全 文 ：第27卷 第8期
2015年8月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 27, No. 8
Aug., 2015
王国栋，研究员，博士生导师。我们实验室的主要研究方向是综合代谢组
学、基因组学和传统的分子和生化技术去探索植物中未知代谢途径，克隆、功
能鉴定代谢途径中的酶和酶学机理；研究植物重要代谢途径的调控及其与植物
重要农业性状的关系。目前课题组正在从事的研究包括：植物代谢组学分析平
台的建立；大豆、黄瓜中对人体健康有益化合物形成的分子遗传和代谢调控机
制；植物次生代谢反应器——腺毛 (glandular trichome)的基因组学、代谢组学
分析及其次生代谢物合成途径研究；拟南芥中 NAD补偿途径 (salvage pathway)
研究。
文章编号：1004-0374(2015)08-0978-08
DOI: 10.13376/j.cbls/2015136
收稿日期：2014-12-15；修回日期：2015-02-03
基金项目：国家重点基础研究发展计划(“937”项目)(2012CB113900，2013CB127000)；国家自然科学基金项目
(31470387)
*通信作者：常玉玮，E-mail: changyw@genetics.ac.cn；王国栋，E-mail: gdwang@genetics.ac.cn，Tel: 010-64806572
LC-MS在植物代谢组学分析中的应用
常玉玮*，王国栋*
(中国科学院遗传与发育生物学研究所，北京 100101)
摘　要：利用植物代谢组学研究植物体系受刺激或扰动后的代谢变化，可以揭示植物面对外界环境变化或
基因变化时的应答机制。液相色谱 -质谱联用 (LC-MS)技术由于其高分辨能力、高灵敏度，适合高沸点、
热不稳定及高分子量化合物的检测等优点而在植物代谢组学研究中发挥重要作用。近些年来，LC-MS在诸
多方面取得了较快发展，如快速 LC-MS、纳流 LC-MS、二维 LC-MS、衍生化 LC-MS等。随着分析方法的
发展和完善，基于 LC-MS的植物代谢组学已成功应用于代谢表型差异、转基因植物安全性评价、生物及非
生物胁迫、植物基因功能鉴定、辅助育种等多个研究方向。
关键词：液相色谱 -质谱联用技术；植物；代谢组学
中图分类号：Q493；Q94-33 文献标志码：A
Application of LC-MS in plant metabolomics
CHANG Yu-Wei*, WANG Guo-Dong*
(Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)
Abstract: Plant metabolomics helps to illustrate the mechanisms underlying plant responses to environment change
or gene mutations at the level of metabolites. Liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) is characteristic
of high resolution power and high sensitivity. Furthermore, LC-MS is suitable for the analysis of metabolites with
high boiling point or high molecular weight or metabolites that are not thermostable. Based on these advantages,
LC-MS analysis plays an important role in plant metabolomics. LC-MS has been significantly improved in several
aspects in recent years, including fast LC-MS, nano LC-MS, 2D LC-MS, derivatization LC-MS etc. With the
development of LC-MS technology, plant metabolomics has been successfully applied in many fields, including
常玉玮，等：LC-MS在植物代谢组学分析中的应用第8期 979
phenotypic discrimination, safety assessment of transgenic plants, biotic or abiotic stress study, identification of
plant gene function, crop breeding etc.
