植物代謝組學(xué)課件(PPT 42頁)

1、植物代謝組學(xué)及其應(yīng)用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院趙會(huì)杰第1頁，共42頁。目 錄一、植物代謝組學(xué)的概念和意義二、代謝組學(xué)在系統(tǒng)生物學(xué)中的地位三、植物代謝組學(xué)的研究方法四、代謝組學(xué)在植物科學(xué)中的應(yīng)用五、展望第2頁，共42頁。一、植物代謝組學(xué)的概念和意義1、概念生物學(xué)中“組”的概念：“組”：來源于希臘語ome，意指每個(gè)、所有、全部。以它為后綴最先用于基因組：genome,指一個(gè)物種的全部遺傳組成。自基因組學(xué)概念提出后，帶組學(xué)（omics)的概念出現(xiàn)有200多種。如蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等。第3頁，共42頁。 近年來,隨著生命科學(xué)研究的發(fā)展,尤其是完成擬南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻（

2、Oryza sativa)等植物的基因組測(cè)序后,植物科學(xué)發(fā)生了翻天覆地的變化。有人說生命科學(xué)研究跨入了后基因組時(shí)代。 人們已經(jīng)把目光從基因的測(cè)序轉(zhuǎn)移到了基因的功能研究。在研究DNA的基因組學(xué)、mRNA的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)的蛋白組學(xué)后,接踵而來的是研究代謝物的代謝組學(xué)。第4頁，共42頁。代謝組： 是指細(xì)胞或者生物體內(nèi)的所有代謝物的總和，也有人將它定義為細(xì)胞、組織、器官或者生物體內(nèi)的所有小分子代謝組分的集合。代謝組學(xué)： 通過大量代謝成分的定性、定量分析來定義生物體的生化表型(代謝表型)及其與基因型的關(guān)系，從而為研究基因功能、詮釋生命現(xiàn)象提供大量的代謝信息，這就是代謝組學(xué)（metabolomics)。

3、第5頁，共42頁。2、意義 通過研究不同物種的代謝產(chǎn)物 ,可以指導(dǎo)植物分類學(xué) ,對(duì)植物進(jìn)行更加合理的分類; 通過研究不同基因型植物的代謝物 ,可以發(fā)現(xiàn)新的功能基因 ,促進(jìn)轉(zhuǎn)基因植物的研究 ,同時(shí)還可以對(duì)轉(zhuǎn)基因植物及其在食用方面的安全性進(jìn)行代謝物組學(xué)水平上的評(píng)估; 通過研究不同生態(tài)環(huán)境下植物的代謝產(chǎn)物 ,了解植物的區(qū)域性分布。如果所研究的植物是某種藥用植物 ,則就可以應(yīng)用于中藥道地藥材的確定; 植物在受到某種內(nèi)部或外界因素刺激之后會(huì)產(chǎn)生的特定的應(yīng)激變化 ,最終會(huì)表現(xiàn)在代謝物的改變上 ,通過研究這種變化規(guī)律 ,為從植物中定向培養(yǎng)得到某一特定代謝物提供指導(dǎo)。第6頁，共42頁。 20世紀(jì)末到本世紀(jì)初，

4、大規(guī)模的基因組測(cè)序工作產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)。但僅僅是依賴DNA序列我們能夠得到的信息還是有限的，科學(xué)家迫切希望在整體水平上了解基因表達(dá)的特征和基因所編碼的產(chǎn)物的功能。因此， “功能基因組學(xué)(functional genomics)”的研究逐漸興起。它是通過大規(guī)模地分析細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄水平(轉(zhuǎn)錄組)和蛋白質(zhì)水平(蛋白質(zhì)組)上的變化，進(jìn)而推測(cè)基因功能，這就開啟了“功能基因組學(xué)”的研究。二、代謝組學(xué)在系統(tǒng)生物學(xué)中的地位第7頁，共42頁。 然而，轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組不一定能很好地預(yù)測(cè)基因的功能。盡管轉(zhuǎn)錄組攜帶了細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的密碼子，但是mRNA水平上的增加與蛋白質(zhì)水平的增加并不一致，況且蛋白質(zhì)合成后的各種修飾往往

