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NMR spectroscopy based metabolomic analysis of Thellungiella salsuginea under salt stress

基于核磁共振波谱的盐芥盐胁迫代谢组学分析



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 15 期摇 摇 2012 年 8 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
放牧对青藏高原东部两种典型高寒草地类型凋落物分解的影响 张艳博,罗摇 鹏,孙摇 庚,等 (4605)…………
北京地区外来入侵植物分布特征及其影响因素 王苏铭,张摇 楠,于琳倩,等 (4618)……………………………
温带混交林碳水通量模拟及其对冠层分层方式的响应———耦合的气孔导度鄄光合作用鄄能量平衡模型
施婷婷,高玉芳,袁凤辉,等 (4630)
………
……………………………………………………………………………
洞庭湖景观格局变化及其对水文调蓄功能的影响 刘摇 娜,王克林,段亚锋 (4641)……………………………
大辽河口水环境污染生态风险评估 于摇 格,陈摇 静,张学庆,等 (4651)…………………………………………
标准化方法筛选参照点构建大型底栖动物生物完整性指数 渠晓东,刘志刚,张摇 远 (4661)…………………
不同年龄段大连群体菲律宾蛤仔 EST鄄SSR多样性 虞志飞,闫喜武,张跃环,等 (4673)………………………
基于地统计分析西印度洋黄鳍金枪鱼围网渔获量的空间异质性 杨晓明,戴小杰,朱国平 (4682)……………
广东罗坑自然保护区鳄蜥生境选择的季节性差异 武正军,戴冬亮,宁加佳,等 (4691)…………………………
甘肃兴隆山森林演替过程中的土壤理化性质 魏摇 强,凌摇 雷,柴春山,等 (4700)………………………………
短轮伐期毛白杨不同密度林分土壤有机碳和全氮动态 赵雪梅,孙向阳,康向阳,等 (4714)……………………
放牧对呼伦贝尔草地植物和土壤生态化学计量学特征的影响 丁小慧,宫摇 立,王东波,等 (4722)……………
UV鄄B辐射增强对抗除草剂转基因水稻 CH4 排放的影响 娄运生, 周文鳞 (4731)……………………………
基于核磁共振波谱的盐芥盐胁迫代谢组学分析 王新宇,王丽华,于摇 萍,等 (4737)……………………………
广西甘蔗根际高效联合固氮菌的筛选及鉴定 胡春锦,林摇 丽,史国英,等 (4745)………………………………
不同稻蟹生产模式对土壤活性有机碳和酶活性的影响 安摇 辉,刘鸣达,王耀晶,等 (4753)……………………
大兴安岭火烧迹地恢复初期土壤微生物群落特征 白爱芹,傅伯杰,曲来叶,等 (4762)…………………………
川西北冷杉林恢复过程中土壤动物群落动态 崔丽巍,刘世荣,刘兴良,等 (4772)………………………………
内生真菌角担子菌 B6 对连作西瓜土壤尖孢镰刀菌的影响 肖摇 逸,戴传超,王兴祥,等 (4784)………………
西江颗粒直链藻种群生态特征 王摇 超,赖子尼,李跃飞,等 (4793)………………………………………………
大型人工湿地生态可持续性评价 张依然,王仁卿,张摇 建,等 (4803)……………………………………………
孢粉、炭屑揭示的黔西高原 MIS3b期间古植被、古气候演变 赵增友,袁道先,石胜强,等 (4811)……………
树干径流对梭梭“肥岛冶和“盐岛冶效应的作用机制 李从娟,雷加强,徐新文,等 (4819)………………………
豆科作物鄄小麦轮作方式下旱地小麦花后干物质及养分累积、转移与产量的关系
杨摇 宁,赵护兵,王朝辉,等 (4827)
………………………………
……………………………………………………………………………
一次陆源降雨污水引起血红哈卡藻赤潮的成因 刘义豪,宋秀凯,靳摇 洋,等 (4836)……………………………
盐城国家级自然保护区景观格局变化及其驱动力 王艳芳,沈永明 (4844)………………………………………
城市屋顶绿化资源潜力评估及绿化策略分析———以深圳市福田中心区为例
邵天然,李超骕,曾摇 辉 (4852)
……………………………………
…………………………………………………………………………………
黄河三角洲区域生态经济系统动态耦合过程及趋势 王介勇,吴建寨 (4861)……………………………………
重庆市生态功能区蝴蝶多样性参数 李爱民,邓合黎,马摇 琦 (4869)……………………………………………
专论与综述
干旱半干旱区不同环境因素对土壤呼吸影响研究进展 王新源,李玉霖,赵学勇,等 (4890)……………………
土壤呼吸的温度敏感性———全球变暖正负反馈的不确定因素 栾军伟,刘世荣 (4902)…………………………
森林土壤甲烷吸收的主控因子及其对增氮的响应研究进展 程淑兰,方华军,于贵瑞,等 (4914)………………
湖泊氮素氧化及脱氮过程研究进展 范俊楠,赵建伟,朱端卫 (4924)……………………………………………
研究简报
刈割对人工湿地风车草生长及污水净化效果的影响 吕改云,何怀东,杨丹菁,等 (4932)………………………
学术信息与动态
全球气候变化与粮食安全———2012 年 Planet Under Pressure国际会议述评 安艺明,赵文武 (4940)…………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*338*zh*P* ¥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄08
封面图说: 水杉是中国特有种,国家一级保护植物,有植物王国“活化石冶之称,是 1946 年由中国的植物学家在湖北的利川磨刀
溪发现的。 水杉曾广泛分布于北半球,第四纪冰期以后,水杉属的其他种类全部灭绝,水杉确在中国川、鄂、湘边境
地带得以幸存,成为旷世奇珍。 水杉耐水,适应力强,生长极为迅速,其树干通直挺拔,高大秀颀,树冠呈圆锥形,姿
态优美,枝叶繁茂,入秋后叶色金黄。 自发现后被人们在中国南方广泛种植,成为著名的绿化观赏植物,现在中国水
杉的子孙已遍及中国和世界 50 多个国家和地区。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 15 期
2012 年 8 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 15
Aug. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金(31170368,31070351)