Key words: LC-MS; plant; metabolomics
代谢组学 (metabonomics)由 Nicholson等 [1]在
1999年首次提出，并将其定义为生物体受病理、生
理刺激或基因改变时代谢应答的定量分析。Fiehn[2]
在 2002年提出代谢组学 (metabolomics)为生物体内
所有代谢物全面的定性定量分析方法。根据研究目
的和代谢物覆盖的广度，代谢组学可以分为代谢组
学靶标分析 (target analysis)、代谢组学轮廓分析
(metabolic profiling analysis)、代谢组学指纹分析
(metabolic fingerprinting analysis)及代谢组学分析等
4个层次，而这 4个层次又可以划分为靶标代谢组
学及非靶标代谢组学。随着代谢组学的概念、研究
策略、分析方法的不断发展和完善，代谢组学已广
泛应用于药物筛选与毒性评价、药物质量控制、临
床相关标记物的发现、疾病的早期诊断和治疗、功
能基因组学、植物育种、微生物工程、营养学、环
境毒理学等多个研究领域。
植物代谢组学以植物为研究对象，是代谢组学
的重要分支。据估计，所有植物中的代谢物约 20
万 ~100万种 [3]，既包括植物生长发育及生命活动
不可或缺的初生代谢物，如有机酸、氨基酸、核酸、
碳水化合物、脂类等，还包括与植物抗病、抗逆等
密切关系的次生代谢物，如生物碱、酚类、醌类、
黄酮类、萜类等。植物中代谢物浓度从痕量的植物
激素到大量积累的化合物如蔗糖，差别达 107。不
同类别的代谢物化学性质各异，既包括强极性的氨
基酸，又包括非极性的三酰甘油酯 [4]。真正意义上
的植物代谢组学是对植物样品中所有的代谢物进行
全面的定性、定量分析，而这一目的实现需要借助
高灵敏度的多种检测技术。
目前，代谢组学研究中的主流检测技术包括气
相色谱质谱联用 (GC-MS)、核磁共振 (NMR)、毛细
管电泳质谱联用 (CE-MS)、液相色谱质谱联用 (LC-
MS)等。GC-MS 具有高分辨能力、高灵敏度、大
量数据库等特点，有利于化合物结构鉴定，但由于
质谱库中代谢物数目有限，很多化合物的结构无法
确定。样品在进行 GC-MS分析前，需进行衍生化
处理以增加样品的挥发性，但衍生化反应过程中可
能引起样品的变化及引入干扰物质；另外，利用
GC-MS无法实现对热稳定性较差和高分子量代谢
物的分析。NMR检测时植物样品制备简单、分析
通量高，可实现代谢物的结构鉴定；但是 NMR检
测灵敏度较低，动态范围较窄，无法实现痕量物质
的检测。CE-MS可实现离子型化合物的分析，样品
不需要进行衍生化处理，有机溶剂和样品量消耗少，
但较少应用于植物研究。LC-MS具有较高的分辨能
力、较快的分析速度、高灵敏度等特点，与 GC-MS
相比更适合于高沸点、热不稳定性及高分子量化合
物的检测；与 NMR相比，检测灵敏度高、动态范
围宽。LC-MS是植物次级代谢产物 (生物碱、酚酸、
类黄酮、苯丙素、硫代葡萄糖苷、多胺等 )分离分
析的主要手段 [5]。近年来随着 LC-MS在分离技术
和检测技术上的进步，其在植物代谢组学中发挥着
越来越大的作用。本文主要介绍近年来 LC-MS方
法的主要进展及 LC-MS在植物代谢组学中的应用。
1　LC-MS主要进展
1.1　快速LC-MS
为了实现检测的高通量及高分离效率，很多快
速 LC-MS方法被开发出来，而 UHPLC是目前建
立的最完善的、应用最广泛的方法。UHPLC利用
较小的粒径 (亚 2 mm颗粒 )和超高压力 (高达 1300
bar)实现了样品的快速分离并获得了较窄的色谱
峰 [6]。随着 UHPLC填料的开发，快速 LC-MS的分
离效率也在逐渐提高。Oláh等 [7]比较了长度为
5 cm，填充 2.6 µm核壳材料的窄孔径 Kinetex柱、
填充亚 2 µm全多孔材料的色谱柱和窄孔径整体柱
对大分子及小分子的分离效果，结果表明 Kinetex