5、帶來活性的改變?？紤]到這些因素，僅憑轉(zhuǎn)錄組或者蛋白質(zhì)組的改變不一定能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)生化表型(代謝物)的改變。 另外，在建立轉(zhuǎn)錄譜和蛋白譜的時(shí)候，要鑒定一種mRNA或者蛋白質(zhì)，現(xiàn)代的技術(shù)手段主要是通過序列相似性比對(duì)和與數(shù)據(jù)庫的匹配來確定的，這樣的鑒定主要依賴于匹配度，因此不是直接的。由于現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫信息的缺乏，轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組也就只能提供有限的信息。 代謝組可以在代謝物的基礎(chǔ)上來區(qū)分表型；不論是可見的還是不可見的表型，用代謝物來區(qū)分可能是更無偏見的，至少是提供了代謝水平上的證據(jù)。而且，在那些由突變體或者轉(zhuǎn)基因造成的可以測(cè)量的表型變化的實(shí)例中，代謝組的方法可以被用來闡明造成這種可見表型的生化原因或者結(jié)果

6、。第8頁，共42頁。 因此，以DNA、mRNA、蛋白質(zhì)和代謝物為研究對(duì)象的基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)是一個(gè)密切相關(guān)的整體，他們共同構(gòu)成系統(tǒng)生物學(xué)（systems biology)?；蚪M、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組的關(guān)系第9頁，共42頁。系統(tǒng)生物學(xué)研究的四個(gè)層次第10頁，共42頁。代謝組學(xué)研究技術(shù)步驟三、植物代謝組學(xué)的研究方法植物材料培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析與解釋樣品制備成分分析與鑒定第11頁，共42頁。1、植物培養(yǎng)（栽培） 對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行培育的目的是為了對(duì)樣本的穩(wěn)定性進(jìn)行控制 ,相對(duì)于微生物和動(dòng)物而言 ,植物的人工栽培需要考慮更多的問題,如中藥材在不同年齡、不同發(fā)育階段、不同部位以及光照、水

7、肥、耕作等環(huán)境因素的微小差異都可引起生理狀態(tài)的變化,而這些非可控及可控雙重因素的影響很難進(jìn)行精確的控制,從而影響藥用植物代謝組研究的重復(fù)性。為了解決以上問題 ,推薦使用大容量的培養(yǎng)箱 ,定時(shí)更換培養(yǎng)箱中栽培對(duì)象的位置,以及使用無土栽培技術(shù)等, 利用無土栽培系統(tǒng)將水和養(yǎng)分直接引入植物根部,并且對(duì)供給量進(jìn)行精確地控制 ,大大提高了實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。第12頁，共42頁。 植物代謝物樣品制備分為組織取樣勻漿抽提保存樣品預(yù)處理等步驟。 代謝產(chǎn)物通常用水或有機(jī)溶劑(如甲醇和己烷等)分別提取,獲得水提取物和有機(jī)溶劑提取物,從而把非極性的親脂相和極性相分開。 分析之前,通常先用固相微萃取、固相萃取和親和色譜等方法

8、進(jìn)行預(yù)處理。 然而植物代謝物千差萬別,其中很多物質(zhì)稍受干擾結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生改變,且對(duì)其分析鑒定所采用的設(shè)備也不同。目前還沒有適合所有代謝物的抽提方法,通常只能根據(jù)所要分析的代謝物特性及使用的鑒定手段選擇合適的提取方法。而抽提時(shí)間、溫度、溶劑成分和質(zhì)量及實(shí)驗(yàn)者的技巧等諸多因素也將影響樣品制備的水平。2、樣品制備第13頁，共42頁。 對(duì)獲得的樣品中所有代謝物進(jìn)行分析鑒定是代謝組學(xué)研究的關(guān)鍵步驟,也是最困難和多變的步驟。 與原有的各種組學(xué)技術(shù)只分析特定類型的物質(zhì)不同,代謝組學(xué)分析對(duì)象的大小、數(shù)量、官能團(tuán)、揮發(fā)性、帶電性、電遷移率、極性以及其他物理化學(xué)參數(shù)差異很大,要對(duì)它們進(jìn)行無偏向的全面分析,單一的分離

