植物代谢组学技术综述与进展
植物代谢组学技术综述与进展
代谢组学研究生物体内源代谢物的种类、数量及其在内外因素作用下的变化规律，是系统生物
学的重要组成部分，也是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后迅速发展起来的新兴学科。
代谢组学定义有 20 世纪 90 年代末 Nicholson 提出的"metabonomics"[1] 和21 世纪初 Fiehn 提出
的"metabolomics"[2]两种，两者在拼写及侧重点稍有不同，但本质上都是指从整体上研究生物
体的代谢产物。目前，对于代谢组学的定义为"对某一生物、组织或细胞中所有低分子量（通
常指分子量<1000）代谢产物进行定性和定量分析的一门科学。代谢产物作为生物体在内外因
素作用下基因转录和蛋白表达的最终结果，是生物体表型的物质基础。同时代谢产物又能影响
或调节基因的转录和蛋白的表达和活性。代谢组与基因组、转录组、蛋白组相比更接近生物体
的表型，基因组和蛋白组的微小变化可以在代谢组层面得以体现和放大[3].因此，代谢组学研
究越来越受到广泛关注，代谢组学手段在解析生物系统及基因功能等方面也发挥着越来越重要
的作用。
在整个代谢组学的研究中，植物代谢组的研究占有重要的地位。作为一类固着性生物，植物可
以产生种类繁多的代谢产物，总数在 20 万~100 万种之间[4].植物代谢物大体可分为初生代谢物
和次生代谢物两大类。初生代谢物为维持植物生命活动和生长发育所必须[5],次生代谢物则更
多的参与植物抗病、抗逆等环境应答[6,7].植物代谢物种类繁多，结构各异、含量差异很大，这
一方面使植物成为了研究代谢物生物合成及其调控的理想材料，同时植物代谢物的复杂性也对
植物代谢组学研究提出了严峻的挑战[8,9].近年来，随着代谢组学分析技术的发展，特别是基于
质谱及核磁共振的代谢谱分析的发展，代谢组学研究的内容不断扩展[10,11].另外，通过代谢组
学与其他组学技术（如转录组学、基因组学）的整合[12],植物代谢组学在功能基因鉴定、代谢
途径解析及自然变异的遗传分析等方面都取得了较大的进展[13~17].本文综述植物代谢组学技
术及其研究现状和前景。
1 植物代谢组学技术
与其他组学技术只需分析相同或相似的特定类型对象不同，代谢组学特别是植物代谢组学所要
分析的对象种类繁多、理化性质各异、浓度范围分布极广，依靠单一的分析手段难以对全部植
物代谢物进行无偏检测。目前，基于色谱（气相、液相、毛细管电泳）、质谱（mass
spectrometry,MS）、核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）、傅里叶变换-红外光谱
（Fourier transform-infrared spectrometer,FT-IR）等分析平台在植物代谢组学研究中都得到了广
泛应用，其中研究最深入、应用最广的是核磁共振和色谱-质谱联用两大技术平台。
1.1 基于核磁共振平台的代谢组学技术
核磁共振技术是代谢组学研究中应用最早、最为常见的技术之一[18,19].核磁共振是一种基于具
有自旋性质的原子核在核外磁场作用下吸收射频辐射而产生能级跃迁的谱学技术，常用的有氢
谱（1H-NMR）、碳谱（13C-NMR）、磷谱（31P-NMR），其中 1H-NMR 应用最为广泛。核
磁共振技术样品用量小、几乎不需要进行样品前处理，而且能够提供代谢物准确的结构信息。
核磁共振技术的不足在于其检测灵敏度低、分辨率不高，难以检测丰度较低的代谢物。近年
来，随着 950 MHz 高场强核磁共振及超低温探头技术（cryoprobe technology）等的发展，检测
分辨率和灵敏度得到了较大的提高[20],加之其无损伤性、分析速度快、代谢物检测的无偏性等
特点，核磁共振技术在植物代谢组学研究中应用将更加广泛。
1.2 基于色谱-质谱平台的代谢组学技术
基于气相色谱-质谱（GC-MS）技术的代谢组学平台主要用于分析热稳定、易挥发、能气化的
小分子代谢物，分离效率高，具有较高的分辨率和灵敏度[21,22].另外，气相色谱-质谱检测结
果可通过与标准谱图库比对获得代谢物结构信息，易于对代谢物进行定性。利用多维色谱技术
发展的全二维色谱质谱联用技术，如全二维气相色谱-飞行时间质谱（GC×GC-TOF/MS）能够
进一步提高色谱分离效果和峰容量，同时通过提高灵敏度和聚焦效果增加代谢物的检出量，展
示了对于复杂生物学样品分析的优越性能。气相色谱-质谱发展较为成熟，已经成为植物代谢
组研究中广泛应用的分析方法，是目前复杂样品中代谢物分析的主要定性和定量手段之一[23].