柱在高线速度下可获得比填充亚 2 µm全多孔材料
的色谱柱更高的分离效率，高流速分析时 Kinetex
柱在保证分离效率的情况下达到了快速目的。
1.2　纳流LC-MS
微量化、集成化 LC-MS的开发是液相色谱 -
质谱技术发展的一个重要方向。纳流液相色谱技术
(nano LC)发展于 1990 年左右，因具有检测灵敏度
较高、分析通量高、运行成本较低、环境污染小等
特点而引起广泛关注 [8-9]。近年来，发展更加稳健
的芯片纳流液相色谱 /质谱系统 (LC-Chip/MS)将富
集柱、分析柱、纳流电喷雾喷针整合在芯片上，在
生命科学 第27卷980
这个芯片上实现了样本浓缩、分离分析及电喷雾功
能。这种技术显著降低了系统的死体积及柱后的峰
分散；另一方面，微型化的仪器在较大程度上降低
了样品用量、溶剂消耗，并显著提高了离子化效率
和检测灵敏度 [10]。Zhao等 [11]比较了利用 LC-Chip/
MS和常规 LC/MS对不同极性的药物标准品的分析
结果，发现 LC-Chip/MS的检测灵敏度提高 3~40倍，
并且获得的色谱峰的保留时间和峰面积重复性较
好，方法稳健。LC-Chip/MS 技术已被广泛应用于
蛋白质组学、标记物发现等研究，但是在小分子代
谢物方面的研究相对比较少，目前报道的几篇文献
是关于葡萄中的花青素 [12]、大豆中的类黄酮 [13]、
人体尿液中的 7-氨基氟硝西泮 [14]等。
1.3　二维LC-MS
二维液相色谱技术 (2D-LC)将不同分离机制的
色谱柱结合起来，极大地提高了分离能力和峰容量，
降低了色谱峰的重叠。二维液相色谱可分为离线 [15]
和在线 [16]两种模式。离线模式可实现对每一维分
离条件的全面优化，但是更费时费力，另外由于第
一维馏分在转移过程中易污染、损失而造成分析结
果的重复性较差；在线模式自动化程度较高、重
复性好、分析通量高，但需注意两维溶剂的兼容
性和第二维的最大样品量等问题 [17]。不同类型的质
谱串联使用是另一个技术层面上的多维 LC-MS。
Byrdwell[18]将3种不同的质谱 (四级杆 -线性离子阱、
三重四级杆、离子阱 )和 3种非质谱检测器 (紫外
检测器、蒸发光散射检测器和荷电气溶胶检测器 )
串联，构成多维 LC-MS系统，利用该系统一次运
行可获得更全面的代谢物信息。在该系统中，四级
杆 -线性离子阱进行大气压化学电离模式下的选择
离子监测、多反应监测和增强质谱扫描；四级杆进
行大气压化学电离模式下的全扫描；离子阱进行电
喷雾模式下的多级质谱扫描。在该研究中，米糠油
样品经稀释后直接进样分析，避免了皂化、样品提
取等复杂的预处理步骤，利用多种检测器串联实
现了米糠油中维生素 D3及三酰甘油酯的定性定量
分析。
1.4　衍生化LC-MS
LC/MS的分离能力强、灵敏度高等特点使其
成为定量分析中最常用的技术手段之一，但是建立
稳健的 LC/MS方法的前提条件是被分析化合物必
须满足以下几个条件：化学性质稳定、在 LC色谱
柱上有合适的保留行为、在 ESI源或 APCI源模式
下能够电离等 [19]。代谢物种类繁多，化学性质各异，
很多代谢物并不能满足上述条件。为建立 LC/MS
分析方法，需借助化学衍生化来提高化合物的稳定
性，改善化合物在色谱柱上的保留，增强化合物的
离子化效率等。化合物经过衍生化处理之后化学结
构发生了变化，从而导致衍生物的物理和化学性质、
提取效率、HPLC保留时间及MS/MS碎片均与原
化合物不同。极性化合物 LC-MS分析面临三大主
要问题：极性化合物样品预处理回收率较低，在反
相色谱柱上的保留很弱，质谱响应易受到基质中共
流出组分的严重抑制。极性化合物经过衍生化处理
后，随着亲脂基团的引入，衍生物易于被提取和富
集。另一方面，衍生物在色谱柱上的保留增强，显
著降低了离子抑制 [20-21]。对于在离子源中难电离的
化合物，通过衍生化反应引入离子化效率高的化学