收稿日期:2012鄄04鄄03; 摇 摇 修订日期:2012鄄06鄄19
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: yanxiufeng@ wzu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201204030467
王新宇, 王丽华, 于萍, 李楠, 吴惠丰, 阎秀峰.基于核磁共振波谱的盐芥盐胁迫代谢组学分析.生态学报,2012,32(15):4737鄄4744.
Wang X Y, Wang L H, Yu P, Li N, Wu H F, Yan X F. NMR spectroscopy based metabolomic analysis of Thellungiella salsuginea under salt stress. Acta
Ecologica Sinica,2012,32(15):4737鄄4744.
基于核磁共振波谱的盐芥盐胁迫代谢组学分析
王新宇1, 王丽华1, 于摇 萍1, 李摇 楠1, 吴惠丰2, 阎秀峰1,*
(1. 温州大学生命与环境科学学院, 温州摇 325035; 2. 中国科学院烟台海岸带研究所,烟台摇 264003)
摘要:以甲醇 /水(1颐1)作为溶剂,利用高分辨核磁共振氢谱分析了盐生模式植物盐芥(Thellungiella salsuginea)代谢组对盐胁迫
的响应。 根据1H 核磁共振(NMR)波谱,在盐芥莲座叶中准确鉴定出 23 种代谢产物,包括 11 种氨基酸、4 种糖类、6 种有机酸和
2 种其他代谢产物。 主成分分析表明,150、300 mmol / L NaCl 处理盐芥的代谢组与对照均有显著差异(P<0. 05),两种浓度的
NaCl处理对盐芥代谢组的影响也不相同。 盐胁迫处理以后,盐芥 23 种代谢产物含量均发生显著变化,除天冬氨酸、延胡索酸
受盐胁迫诱导含量下降以外,其余代谢物含量均不同程度升高。 这些代谢物主要参与了糖类代谢途径、氨基酸合成途径、三羧
酸循环和甜菜碱合成途径,这些代谢途径在盐芥响应盐胁迫过程中有重要作用。
关键词:盐芥;代谢组;盐胁迫;核磁共振
NMR spectroscopy based metabolomic analysis of Thellungiella salsuginea under
salt stress
WANG Xinyu1, WANG Lihua1, YU Ping1, LI Nan1, WU Huifeng2, YAN Xiufeng1,*
1 College of Life and Environmental Science, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China
2 Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China
Abstract: Soil salinity is a critical environmental problem that disrupts plant metabolic homeostasis and requires adjustment
of metabolic pathways in plant cells, a process that is usually referred to as acclimation. Metabolomics technologies have
made significant contributions to the study of plant stress biology through identification of different compounds, such as
signaling molecules and metabolic by鄄products in response to stress conditions, as well as small molecules involved in the
plant acclimation processes. Thellungiella salsuginea is a close relative of Arabidopsis thaliana. It has been proposed as an
ideal model for studying molecular mechanisms of salinity tolerance in plants because of its ‘ extremophile爷 characteristics
manifested by extreme tolerance to high salt conditions. To obtain a better understanding of the molecular mechanisms
underlying the response of T. salsuginea to salt stress, an Nuclear Magnetic Resonance (NMR)鄄based metabolic profiling
approach was used to profile metabolite changes in T. salsuginea after treatment with 150 mmol / L or 300 mmol / L NaCl for
24 h. In general, metabolomic studies should be designed to detect as many metabolites as possible in an organism, and a
solvent that can extract a diverse group of metabolites should be employed. In our experiments, metabolites were extracted
from the leaf tissues using a solvent system of methanol / water (1 / 1), known to extract many different metabolites. 1H鄄
NMR spectroscopy of samples from control, 150 mmol / L and 300 mmol / L NaCl treatment was performed separately.