9、分析手段往往難以保證。色譜、質(zhì)譜、核磁共振、紅外光譜、庫侖分析、紫外吸收、熒光散射、發(fā)射性檢測(cè)和光散射等分離分析手段及其組合都被應(yīng)用于代謝組學(xué)的研究。一般根據(jù)樣品的特性和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?可選擇最合適的分析方法。 目前最常用的分離分析手段： 氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用(GC/MS) 液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用(LC/MS) 毛細(xì)管電泳質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(CE/MS) 核磁共振(NMR) 傅里葉變換紅外光譜與質(zhì)譜聯(lián)用(FTIR/MS)。3、成分分析鑒定第14頁，共42頁。(1)氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用(GC/MS) 液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用(LC/MS) 色譜是最常用和有效的分離分析工具,其與質(zhì)譜的聯(lián)用則可以完成從成分分離到鑒定的一整套

10、工作。GC/MS和LC/MS可以同時(shí)檢測(cè)出數(shù)百種化合物,包括糖類、有機(jī)酸、氨基酸、脂肪酸和大量不同的次生代謝物。 GC/MS有很好的分離效率且相對(duì)較為經(jīng)濟(jì),但需要對(duì)樣品進(jìn)行衍生化預(yù)處理,這一步驟會(huì)耗費(fèi)額外的時(shí)間,甚至引起樣品的變化。受此限制,GC/MS無法分析膜脂等熱不穩(wěn)定性的物質(zhì)和分子量較大的代謝產(chǎn)物。第15頁，共42頁。For example: Roessner等(2000,2001)利用GC/MS對(duì)馬鈴薯進(jìn)行高通量代謝物分析,同時(shí)檢測(cè)到150種化合物,其中77種被鑒定為氨基酸、有機(jī)酸或糖。 利用GC/MS進(jìn)行代謝組學(xué)研究的代表性工作是Fiehn等(2000)的一系列有關(guān)植物代謝的研究。他

11、們用GC/MS對(duì)模式植物擬南芥的葉子提取物進(jìn)行了研究,定量分析了326個(gè)化合物,并確定了其中部分化合物的結(jié)構(gòu)。第16頁，共42頁。 LC/MS中目前應(yīng)用較廣的是高效液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用(HPLC/MS)。HPLC與GC原理相似,但在進(jìn)樣前不需進(jìn)行衍生化處理,適合那些不穩(wěn)定、不易衍生化、不易揮發(fā)和分子量較大的化合物。HPLC/MS選擇性和靈敏度都較好,但分析的時(shí)間相對(duì)較長,且需依賴純的參照物。 Fiehn(2003)利用HPLC/MS檢測(cè)筍瓜(Cucurbitamaxima Gelber Zentner)葉柄和葉片抽提物,檢測(cè)到了超過400種代謝物,有90種被定性,其中大部分是氨基酸、糖和糖苷。

12、Huhman和Sumner(2002)在紫花苜蓿和蒺藜狀苜蓿中各鑒定出15個(gè)和27個(gè)皂角甙,并在紫花苜蓿中找到了2個(gè)新的乙二酸皂角甙。第17頁，共42頁。（2）毛細(xì)管電泳質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(CE/MS) CE/MS分離樣品效率比普通的色譜質(zhì)譜聯(lián)用要高得多,更為便利的是其耗時(shí)很短,往往在10分鐘內(nèi)就能完成一個(gè)樣品的分析過程。 Tolstikov等(2003)用CE/MS對(duì)擬南芥進(jìn)行代謝組分析,分離效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了Fiehn等用GC/MS進(jìn)行的先期工作,檢測(cè)到超過700個(gè)不同的色譜峰值,其中包括許多以前未檢測(cè)到的脂類化合物及次生代謝物。第18頁，共42頁。（3）核磁共振 在代謝組學(xué)領(lǐng)域,核磁共振最初被用于