基团可大幅度提高检测灵敏度。Nordstrom等 [22]利
用丙酸酐或苯甲酸酐和极性化合物中的游离羟基反
应对细胞分裂素衍生化处理，处理后的细胞分裂素
的检测限最高可达 10-18mol ；与非衍生化方法相比，
检测限提高了 10~100倍。该衍生化方法被成功应
用于 20~100 mg拟南芥叶片中 12 种内源性细胞分
裂素的定量分析。Yang等 [23]利用 2-溴 -1-甲基碘
代吡啶和 3-甲醇 -1-甲基碘代吡啶作为衍生试剂和
脂肪酸反应形成 3-酰化 -氧合甲基 -1-甲基碘代吡
啶，衍生产物的季胺基团实现了脂肪酸在常规 LC
流动相条件、ESI-MS正离子模式下的检测。衍生
化后的脂肪酸的检测灵敏度比非衍生化负离子模式
下提高 2 500倍。利用甲基吡啶对游离羧基的衍生
实现了对烟草叶片中 25个代谢物 (包括脂肪酸、茉
莉酸、水杨酸等 )的定量分析 [24]。
1.5　LC-MS定量
利用三重四级杆质谱 (QQQ)进行选择反应监
测 (SRM)是 LC-MS定量分析的黄金标准 [25]，而利
用高分辨率质谱的全扫描模式对小分子化合物进行
定量分析也具有独特的优势。Hugues等 [26]比较了
利用分辨率为 5万 (m/z 200)的 Orbitrap和三重四级
杆对 17种治疗性药物的定量结果，其中 Orbitrap
利用全扫描模式采集数据，定量色谱图时离子提取
窗口设为 0.0005%；而三重四级杆利用传统的 SRM
模式采集数据。高分辨质谱得到的定量结果和 SRM
结果在检测特异性、分析精密度、准确度、线性及
灵敏度等方面均相当，但高分辨质谱全扫描分析避
免了繁杂的 SRM步骤，除了目标化合物外采集到
更全面的信息，便于问题追溯。
最近 LC-MS定量方法的发展方向为定性及定
常玉玮，等：LC-MS在植物代谢组学分析中的应用第8期 981
量分析的有机结合。Hopfgartner等 [27]利用高分辨 (2
万 )高采集速率 (<50 ms)质谱 QTOF MS新的独立
采集方式 SWATH (sequential window acquisition of all
theoretical fragmention spectra)在某一碰撞电压下设
定母离子窗口进行连续采集，在一张质谱图中得到
母离子和碎片离子的全部信息，实现了小分子药物
的定性定量分析。高分辨率高采集速度的 Q-TOF
为植物代谢组学研究提供了新的选择。
利用 LC-MS对目的化合物进行定量分析的过
程中，会不可避免地受到各种因素的影响，引入分
析误差 (例如提取过程中的样品损失、流动相中引
入的杂质干扰、样品基质中非目标组分的离子抑制
或离子增强等 )。内标的使用会在一定程度上减小
以上因素的影响，同位素内标由于其和目的化合物
的色谱保留行为、质谱碎裂行为、提取效率的一致
性成为 LC-MS定量分析中最合适的内标。但是大
多数代谢物的同位素内标合成非常困难，而只依靠
少数几个内标对大量代谢物校正，将很难消除基质
的影响。近几年发展出一种基于稳定同位素标记代
谢物的定量方法，即首先利用重型和轻型试剂分别
标记两种不同的样本或标准品，标记完全后将两者
混合，经 LC-MS分析，根据成对同位素峰的丰度比
值可推断出两种样品中相同代谢物的含量变化 [28-29]。
利用这种方法实现了一个复杂混合物中的所有代谢
物的同时定量，消除了基质的影响。
2　LC-MS在植物代谢组学中的应用
随着分析方法的发展和完善，LC-MS在植物
代谢组学方面显示出巨大的应用潜力。靶标 LC-MS
方法已用来单独检测植物中的核苷酸 [30]、类黄酮 [31]、
生物碱 [32]、氨基酸 [33]等代谢物，非靶标 LC-MS方
法由于代谢物涵盖范围广已被应用于拟南芥、水稻、
番茄、玉米、马铃薯等多种植物的代谢组学研究中。
根据拟解决的科学问题，LC-MS植物代谢组学已应
用于代谢表型差异研究 [34-37]、转基因植物安全性评