Spectral data were analyzed and interpreted using multivariate statistical analyses. Overall, the original NMR spectra were
dominated by one of the organic acids, malate (啄 2. 38 and 2. 68), which is a T. salsuginea metabolite to maintain the
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osmotic balance in the cells and was approx. 10—100 times higher than other metabolites found in the 1H鄄NMR spectra.
Principal components analysis (PCA) was used in this work for the separation of control from different concentrations of
NaCl鄄treated groups. PCA is an exploratory unsupervised pattern recognition method since it calculates inherent variation
within the data sets without use of the class membership. Following PCA, the PC scores plot indicated highly significant
separations (P <0. 05) between control and salt treatments, suggesting huge differences in metabolite profiles between
control and NaCl鄄treated samples. In order to understand the origin of the differences between the control and NaCl
treatments, the metabolites were identified and quantified. A total of 23 intracellular metabolites, comprising 11 amino
acids, 4 sugars, 6 organic acids and 2 others were identified in leaf extracts of T. salsuginea. All of the 23 metabolites
showed reproducible and statistically significant changes in NaCl鄄treated samples compared to control samples. Most
metabolites exhibited significant increases in response to NaCl treatment except aspartate and fumarate. To evaluate the
connections of these metabolic changes under salt stress, the measured metabolite variations were mapped onto the plant
biosynthetic pathways. Metabolites involved in carbohydate metabolism, amino acid biosynthesis, TCA cycle and betaine
biosynthesis played an important role in response to salt stress. It is notable that a potentially powerful strategy of salt
tolerance in the halophyte T. salsuginea is to increase the TCA cycle intermediates and accumulate the osmoregulatory solute
proline. This information, together with quantitative kinetic indices, can be used to model and simulate metabolic
pathways. This study has further highlighted the value of the metabolic profiling approach in discovering and validating plant
metabolic mechanisms in response and acclimation to salt stress.
Key Words: Thellungiella salsuginea; metabolomics; salt stress; NMR
十字花科植物盐芥(Thellungiella salsuginea)具有很强的耐盐能力(可在 300 mmol / L NaCl 的生境中完成
生活史)且与模式植物拟南芥的亲缘关系非常近,因此作为盐生模式植物引起研究者关注并开展了大量研
究[1鄄2]。 比较基因组学研究发现大部分胁迫诱导基因在盐芥中是组成型表达的,如 Fe鄄SOD、P5CS、PDF1. 2、