13、病理生理學(xué)和藥理毒理學(xué)方面，但目前也已被廣泛用于植物代謝組學(xué)研究。其優(yōu)點(diǎn)是： A.不同于質(zhì)譜具有離子化程度和基質(zhì)干擾等問題,NMR沒有偏向性,對(duì)所有化合物的靈敏度是一樣的。 B.NMR無損傷性,不破壞樣品的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),可在接近生理?xiàng)l件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可在一定的溫度和緩沖液范圍內(nèi)選擇實(shí)驗(yàn)條件,可以進(jìn)行實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)的檢測(cè)。 C.NMR氫譜的譜峰與樣品中各化合物的氫原子是一一對(duì)應(yīng)的,所測(cè)樣品中的每一個(gè)氫原子在圖譜中都有其相關(guān)的譜峰,圖譜中信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)弱反映樣品中各組分的相對(duì)含量,更為直觀。 因此,NMR方法很適合研究代謝產(chǎn)物中的復(fù)雜成分。第19頁，共42頁。Examples: Ward等(2003)用1H

14、-NMR對(duì)多種不同生態(tài)型的擬南芥進(jìn)行了代謝組分析,在碳水化合物和脂肪族物質(zhì)中都發(fā)現(xiàn)了差異,說明了植物代謝物和生態(tài)型差異的相關(guān)性。 Hyung-Kyoon等(2004)用1H-NMR對(duì)野生型和過表達(dá)水楊酸合成基因的轉(zhuǎn)基因煙草(Nicotiana tabacum)的葉片和葉脈進(jìn)行了研究,通過進(jìn)行TMV嫁接和對(duì)照實(shí)驗(yàn),得到多個(gè)峰值變化,大部分峰被鑒定為氯原酸、蘋果酸和糖。此實(shí)驗(yàn)提供了一種有效的不需過多步預(yù)處理程序的區(qū)分野生型和轉(zhuǎn)基因植物的方法。 NMR也有其缺點(diǎn): 與GC/MS和LC/MS相比,NMR的缺點(diǎn)是靈敏度低,有可能形成信號(hào)重疊,且其對(duì)樣品制備的要求很高。 因?yàn)閯?dòng)態(tài)范圍有限,很難同時(shí)測(cè)定生物

15、體系中共存的濃度相差較大的代謝產(chǎn)物。第20頁，共42頁。（4）傅里葉變換紅外光譜-質(zhì)譜聯(lián)用FTIR/MS FTIR主要測(cè)定樣品中各成分的功能基團(tuán)和高極性鍵的振動(dòng),而特定的化學(xué)結(jié)構(gòu)有特定的吸收頻率,通過測(cè)定實(shí)驗(yàn)樣品的紅外吸收頻率和強(qiáng)度,可以辨別出各個(gè)成分。 FTIR優(yōu)點(diǎn)： 掃描速度快、光通量大、高分辨率、高信噪比及測(cè)定光譜范圍寬。 FTIR缺點(diǎn)： 不可區(qū)分異構(gòu)物,且組分片段和一些絡(luò)合離子也對(duì)其有影響,由于離子抑制不能進(jìn)行定量分析。第21頁，共42頁。Examples： Aharoni等(2002)利用高分辨率的FTIR/MS聯(lián)用儀器對(duì)鳳梨草莓(Fragaria ananassa)組織進(jìn)行了分析,