价 [38-39]、生物及非生物胁迫研究 [40-43]、植物基因功
能鉴定 [44-46]和辅助育种 [47-48]等各个方面。
2.1　代谢表型差异研究
利用 LC-MS代谢组学技术研究不同生长阶段、
不同组织、不同种植环境、不同品种的代谢表型差
异，对植物品质评价、品种判别、组织特异性研究
等方面有重要意义。Mie等 [34]将 LC-MS非靶标代
谢组学方法应用于 2年内种植于传统农场和有机农
场的卷心菜。该研究共获得 1 600个化合物的代谢
轮廓谱，利用正交矫正偏最小二乘判别分析方法建
模发现，生产系统对卷心菜的代谢组产生了显著影
响，并且这种差异在不同年份种植的卷心菜中得到
保持。Baniasadi等 [35]将 50个非转基因玉米品种种
植于 6个地点，利用 LC-MS非靶标代谢组学方法
对玉米饲料和谷粒进行分析以考察种植环境和遗传
背景的影响。作者利用 LC-MS方法在玉米谷粒和
饲料中分别检测到 286及 857个代谢物，利用主成
分分析及层次聚类分析方法对不同样品中的代谢物
进行建模及聚类，研究发现，种植环境对玉米代谢
组的影响比遗传背景的作用更强；而与玉米谷粒中
代谢物相比，遗传环境对玉米饲料中代谢物的影响
更加显著。
2.2　转基因植物安全性评价
植物转基因技术将目的基因导入到受体植物的
基因组中，对其遗传性状进行改变以获得抗虫、抗
病、高产、高营养价值的新品种。转基因技术突破
了传统育种不能跨越的物种壁垒，提高了育种效率。
但是转基因生物构建过程中的基因插入位点的随机
性，组织培养过程易发生变异等原因都可能导致植
物的一些性状和代谢过程被改变，即非预期效应的
产生，因此，转基因植物的安全性评价备受关注。
Chang等 [49]以不同种植时间、不同种植环境的非
转基因水稻和转双价抗虫基因水稻种子为研究对
象，利用 LC-MS非靶向代谢组学分析方法研究了
种植环境和转基因引起的水稻代谢变化以评估转基
因水稻的非预期效应。研究结果发现，阿魏酰基 1,4-
丁二胺、亚麻酸、单油酸甘油酯、β-谷甾醇等同时
受环境和转基因的影响，但环境因素引起的含量变
化更显著；植物鞘氨醇、棕榈酸等只由转基因引起
的代谢物含量变化幅度较小；甘油磷酸胆碱、谷氨
酸、葫芦巴碱、亚麻酰溶血磷脂酰胆碱等只由种植
环境引起的代谢物含量变化倍数大于只由转基因引
起的变化。该研究表明，转基因水稻和其严格对照
的代谢差异较小，环境的影响比转基因对水稻代谢
表型的影响更大，即在代谢水平上转基因引起的变
异小于野生型水稻的自然变异。
2.3　生物及非生物胁迫研究
植物所处的环境 (温度、水分、空气、营养等
非生物因素及病虫害等生物因素 )发生变化时，植
物代谢平衡也随之被打破，通过其自身调节达到新
的平衡状态以适应环境的变化。利用 LC-MS代谢
组学技术可以监测植物面临外界胁迫后产生的代谢
变化，可进一步揭示植物抗逆的分子机制。
生命科学 第27卷982
Huang等 [40]将 GC-MS和 LC-MS平台相结合，
对缺磷条件下培养的大麦芽和根进行代谢轮廓分
析，发现磷严重缺乏会导致葡萄糖 -6-磷酸、果糖 -6-
磷酸、肌醇 -1-磷酸和甘油 -3-磷酸等磷酸化中间
体和 2-酮戊二酸、琥珀酸、富马酸、苹果酸等有
机酸的含量显著降低，而二糖、三糖含量显著上调。
研究结果揭示了磷缺乏的植物一方面通过调节糖代
谢来降低磷的消耗，另一方面从含磷的小分子代谢
物中回收磷以应对这种营养胁迫。低温胁迫会影响
植物叶片和根的细胞膜流动性、代谢速度、蛋白质
转换，抑制植物种子萌发及花粉活力。Vaclavik等 [41]
利用 LC-MS非靶标代谢组学方法对不同温度条件
(室温、4 ℃、-4 ℃ )处理的拟南芥 (高耐低温、中
耐低温、低温敏感 )进行了研究，发现 4 ℃及 -4 ℃
处理时 3个拟南芥品种在主成分分析得分图上能够
得到明显的分离。利用 UHPLC-QTOF对标记代谢
物进行了鉴定，发现低温敏感拟南芥的标记物为葡