AtNCED、P鄄protein、茁鄄glucosidase、SOS1 等基因非胁迫条件下在盐芥中就以高水平表达,并可能与盐芥高度的耐
盐性密切相关[3鄄4]。 Pang等[5]进一步利用双向电泳(2鄄DE)、同位素标记相对和绝对定量( iTRAQ)蛋白质组
学技术分别鉴定了盐芥盐胁迫差异表达的可溶性蛋白和疏水膜蛋白,推测了盐芥应答盐胁迫的主要生理代谢
途径。
植物在响应和适应盐胁迫的过程中,需要不断调节自身复杂的代谢网络来维持系统内部的动态平衡。 对
这种动态进行监测与全面分析,可以揭示植物对环境因子或胁迫的应答机制,代谢组学技术的出现和发展为
这方面的研究提供了一个新的平台。 核磁共振波谱(NMR)是代谢组学研究的主要工具之一[6鄄7]。 利用高分
辨核磁共振技术分析了盐生模式植物———盐芥代谢组对盐胁迫的应答,总结了盐芥耐盐相关的典型代谢特征
和特异代谢途径。
1摇 材料和方法
1. 1摇 植物材料培养及处理
所用盐芥(Thellungiella salsuginea)为山东生态型(ecotype Shandong, China),种子由山东师范大学张慧教
授惠赠。 采用 Hoagland营养液水培,人工气候室培养(8 h / 16 h光周期,25 益 / 20 益,光强 150 滋mol·m-2·s-1,
湿度 50%—70% )。 生长至 4 周时,分别以含 150、300 mmol / L NaCl的 Hoagland营养液进行盐胁迫处理,正常
Hoagland营养液培养的植株作为对照,处理 24 h后采样。
1. 2摇 盐芥代谢组样品提取
称取 200 mg盐芥莲座叶,液氮中研磨成粉末后悬浮于甲醇 /水(1颐1)提取液(3. 33 mL / g),加入磁珠利用
高通量匀浆机(Qiagen TissueLyser, USA)振荡匀浆。 匀浆 30 000 g、4 益离心 10 min,上层极性溶剂相经冷冻
离心浓缩系统干燥后于超低温冰箱保存用于 NMR 分析。 在 NMR 仪器分析前,需要对样品进行预处理。 将
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上述冻干样品加入 600 滋L 100 mmol / L 重水磷酸盐缓冲液(Na2HPO4 和 NaH2PO4,含 0. 5 mmol / L TSP, pH值
7. 0)充分溶解,以 30 000 g、4 益离心 10 min。 取上清液 550 滋L置于 5 mm核磁管待测。
1. 3摇 核磁共振检测和1H鄄NMR波谱数据处理
代谢组样品分析在 Bruker AV 500 NMR 谱仪(Bruker BioSpin, Canada)上进行,1H 观察频率为 500. 18
MHz,测试温度为 298 K。 谱宽 6009. 6 Hz,混合时间 0. 1 s,弛豫延迟时间 0. 3 s,在弛豫延迟和混合期间采用
预饱和方式抑制水峰,1D NOESY脉冲序列以保证在预饱和压制水峰的情况下得到较平整的图谱基线。 累加
次数 128 次,每个样本核磁扫描均收集到 16384 个数据点,采用线宽为 0. 3 Hz 的指数窗函数进行傅里叶变
换,获得1H鄄NMR 谱图。 将1H鄄NMR 谱图载入 TopSpin 软件( version 2. 1, Bruker BioSpin, Canada),对所有
的1H鄄NMR谱图进行细致的相位校正和基线调整,并以内标 TSP 为化学位移参考峰。
利用 Matlab ProMetab软件(ver 7. 0; MathsWorks, Natick, MA, USA),将 啄 0. 2—10. 0 内的谱图以 0郾 01
谱宽进行分段并积分,除去水峰所在的化学位移区域(啄 4. 70—5. 20)。 将 啄 8. 32—8. 35、啄 8郾 26—8郾 28、
啄 8郾 24—8. 26、啄 8. 18—8. 20、啄 7. 97—8. 01、啄 7. 70—7. 85、啄 7郾 52—7. 56、啄 6. 53—6郾 58 合并成单一的峰,以
消除 pH导致的谱峰偏差。 归一化剩余总的谱峰面积以便比较谱峰之间的强度差异。 多元统计分析之前,先
将所有的核磁谱对数化处理,以增加低强度峰的权重,其中转化参数为 10-8。 通过 Chenomx Suite 软件
(Chenomx Inc. , Canada)分析代谢物的化学位移完成各种主要代谢产物的鉴定并进行定量。
2摇 结果与分析
从植株外部形态看,经 150 mmol / L NaCl 处理的盐芥受盐胁迫影响不明显,基本与对照无异。 经 300
mmol / L NaCl处理的盐芥大部分植株出现不同程度的萎蔫。
2. 1摇 盐芥代谢组1H鄄NMR波谱分析
1H鄄NMR谱峰与样品中各代谢产物中氢原子一一对应,样品中每一个氢原子在图谱中都有其相关谱峰,
图谱中信号的相对强弱反映样品中各组分的相对含量。 盐芥中准确鉴定出 23 种代谢产物,包括 11 种氨基
酸、4 种糖类代谢物、6 种有机酸和 2 种其他代谢产物(图 1)。
图 1摇 盐芥莲座叶代谢物 500 MHz核磁共振一维氢谱
Fig. 1摇 1H鄄NMR spectrum of the metabolites identified in Thellungiella salsuginea leaves
(1)亮氨酸 Leucine; (2)异亮氨酸 Isoleucine; (3)缬氨酸 Valine; (4)苏氨酸 Threonine; (5)丙氨酸 Alanine; (6)乙酸 Acetate; (7)脯氨酸
Proline; (8)谷氨酸 Glutamate; (9)谷氨酰胺 Glutamine; (10)苹果酸Malate; (11)琥珀酸 Succinate; (12)酮戊二酸 2鄄oxoglutarate; (13)柠檬