16、依據(jù)不同的質(zhì)荷比找到了5 844個(gè)不同質(zhì)量的物質(zhì),并根據(jù)對(duì)化合物中高含量的元素的精確質(zhì)量測(cè)定估計(jì)了其中一半以上物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式。 結(jié)果表明,在草莓的不同組織中都含有多種類的初生代謝物(如氨基酸、脂肪酸和碳水化合物)及次生代謝物(如類黃酮和萜類化合物)。第22頁，共42頁。4、數(shù)據(jù)分析與解釋 樣品成分分析鑒定之后,需要對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的整合處理,這也是代謝組學(xué)研究中十分關(guān)鍵的步驟。應(yīng)用高通量的檢測(cè)分析工具可以得到海量的數(shù)據(jù),如果不對(duì)其進(jìn)行合理的處理,這些紛擾的數(shù)據(jù)反而對(duì)研究工作是有害無利的?？蓱?yīng)用模式識(shí)別和多維統(tǒng)計(jì)分析等方法從這些大量的數(shù)據(jù)中獲得有用的信息,這些方法能夠?yàn)閿?shù)據(jù)降維,使它們更

17、易于可視化和分類。 目前數(shù)據(jù)分析常用的方法有兩類： 非監(jiān)督方法(unsupervised method) 有監(jiān)督方法(supervised method)第23頁，共42頁。（1）非監(jiān)督（學(xué)習(xí)）方法 非監(jiān)督方法是用來探索完全未知的數(shù)據(jù)特征的方法,對(duì)原始數(shù)據(jù)信息依據(jù)樣本特性進(jìn)行歸類,把具有相似特征的目標(biāo)數(shù)據(jù)歸在同源的類里,并采用相應(yīng)的可視化技術(shù)直觀地表達(dá)出來。 應(yīng)用在此領(lǐng)域的常見方法有: 聚類分析(cluster analysis) 主成分分析(principal components analysis,PCA)第24頁，共42頁。聚類分析： 依據(jù)物以類聚的原理分析具有相似性的事物,將分類對(duì)象置

18、于一個(gè)多維空間中,根據(jù)事物彼此不同的屬性進(jìn)行辨認(rèn),將性質(zhì)相近的歸入一類,這樣歸在同一類的事物具有高度的相似性;聚類分析就是把事物按其相似程度進(jìn)行分類,并找出每一類事物共同特征的分析工具。 具體到代謝組學(xué)中,被歸入一類的物質(zhì)有相同的特征,可能有相同的功能作用,這樣通過同一類事物中一個(gè)研究較為清晰的物質(zhì)可以推斷該類中其他物質(zhì)的功能作用。 聚類分析過程通?？煞譃橐韵虏襟E: 數(shù)據(jù)收集并且收集相應(yīng)的變量產(chǎn)生一個(gè)相似矩陣決定把目標(biāo)總體細(xì)分為幾類對(duì)每一種類別相應(yīng)的定義實(shí)施聚類分析產(chǎn)生結(jié)果。 第25頁，共42頁。主成分分析(PCA): PCA是目前應(yīng)用最為廣泛的多維分析方法之一。其特點(diǎn)是將分散在一組變量上的信

19、息集中到某幾個(gè)綜合指標(biāo),即主成分(principal component,PC)上,利用這些主成分來描述數(shù)據(jù)集內(nèi)部結(jié)構(gòu),實(shí)際上也起著數(shù)據(jù)降維的作用。 主成分是由原始變量按一定的權(quán)重經(jīng)線性組合而成的新變量。這些變量具有以下性質(zhì): 每一個(gè)PC之間都是正交的; 第1個(gè)PC包含了數(shù)據(jù)集的絕大部分方差,第2個(gè)次之,依此類推。 這樣,由頭2個(gè)或3個(gè)PC作圖,就能夠很好地代表數(shù)據(jù)集所包含的生物化學(xué)變化。第26頁，共42頁。 如果存在一些有關(guān)數(shù)據(jù)的先驗(yàn)消息和假設(shè),有監(jiān)督方法比非監(jiān)督方法更適合且更有效。 有監(jiān)督方法在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上建立信息組(class information),并利用所建立的組對(duì)未知數(shù)據(jù)進(jìn)行