萄糖芫菁芥素，而高耐低温拟南芥的标记物为山柰
酚 -3,7- 二鼠李糖甙。Kumaraswamy 等 [42] 将 LC-
ESI-LTQ-Orbitrap代谢组学非靶标方法应用于对赤
霉病有抗性的 5个小麦品种和赤霉病敏感的 1个小
麦品种，获得了禾谷镰刀菌侵染 (处理组 )及未侵
染 (对照组 )的小麦小穗状花序的代谢谱，并利用
多变量数据分析方法筛选出与赤霉病抗性相关的标
记物，包括苯丙氨酸、p-香豆酸、茉莉酸、亚麻酸、
脱氧雪腐镰刀菌烯醇等，这些标记物在赤霉素抗性
的小麦中含量均为在赤霉素敏感小麦中的2倍以上。
Chang等 [43]利用基于 LC-MS的代谢组学和脂质组
学分析方法研究了农药胁迫后不同时间点 (0、12、
24、48、96、168 h)转基因及非转基因水稻叶片的
代谢应答。研究发现：农药胁迫后类黄酮、脂质、
维生素、水杨酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸等具有重
要生理功能的代谢物含量发生显著性变化，具体表
现为转基因植物喷施农药后导致更多的类黄酮参与
应答，并且呈现多种应答模式；信号分子水杨酸及
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸只在转基因样品中上调；而
脂质仅在非转基因样品中农药胁迫后 24 h显著升高。
该研究表明，转基因影响了农药胁迫下水稻的代谢
应答。
2.4　植物基因功能鉴定
拟南芥基因组小、生长周期短，其作为模式植
物被广泛研究，迄今为止已积累了包括各种突变体、
cDNA全长序列及大量Microarray数据信息等丰富
的资源。另外，拟南芥的全基因组测序工作已在
2000年完成，为拟南芥基因功能鉴定开展创造了条
件。对转录组、代谢组、基因表达模式和代谢物积
累模式进行系统的相关性分析是基因功能鉴定的
有效手段。Tohge等 [44]将 LC-MS类黄酮靶标代谢
组学分析、FT-MS非靶标代谢组学分析及转录组学
结合，研究过表达 PAP1 (production of anthocyanin
pigment 1，编码一个MYB转录因子 )基因的拟南芥。
代谢组学研究发现，花青素及槲皮素衍生物在过表
达 PAP1基因的拟南芥中显著上调，转录组学研究
中利用 DNA微阵列对 2.2810万个基因进行分析，
其中 38个基因由 PAP1过表达上调。通过蛋白质体
外酶活实验和各自的 T-DNA插入突变体中花青素
的分析推断，由 PAP1过表达诱发的两个基因
(At5g17050和 At4g14090)分别编码类黄酮 -3-O-葡
萄糖转移酶和花青素 -5-O-葡萄糖转移酶。Okazaki
等 [45]利用转录组共表达分析发现，尿苷二磷酸葡
萄糖焦磷酸化酶 3 (UDP-glucose pyrophosphorylase
3, UGP3)与参与硫脂合成的基因高度相关，将
LC-MS代谢组学脂质轮廓分析方法应用于敲除
UGP3基因的拟南芥突变体，发现突变体中无硫脂
生成，说明 UGP3基因参与硫脂合成。通过推导其
氨基酸序列推断 UGP3为尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸
化酶，UGP3通过参与合成硫脂极性头前体物质尿
苷二磷酸葡萄糖从而在硫脂合成中起重要作用。
除了上述通过代谢组学和转录组学数据的关
联分析确定候选基因，利用代谢组学和基因组重
测序数据进行全基因组关联分析 (genome-wide
association analysis, GWAS)对代谢网络在全基因组
水平上进行解析最近也有报道。Chen等 [50]利用
LC-MS/MS对含有 529个品系的水稻群体进行大规
模的代谢组学分析：在叶组织中共检测到 840个代
谢物信号，其中 277个给出了初步的结构信息。
PCA分析表明：在籼稻群体 (indica)中特异的含有C-