酸 Citrate; (14)天冬氨酸 Aspartate; (15)胆碱 Choline; (16)甜菜碱 Betaine; (17)甘氨酸 Glycine; (18)丝氨酸 Serine; (19)蔗糖 Sucrose;
(20)果糖 Fructose; (21)葡萄糖 Glucose; (22)麦芽糖 Maltose; (23)延胡索酸 Fumarate
9374摇 15 期 摇 摇 摇 王新宇摇 等:基于核磁共振波谱的盐芥盐胁迫代谢组学分析 摇
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2. 2摇 盐芥响应盐胁迫的代谢组主成分分析
摇 图 2摇 盐芥盐处理后代谢组1H鄄NMR谱峰积分值的 PCA得分图
Fig. 2 摇 PCA score plots derived from 1H鄄NMR spectra of
Thellungiella salsuginea samples
主成分分析(PCA)是代谢组学研究中一种常用的
无监督模式识别方法。 PCA 的特点是将分散在一组变
量上的所有信息集中到几个综合指标即主成分(PC)
上,利用这些 PC 来描述数据集内部结构,实际上起着
数据降维的作用。 本研究中,对1H鄄NMR 谱变化影响最
大的 2 个主成分 ( PC1 和 PC2 ) 的贡献率分别为
58郾 86%和 20. 16% 。 由图 2 可见,处理组与对照组能
完全分离开,150 mmol / L NaCl 处理组、 300 mmol / L
NaCl 处理组与对照均有显著差异 ( P < 0. 05 ), 150
mmol / L NaCl处理组在得分图中的数据点在 PC2 上偏
离对照组,而 300 mmol / L NaCl处理组在得分图中的数
据点在 PC1 上显著偏离对照组。 两种浓度 NaCl 处理
对盐芥代谢组的影响也不相同,两个处理组在 PC1 上发生明显偏离。
2. 3摇 盐芥响应盐胁迫的主要代谢物含量变化
盐芥莲座叶检测到的 23 种代谢物中,苹果酸含量最高,其次是葡萄糖和脯氨酸。 除天冬氨酸、延胡索酸
受盐胁迫诱导含量下降以外,其余代谢物含量受盐胁迫诱导均不同程度升高,盐胁迫可能抑制了天冬氨酸和
延胡索酸的合成或加速其转化。 受盐胁迫诱导含量升高的代谢物可以大致分为两类,一类是含量随盐浓度的
增加而显著升高,如亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸、丙氨酸、脯氨酸、甘氨酸、蔗糖、琥珀酸、酮戊二酸,盐胁
迫可能诱导这些物质的积累,使盐生植物表现出较高的耐盐性。 另一类是在 150 mmol / L NaCl处理组显著高
于对照水平,而在 300 mmol / L NaCl处理组高于对照水平但低于 150 mmol / L NaCl处理组,如谷氨酸、谷氨酰
胺、丝氨酸、葡萄糖、果糖、麦芽糖、苹果酸、柠檬酸、胆碱、甜菜碱,较低的盐浓度诱导这些物质的积累,而较高
的盐浓度却没有进一步促进这些物质的合成(表 1)。
表 1摇 盐胁迫盐芥莲座叶主要代谢物含量变化(滋mol / g)
Table 1摇 The content of the main metabolites in Thellungiella salsuginea samples after salt treatment
代谢物
Metabolites
亮氨酸
Leucine
异亮氨酸
Isoleucine
缬氨酸
Valine
苏氨酸
Threonine
丙氨酸
Alanine
脯氨酸
Proline
谷氨酸
Glutamate
谷氨酰胺
Glutamine
对照 Control 0. 03依0. 01a 0. 03依0. 01a 0. 05依0. 00a 0. 24依0. 03a 0. 31依0. 01a 2. 83依0. 19a 1. 66依0. 17a 1. 67依0. 15a
150 mmol / L 0. 05依0. 00b 0. 07依0. 00a 0. 13依0. 01b 0. 49依0. 04b 0. 35依0. 07ab 4. 74依0. 58b 2. 92依0. 40b 2. 88依0. 46b
300 mmol / L 0. 14依0. 01c 0. 23依0. 04b 0. 35依0. 05c 0. 55依0. 08b 0. 43依0. 05b 4. 83依1. 14b 2. 31依0. 47b 1. 60依0. 16a
代谢物
Metabolites
天冬氨酸
Aspartate
甘氨酸
Glycine
丝氨酸
Serine
蔗糖
Sucrose
葡萄糖
Glucose
果糖
Fructose
麦芽糖
Maltose
醋酸盐
Acetate
对照 Control 0. 90依0. 10a 0. 14依0. 02a 0. 47依0. 17a 0. 46依0. 06a 3. 22依0. 66a 0. 80依0. 05a 0. 43依0. 08a 0. 04依0. 01a
150 mmol / L 0. 88依0. 08a 0. 33依0. 07b 1. 51依0. 09b 1. 89依0. 28b 7. 65依0. 49b 5. 87依0. 88b 1. 71依0. 21b 0. 04依0. 00a
300 mmol / L 0. 66依0. 14b 0. 32依0. 05b 0. 89依0. 07c 2. 24依0. 51b 4. 09依0. 59a 3. 27依0. 76c 1. 18依0. 09c 0. 07依0. 00b
代谢物
Metabolites
琥珀酸
Succinate
苹果酸
Malate
柠檬酸
Citrate
延胡索酸
Fumarate
胆碱
Choline
甜菜碱
Betaine
酮戊二酸
2-oxoglutarate
对照 Control 0. 10依0. 01a 12. 11依1. 81a 0. 51依0. 07a 0. 05依0. 01a 0. 505依0. 04a 0. 105依0. 02a 0. 06依0. 01a