20、辨識(shí)、歸類和預(yù)測(cè)。 在這類方法中,由于建立模型時(shí)有可供學(xué)習(xí)利用的訓(xùn)練樣本,所以稱為有監(jiān)督學(xué)習(xí)。 應(yīng)用于該領(lǐng)域的常見方法有： 線性判別分析(linear discrimination analysis) 偏最小二乘法-顯著性分析(PLS-discrimination analysis) 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(artificial neural networksANN）（2）有監(jiān)督（學(xué)習(xí)）方法第27頁，共42頁。(3)網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫 在信息時(shí)代,利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行研究是必不可少的。而對(duì)千頭萬緒的植物代謝物研究,建立相應(yīng)的網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫也是勢(shì)在必行的。這些數(shù)據(jù)庫的建立也有利于聯(lián)結(jié)代謝組學(xué)與其他系統(tǒng)生物學(xué)分支的關(guān)系.

21、 目前,最為成熟的數(shù)據(jù)庫是關(guān)于模式植物擬南芥的: The Arabidopsis Information Resource (TAIR) 。 其他常用的網(wǎng)上植物資源有: http:/www.york.ac.uk/res/garnet/garnet.htm http:/www.genome.ad.jp/kegg/pathway.html 第28頁，共42頁。 此外網(wǎng)上已有一些與代謝和代謝組學(xué)有關(guān)的數(shù)據(jù)庫,主要介紹以下幾個(gè): 是一個(gè)涵蓋大部分植物代謝組學(xué)研究工作的網(wǎng)站,包含了這些工作開展的時(shí)間,甚至還有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟,并將代謝物信息標(biāo)準(zhǔn)化,以便于研究者交流。 /dome.html 有許多關(guān)于代謝物

22、的原始數(shù)據(jù)和分析結(jié)果,同時(shí)也有對(duì)人們感興趣的一些植物物種的分子生物學(xué)研究,分析結(jié)果用多維統(tǒng)計(jì)軟件處理后可用于OMEs的瀏覽器瀏覽。 是一個(gè)關(guān)于代謝物的數(shù)據(jù)庫,闡述了超過150種生物體中的代謝途徑,包含了從大量的文獻(xiàn)和網(wǎng)上資源中得到的代謝途徑、反應(yīng)、酶和底物的資料。 http:/www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme 對(duì)主要代謝途徑及涉及的關(guān)鍵酶進(jìn)行了詳盡的描述。第29頁，共42頁。四、代謝組學(xué)在植物科學(xué)中的應(yīng)用 雖然植物代謝組學(xué)目前尚處于萌芽階段,但其應(yīng)用前景是十分廣闊的。下面介紹其中的部分應(yīng)用。第30頁，共42頁。1、代謝組分析 應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)可同時(shí)對(duì)大量代謝物進(jìn)

23、行定性定量分析,常用來觀察植物在環(huán)境條件改變下的代謝物變化;也可用于研究同一植物不同部位或不同時(shí)期的代謝物種類與含量變化;也可根據(jù)相關(guān)聯(lián)的代謝物的量的變化,推測(cè)相應(yīng)的代謝途徑和代謝網(wǎng)絡(luò)。第31頁，共42頁。Example: Fiehn(2003)利用GC/MS對(duì)筍瓜(Cucurbita maxima GelberZentner)的葉柄脈管抽提物和葉片抽提物進(jìn)行了代謝物分析,得到了400多個(gè)峰,通過與質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫比對(duì),對(duì)其中一小部分進(jìn)行了定性,初步判斷為何種物質(zhì);比較了葉柄與葉片間代謝物組分的不同。 值得注意的是,即使個(gè)體中每種代謝物的量變化很大,其各組分間的比值也能一直維持穩(wěn)定,這說明了植物中的