糖基化和丙二酰化的黄酮类化合物，而在粳稻
(japonica)中则含有大量的酚胺类 (phenolamides)和
拟南芥吡喃酮类 (arabidopyl alcohol derivatives)化合
物。通过与大约 640万的 SNPs (single nucleotide
polymorphisms)关联分析确定了 36个参与水稻次生
代谢网络的候选基因，并对其中的 5个转移酶类基
因进行了功能验证，包括之前未被鉴定的甲基转移
酶和糖基转移酶等。
2.5　辅助育种
代谢物的类别和含量与营养及香味等品质性状
密切相关。利用代谢组学方法研究品质和代谢物的
常玉玮，等：LC-MS在植物代谢组学分析中的应用第8期 983
相关性，并对控制特定代谢物的数量性状基因定
位和鉴定，对植物育种工作的发展具有促进作用。
Matsuda 等 [47] 将代谢组学数量性状位点分析
(metabolome quantitative trait loci, mQTL)应用于 85
个水稻品种，利用 LC-IT-TOF-MS、LC-Q-TOF-MS、
GC-TOF-MS及 CE-TOF-MS对水稻种子进行非靶
标代谢组学分析。该研究发现水稻种子中 759个代
谢特征的 QTL呈不均匀分布状态。代谢物按影响
其含量的因素可划分为 3类：主要受环境因素影响
的有机酸、糖等初级代谢物；主要受 mQTL影响的
代谢物 (例如角鲨烯、3-氰丙氨酸、天冬酰胺等 )，
以及受常见的遗传因素协同影响的代谢物。mQTL
分析发现，三酰甘油酯和氨基酸的含量受到染色体
3上 mQTL区域的协同控制，此区域可作为水稻种
子代谢系统的突破点；类黄酮主要受改变糖基化的
遗传因素的影响，该研究初步揭示了水稻代谢的基
因调控机理，为水稻新品种的培育提供了理论依据。
Matsuda等 [48]将 LC-MS非靶标代谢组学方法应用
于过表达 OASA1D (α-subunit of anthranilate synthase，
不受反馈调控的邻氨基苯甲酸合成酶α亚单位基因 )
的转基因水稻幼苗，研究表明，转基因后水稻幼苗
中色氨酸大量积累并且在新叶中含量最高，低含量
的吲哚类代谢物在色氨酸积累的组织中显著上调；
另外，转基因没有引起其他主要代谢物含量的显著
变化。该研究表明，转基因水稻可以通过其他代谢
途径积累色氨酸，色氨酸的降解活性低且在组织间
存在单向传输作用，显示了利用代谢工程生产色氨
酸的优势。
3　展望
LC-MS联用技术强大的分离能力和高灵敏度
的检测能力为植物代谢组学分析提供了强有力的技
术保障。在未来更快速的液相色谱技术及高端的质
谱技术 (其他离子化技术、高采集速率或低驻留时
间的新的三重四级杆质谱等 )的出现会为植物代谢
组学的发展注入新的动力。目前 LC-MS植物代谢
组学方法的瓶颈为代谢物的结构鉴定。利用 LC-MS
的代谢物鉴定最直接有效的办法是将代谢物的保留
时间、精确质量数、多级质谱碎片同标准品进行比
对，但是植物中大部分代谢产物的标准品没有实现
商业化；另一方面，代谢组学数据库 (HMDB、
Metlin、MassBank等 )中收录的植物代谢物数量有
限，而目前公开的植物代谢组学数据库较少且主要
涉及代谢途径而缺乏代谢物二级质谱信息。近几年
报道了利用质谱技术的几种代谢物鉴定策略，包括
精确质量数、相对同位素丰度精度、同位素丰度等，
结合多种鉴定策略可以大大缩小目标代谢物的范
围 [51-52]。相信未来高质量精度质谱的开发、LC-
NMR-MS联用技术的发展、大量植物标准品的生产
及植物代谢物多级质谱数据库的完善可从根本上解
决代谢物鉴定这一难题。随着 LC-MS分析方法的
发展和代谢组学策略的完善，LC-MS植物代谢组学
将在基因功能鉴定、辅助育种等领域发挥越来越重
要的作用。
[参　考　文　献]
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