150 mmol / L 0. 13依0. 01b 30. 42依1. 78b 1. 44依0. 31b 0. 03依0. 01b 0. 685依0. 06b 0. 225依0. 02b 0. 07依0. 01a
300 mmol / L 0. 16依0. 04b 17. 89依4. 99a 0. 93依0. 11c 0. 03依0. 01b 0. 535依0. 09a 0. 115依0. 03a 0. 13依0. 02b
摇 摇 表中数据为平均值依标准差(n=4),同一组比较中不同字母表示差异显著(P<0. 05)
3摇 讨论
代谢物是细胞调控过程的终产物,它们的种类和数量变化被视为生物系统对基因或环境变化的最终响
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应[8]。 对盐胁迫条件下盐芥主要代谢物进行了系统的定量分析后,利用 VANTED 软件[9]刻画了盐芥主要代
谢途径对盐胁迫的响应,主要包括糖类代谢途径、氨基酸合成途径、三羧酸循环和甜菜碱合成途径(图 3),下
面分别进行讨论。
(1)糖类代谢途径
碳水化合物代谢是植物的基础代谢之一,参与调解很多重要的生理过程如光合作用、呼吸作用。 大量研
究表明,在盐胁迫下碳水化合物可以作为渗透调节物质而积累,比如糖类物质(蔗糖、果糖、葡萄糖、果聚糖
等),因此也常用植物体内糖代谢水平来衡量环境对植物胁迫的程度及植物对环境的适应性[10]。 检测到盐芥
糖类代谢途径中非还原性糖(蔗糖)和 3 种还原性糖(果糖、葡萄糖、麦芽糖)的含量都受到盐胁迫的影响。 植
物适应盐胁迫过程中,蔗糖对于维持脂双层膜结构中磷脂的液晶态、防止可溶性蛋白质结构上的改变有重要
作用,而葡萄糖作为多数植物呼吸作用的直接底物,对于植物适应盐胁迫过程中能量代谢、氧自由基的形成有
重要作用[11]。 非还原性糖的含量随着盐浓度的增加而显著增加,而还原性糖含量却无一例外的在 300 mmol /
L NaCl高盐浓度下略高于对照水平,但低于 150 mmol / L NaCl处理组样品。 关于盐处理后盐芥莲座叶中糖类
物质含量的提高,究竟是由于淀粉水解作用加强,还是由于糖分利用的下降,目前还难下定论。 还有研究表
明,植物可溶性碳水化合物含量的提高,不仅在于可溶性碳水化合物参与细胞的渗透调节作用,更重要的原因
可能在于许多可溶性碳水化合物是植物适应环境的信号物质[12]。
(2)氨基酸合成途径
植物在适应盐胁迫过程中,维持一个合适的 K+ / Na+比对缓解盐胁迫的危害至关重要。 游离氨基酸可以
调节跨膜的 K+转运,从而提高植物对盐胁迫的适应性[13]。 观察到盐芥的氨基酸合成途径受到盐胁迫诱导,
一些氨基酸的含量发生显著变化。 除了天冬氨酸,其余 10 种氨基酸含量受盐胁迫诱导均有不同程度的增加,
推测这与盐芥较高的耐盐能力有关。 植物在盐胁迫等逆境条件下积累脯氨酸是一种较普遍的现象[14],脯氨
酸是检测到的 11 种氨基酸中含量最高的,且受盐胁迫诱导含量增加显著。 作为可溶性渗透物质,脯氨酸的积
累有助于盐胁迫条件下细胞膜的稳定[15],有利于叶绿素的合成。 在渗透胁迫和氮素缺乏的情况下,谷氨酸途
径是合成脯氨酸的主要来源[16]。 在盐芥莲座叶中,谷氨酸和谷氨酰胺含量也很高,仅次于脯氨酸。 已有研究
指出,在干旱和盐胁迫条件下谷氨酸和谷氨酰胺的水平对于维持细胞渗透性的动态平衡具有重要意义[17]。
在蛋白组学研究中,盐芥叶片中谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase)受低浓度盐胁迫诱导显著上调,高浓度
盐胁迫蛋白表达接近对照水平[5],这与代谢组学研究中谷氨酰胺的含量变化一致,在一定程度上,代谢组学
的结果印证了蛋白组学的研究结果。
(3)三羧酸循环
有机酸是一类具有缓冲作用的酸性化合物,在盐胁迫下大量积累有机酸,可与液泡中的 Na+结合,从而降
低毒害作用,是维持体内离子平衡和 pH值稳定的关键[18]。 盐芥莲座叶中检测到 6 种有机酸,并且都是三羧
酸循环中重要的中间产物(图 3)。 三羧酸循环是糖类、氨基酸的最终代谢通路,又是糖类、氨基酸代谢联系的
枢纽,植物可以根据需要通过自身调节来改变代谢流的方向,进而积累或降解某种小分子,达到适应环境、保
持内环境稳态的目的。 与三羧酸循环相关的有机酸含量变化说明,盐芥在应对盐胁迫过程中,物质代谢和能
量代谢都受到了影响,盐芥通过调节有机酸的含量,使细胞恢复稳态。
在盐芥莲座叶中检测到的苹果酸,不仅在 6 种有机酸代谢产物中含量最高,而且在所有检测到的 23 种代
谢产物中也是含量最高的。 苹果酸是三羧酸酸循环和乙醛酸循环的中介,是维持细胞渗透压与电荷平衡的关
键代谢物,还参与调节植物气孔开度,因此苹果酸在植物适应逆境胁迫的生命活动中起着重要作用[19]。 发
现,盐胁迫促进了盐芥莲座叶中苹果酸的积累,但并没有与盐浓度呈现出显著的正相关。 与苹果酸含量变化
趋势一致的有机酸代谢物还有柠檬酸。 早在 1986 年,人们就在干旱的棉花中发现柠檬酸的积累[20]。 水分胁
迫、矿物营养缺乏、盐胁迫也能够诱导植物中柠檬酸的积累[21鄄22]。 研究表明,在盐胁迫条件下,柠檬酸和琥珀
酸在根中大量积累,但地上部分的柠檬酸和酮戊二酸含量却显著下降,地上部分三羧酸循环可能受到抑
1474摇 15 期 摇 摇 摇 王新宇摇 等:基于核磁共振波谱的盐芥盐胁迫代谢组学分析 摇
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图 3摇 盐芥响应盐胁迫的主要代谢途径
Fig. 3摇 The main metabolic pathway in Thellungiella salsuginea response to salt stress
