境胁迫下产生的次生代谢产物不仅广泛参与植物的生长、发育和防御等生理过程，还为植物抗病、培育优良种子、医药的开发、植物的抗性等方面提供帮助，如紫杉醇，可以作为治疗晚期卵巢癌的药物。木质素是一种位于纤维素纤维之间的复杂有机聚合物，除了起到抗压作用外，在细胞壁的形成过程中也十分重要。经过近几十年的研究，目前已在植物次生代谢产物的生物学功能的探索中取得了很多进展。

3.4 代谢组学技术在次生代谢产物中的应用

在次生代谢产物的定量定性分析、基因功能分析、代谢途径及其代谢网络调控的研究、次生代谢物功能解析的研究中，代谢组学技术使得紫杉醇、酚类化合物、花青素等次生代谢产物在植物鉴定、抗病、育种、医学、药品开发等领域发挥着至关重要的作用。通过代谢组学技术分析植物在适应环境的过程中产生的次生代谢产物，并对这些次生代谢产物的变化特征进行分析，可以发现植物自身的变化与代谢物之间存在着一定的关系，这样就可以寻找到一系列抗病相关代谢物，这些抗病相关代谢物在植物抗性鉴定和植物抗病机制研究方面提供帮助。在农业生产中，代谢组学和遗传学相结合可获得抗性品种，为接下来的抗病育种提供了非常好的材料[8]。研究人员想要利用代谢物作为评判农业产品数量和质量优劣的指标，于是通过代谢组学技术筛出与产量提高、品质优良相关的标志性代谢物，这些生物标记物可以作为育种材料的筛选的指示物，从而加快了优良育种。通过对小麦不同抗性品种进行代谢组学分析，在实际的生产过程中已经利用与抗病性相关的标志代谢物获得具有抗病性的植株[7]。我国中药材资源丰富，品种繁多，由于不同地区温度，气候，雨水等环境因素的影响，品种之间具有差异性，中药材质量等级的划分与化学成分有着直接的关系，中药成分的复杂性是对其进行评价的难点，而代谢组学技术依靠其高通量等技术分析特点可以对中药材品种进行鉴定以及评估中药材的质量。通过代谢组学技术，检查并测定中药材在一切非本体刺激下机体代谢网络和内分泌的变化、药物经过修制、火制等方式的炮制后机体前后代谢途径和网络的改变，发现了中药炮制后生物碱类、有机酸、油脂、无机盐等成分的变化，为其在药用植物的应用研究中提供参考[9]。

4 结语

已知的植物次级代谢产物数量丰富，具有多样性，约有20～100万种，这些次级代谢产物在不同的领域起着至关重要的作用。研究者借用代谢组学技术对通过生物体内的代谢物进行定量分析，结合相应的数据分析和处理方法以及不同的数据处理平台，整体上对次生代谢产物进行分析，以利于阐明次生代谢途径和代谢网络调控机制，进而拓展在抗病育种、预防医学上的应用。但是由于次级代谢物种类繁多，数据库的缺乏，特别是待分析工具及方法方面与其它组学相比存在着无法逾越的鸿沟；现在还有大量植物的次生代谢途径以及调控机制还没有被找到，因此，扩大代谢组学数据库覆盖范围，建立更加详细、完整的数据库是举足轻重的。在此之前要开发出前沿性的数据分析的方式从而使获取数据资料更加庞大，数据的稳定性更高；要深度解析获得的数据提高数据处理和计算的效率，从而达到对代谢途径具有完整的认识的程度[9]。代谢组学技术在研究次生代谢产物的应用中是一项非常重要的新型技术，我们迫切地希望今后能够将代谢组学与基因组学、蛋白质组学等组学技术相结合继续开发次生代谢产物与次生代谢途径在生物、农业、医疗等方面的价值。