24、代謝物雖然種類繁多,但都是互相關(guān)聯(lián)的。 植物利用復(fù)雜的機(jī)制來維持體內(nèi)主要代謝物相對(duì)穩(wěn)定的水平。對(duì)代謝組的分析力求可檢測(cè)樣品中每種代謝物,并可監(jiān)測(cè)各種條件變化下代謝物的變化,這是進(jìn)行功能基因組學(xué)研究的基礎(chǔ)。第32頁，共42頁。2、代謝途徑的描述 在對(duì)某一代謝途徑中所有代謝物進(jìn)行了系統(tǒng)研究后,下一步工作就是對(duì)代謝途徑的描述。在找到該途徑一系列底物、產(chǎn)物、中間體和關(guān)鍵酶的基礎(chǔ)上,闡明這條代謝途徑的調(diào)節(jié)機(jī)制和關(guān)鍵調(diào)節(jié)位點(diǎn)。 用代謝組學(xué)手段可以方便地找到調(diào)節(jié)位點(diǎn)因?yàn)樵谠撎?底物和關(guān)鍵酶的濃度將會(huì)發(fā)生相反的變化。第33頁，共42頁。For example: Tiessen等(2002)用HPLC對(duì)馬鈴薯塊

25、莖進(jìn)行了代謝組分析,檢測(cè)了淀粉合成途徑中的一系列底物、中間物、酶及產(chǎn)物量的變化,再通過對(duì)野生株和含有異源腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)轉(zhuǎn)基因株馬鈴薯進(jìn)行對(duì)比研究,提出了淀粉合成途徑中一種新的調(diào)節(jié)機(jī)制在離開母體情況下,馬鈴薯塊莖中淀粉合成關(guān)鍵酶AGPase的催化亞基AGPB會(huì)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)形成二聚體,使AGPase失活,從而抑制淀粉生成。 目前,代謝組學(xué)應(yīng)用于此方面的研究報(bào)道尚不多見,主要原因是確定代謝途徑比測(cè)定代謝物更為困難,往往只能進(jìn)行間接的定性估計(jì),從一個(gè)個(gè)點(diǎn)的代謝物到一條完整的代謝途徑還有很長的路要走。第34頁，共42頁。3、基因功能研究 代謝產(chǎn)物是基因表達(dá)的終產(chǎn)物,

26、基因表達(dá)上極微小的變化也可導(dǎo)致代謝物的大幅改變。以前往往通過可見的表型改變來判斷基因表達(dá)水平的升降,耗時(shí)較長,且有時(shí)候基因表達(dá)變化無法引起表型改變,而此時(shí)植物體中某些代謝產(chǎn)物的含量卻會(huì)發(fā)生變化。這時(shí),利用代謝組學(xué)方法檢測(cè)代謝物的變化就可以判斷基因表達(dá)水平的變化,從而推斷基因的功能及其對(duì)代謝流的影響。第35頁，共42頁。 Lytovchenko等(2002)通過對(duì)馬鈴薯葉片大量代謝物,特別是光合作用途徑中的中間體和終產(chǎn)物進(jìn)行分析,研究了質(zhì)體葡萄糖磷酸變位酶(plastidial phosphoglucomutase)基因在光合作用中對(duì)碳流的影響,發(fā)現(xiàn)在其表達(dá)水平低的情況下,雖然植物表型沒有變化,

27、但是植物組織中的淀粉、糖和有機(jī)酸的含量都有一定降低。這說明質(zhì)體葡萄糖磷酸變位酶基因表達(dá)水平的變化對(duì)植物的幾條主要代謝途徑都有很大的影響。第36頁，共42頁。4、與轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)整合 轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)是一個(gè)有機(jī)的整體,它們都是系統(tǒng)生物學(xué)(system biology)的重要組成部分。 生物信息是按DNAmRNA蛋白質(zhì)代謝產(chǎn)物方向流動(dòng)的,將所獲得的這幾者的信息聯(lián)系起來,有利于從整體研究生物系統(tǒng)對(duì)基因或環(huán)境變化的響應(yīng),如可判斷代謝物的變化是從哪一個(gè)層面開始發(fā)生的。第37頁，共42頁。Examples: Ferrario-Mery等(2002)整合了關(guān)于轉(zhuǎn)錄、酶活性及代謝物的數(shù)據(jù)研究煙草中的碳氮代謝相互作用。通過對(duì)NH4代謝過程中主要代謝物的定量分析,以及先前掌握的