每一个方框代表一种代谢物,编号与图 1 对应,白方框表示代谢途径中未在核磁谱中检测到的代谢物; 代谢物之间的实线表示通过一步反
应实现,虚线表示通过多步反应实现
制[23]。 目前,柠檬酸在植物对抗非生物胁迫中的功能还不是特别清楚。 盐芥中乙酸、酮戊二酸、琥珀酸的含
量都受盐胁迫诱导增加。 尽管研究中并没有检测到脂类物质,但根据以往文献推测,乙酸含量的增加可能与
胁迫条件下脂类代谢的加强有关,胁迫条件下三羧酸循环过程中乙酰辅酶 A 的利用率下降也可能造成乙酸
的积累[6]。 酮戊二酸是谷氨酸合成途径必需的底物也是植物氨同化过程中重要的有机酸,酮戊二酸的积累
2474 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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对胁迫条件下谷氨酸的合成有着积极的影响。 三羧酸循环中这些关键的中间产物在植物应对非生物胁迫中
的作用,以及合成途径中关键酶的调控值得深入研究,研究结果将为阐明植物物质代谢和能量代谢的胁迫应
答机制奠定基础。
(4)甜菜碱合成途径
作为对不良环境的一种适应性防御反应,植物通过在体内积累高浓度小分子量的有机渗透调节物质来降
低细胞内渗透势,提供植物在低水势下的吸水能力,稳定膜结构和大分子的构象,从而维持植物正常的代谢和
生存。 甜菜碱一般在叶绿体中积累,是高等植物中最常见也是最重要的非毒性渗透调节物质之一,能够参与
稳定复杂蛋白质的高级结构,调节和保护类囊体膜功能,使植物在应对非生物胁迫过程中维持正常的光合效
率,在植物抗逆生理中起重要作用[24鄄25]。 研究中,检测到甜菜碱及其合成底物胆碱受低盐浓度诱导积累,但
在较高盐浓度条件下并没有显著影响。 盐芥在盐胁迫条件下并没有积累典型的植物渗透调节物质,比如很多
盐生植物中大量积累的甜菜碱和多元醇[26鄄28]。 相比之下,盐芥积累了大量的脯氨酸,在非处理条件下脯氨酸
的含量就是甜菜碱含量的 28. 8 倍,150 mmol / L NaCl 和 300 mmol / L NaCl 处理后分别是甜菜碱含量的 21. 5
倍、43. 9 倍,脯氨酸的积累是盐芥对抗盐胁迫的主要策略之一。
每一个方框代表一种代谢物,编号与图 1 对应,白方框表示代谢途径中未在核磁谱中检测到的代谢物。
代谢物之间的实线表示通过一步反应实现,虚线表示通过多步反应实现。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 15 August,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Effects of grazing on litter decomposition in two alpine meadow on the eastern Qinghai鄄Tibet Plateau
ZHANG Yanbo, LUO Peng, SUN Geng, et al (4605)
…………………………………
………………………………………………………………………………
Distribution pattern and their influcing factors of invasive alien plants in Beijing
WANG Suming,ZHANG Nan,YU Linqian, et al (4618)
………………………………………………………
……………………………………………………………………………
Simulation of CO2 and H2O fluxes over temperate mixed forest and sensitivity analysis of layered methods: stomatal conductance鄄
photosynthesis鄄energy balance coupled model SHI Tingting, GAO Yufang, YUAN Fenghui, et al (4630)………………………
Analysis on the responses of flood storage capacity of Dongting Lake to the changes of landscape patterns in Dongting Lake area
LIU Na, WANG KeLin, DUAN Yafeng (4641)
……
……………………………………………………………………………………
Integrated water risk assessment in Daliao River estuary area YU Ge, CHEN Jing, ZHANG Xueqing, et al (4651)…………………
Discussion on the standardized method of reference sites selection for establishing the Benthic鄄Index of Biotic Integrity
QU Xiaodong, LIU Zhigang, ZHANG Yuan (4661)
………………
…………………………………………………………………………………
Genetic diversity analysis of different age of a Dalian population of the Manila clam Ruditapes philippinarum by EST鄄SSR
YU Zhifei, YAN Xiwu, ZHANG Yuehuan, et al (4673)
……………
……………………………………………………………………………