基于液相色谱-质谱（LC-MS）的代谢物检测方法检测限宽、灵敏度高，对待测组分的挥发性
和热稳定性没有要求，通过选择不同类型色谱柱可以实现从极性到非极性的各种代谢物特别是
各种次生代谢物的检测，一般也不需要衍生化的复杂的前处理，因此在植物代谢物检测技术的
发展中越来越受到重视[24].传统的液相色谱-质谱方法有靶向代谢组学（targeted
metabolomics）[25,26]和非靶向（non-targeted/untargetedmetabolomics）[27,28]两大类。靶向代
谢组学方法只能对少数（一般少于100 种）已知代谢物进行定性和定量检测，但其具有灵敏度
高、定量准确的特点。与之相反，非靶向代谢组学方法能够同时检测数百乃至数千种代谢物
（包括已知和未知代谢物），但其灵敏度较之前者减低1~2 个数量级，定量准确性也相对较差
[29].针对上述两种方法的优缺点，近年来相继发展出能够同时定性、定量数百种已知代谢物和
定量近千种已知及未知代谢物的广泛靶向代谢组学分析方法（widely-targeted metabolomics）。
笔者开发的一种新的广泛靶向代谢组学分析方法，能够在30 min 内定量超过800 种已知和未知
代谢物[28].该方法与靶向方法具有相同的灵敏度和定量准确性，同时结合了非靶向方法代谢物
种类覆盖广泛、检测数量大的优点，在一定程度上代表了代谢组学检测手段的发展趋势，特别
适合对大量试样的高通量、广覆盖的代谢组学分析，具有非常广泛的应用前景。在液相色谱技
术方面，超高效液相色谱（ultra performance liquid chromatography,UPLC）及超高压系统（压
力大于 105 kPa）等新型液相色谱技术的应用能显着改善色谱分离度，与质谱联用时基质干扰
减小，在提高检测灵敏度的同时大大缩短了分析周期。因此，超高效液相色谱-质谱替代传统
液相色谱-质谱特别适用于微量复杂混合物的分离和高通量代谢组学分析，在植物代谢组学研
究中得到了快速而广泛的应用。
毛细管电泳技术是基于带电分子在电场中的泳动速度差异而实现代谢物分离分析的技术。毛细
管电泳技术与其他色谱技术互补，特别适于利用广泛靶向代谢组学手段对离子型代谢物（如核
苷酸、有机酸、氨基酸、磷酸化的寡糖等植物初生代谢物）的分离和分析[30,31].毛细管电泳质
谱（CE-MS）将毛细管电泳快速、高效、分辨率高、重复性好等特点和质谱分析灵敏度高、速
度快等优点相结合，在强极性代谢物，特别是带电代谢物的分离分析中具有广泛的应用前景
[32,33].
1.3 代谢物的注释
除了代谢组学分析平台方面的发展以外，代谢物的结构鉴定或注释也是目前代谢组学分析中的
一个重点和难点问题。到目前为止，代谢组学主要集中在对已知代谢物的研究方面。值得注意
的是，随着代谢组学技术的发展，特别是非靶向和广泛靶向技术的发展，代谢组学分析过程中
获得了大量"未知代谢物"的定量信息。这些"未知代谢物"能够在代谢组学分析中被重复、稳定
的定量检测，但是其化学结构未知。虽然它们可能是生理、病理及逆境响应中的重要生物标志
物，或是直接在上述过程中发挥作用，但是由于缺乏相应的结构信息，很难对这些未知代谢物
进行深入研究，进一步的应用也受到很大限制。由于代谢物结构的解析需要对代谢物进行分
离、纯化，并获得其核磁共振、光谱等综合特征，难以达到组学对分析通量的要求，目前代谢
组学中未知代谢物的解析工作主要集中在其结构注释方面。
利用飞行时间质谱、傅里叶变换质谱及轨道阱质（orbitrap）谱等可以提供代谢物的精确质量，
多重质谱（MSn）能够提供代谢物完整的碎片离子信息。通过对这些信息的分析和处理，能够
得到代谢物的相对分子质量、元素组成及官能团等结构信息，并进而利用生物信息学手段进行
代谢物结构注释。基于此，近年建立了一系列公共代谢组学数据库，如
MassBank[34]、KNApSAcK Core Database[35]、Plant MetabolomeDatabase（PMD）
[36]、Metlin[37]、Golm Metabolome Database（GMD）[38]、Platform for RIKE
Metabolomics（PRIMe）[39]、MeltDB[40] 及Madison Metabolomics Consortium
Database（MMCD）[41]等。部分公司也提供商业化的代谢组学数据库，如 Agilent Fiehn GC-
MS Metabolomics Library、Agilent MetlinPersonal Metabolite Database、Wiley Registry/NIST
Mass Spectral Library 等。同时，也开发出一些用于解析质谱和核磁共振数据及通过整合代谢途
径信息进行代谢物注释的工具。
近年来还发展了一种利用系统生物学手段进行未知代谢物结构鉴定及注释的功能代谢组方法。
该方法利用正向遗传学手段获得未知代谢物与已知功能基因的关联信息，结合代谢物之间的相
关性及代谢途径/网络分析，对未知代谢物进行结构注释，或进一步通过与标准品的比对进行
结构确证[42].笔者将上述方法与质谱获得的结构信息整合，注释水稻中包括类黄酮、维生素、
萜类等超过160 个未知代谢物，并鉴定了其中部分代谢物的结构[13],取得了良好的效果。
摘要：
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植物代谢组学技术综述与进展代谢组学研究生物体内源代谢物的种类、数量及其在内外因素作用下的变化规律，是系统生物学的重要组成部分，也是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后迅速发展起来的新兴学科。代谢组学定义有20世纪90年代末Nicholson提出的"metabonomics"[1]和21世纪初Fiehn提出的"metabolomics"[2]两种，两者在拼写及侧重点稍有不同，但本质上都是指从整体上研究生物体的代谢产物。目前，对于代谢组学的定义为"对某一生物、组织或细胞中所有低分子量（通常指分子量...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
价格：免费
属性：5 页
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格式：DOCX
时间：2024-04-23