Geostatistical analysis of spatial heterogeneity of yellowfin tuna (Thunnus albacares) purse seine catch in the western Indian Ocean
YANG Xiaoming, DAI Xiaojie, ZHU Guoping (4682)

………………………………………………………………………………
Seasonal differences in habitat selection of the Crocodile lizard (Shinisaurus crocodilurus) in Luokeng Nature Reserve, Guangdong
WU Zhengjun, DAI Dongliang, NIN Jiajia, et al (4691)

…………………………………………………………………………
Soil physical and chemical properties in forest succession process in Xinglong Mountain of Gansu
WEI Qiang,LING Lei,CHAI Chunshan, et al (4700)
……………………………………
………………………………………………………………………………
Dynamics of soil organic carbon and total nitrogen contents in short鄄rotation triploid Populus tomentosa plantations
ZHAO Xuemei, SUN Xiangyang, KANG Xiangyang, et al (4714)
……………………
…………………………………………………………………
Grazing effects on eco鄄stoichiometry of plant and soil in Hulunbeir, Inner Mogolia
DING Xiaohui,GONG Li,WANG Dongbo,et al (4722)
……………………………………………………
……………………………………………………………………………
Effect of elevated ultraviolet鄄B (UV鄄B) radiation on CH4 emission in herbicide resistant transgenic rice from a paddy soil
LOU Yunsheng, ZHOU Wenlin (4731)
…………
………………………………………………………………………………………………
NMR spectroscopy based metabolomic analysis of Thellungiella salsuginea under salt stress
WANG Xinyu, WANG Lihua, YU Ping, et al (4737)
……………………………………………
………………………………………………………………………………
Screening and identification of associative nitrogen fixation bacteria in rhizosphere of sugarcane in Guangxi
HU Chunjin, LIN Li, SHI Guoying, et al (4745)
…………………………
…………………………………………………………………………………
Effects of different rice鄄crab production modes on soil labile organic carbon and enzyme activities
AN Hui, LIU Mingda, WANG Yaojing, et al (4753)
……………………………………
………………………………………………………………………………
The characteristics of soil microbial communities at burned forest sites for the Great Xingan Mountains
BAI Aiqin, FU Bojie, QU Laiye, et al (4762)
………………………………
……………………………………………………………………………………
Changes of soil faunal communities during the restoration progress of Abies faxoniana Forests in Northwestern Sichuan
CUI Liwei, LIU Shirong, LIU Xingliang, et al (4772)
………………
……………………………………………………………………………
The effects of the endophytic fungus Ceratobasidum stevensii B6 on Fusarium oxysporum in a continuously cropped watermelon field
XIAO Yi, DAI Chuanchao, WANG Xingxiang, et al (4784)

………………………………………………………………………
Population ecology of Aulacoseira granulata in Xijiang River WANG Chao, LAI Zini, LI Yuefei, et al (4793)………………………
Evaluation of ecosystem sustainability for large鄄scale constructed wetlands
ZHANG Yiran, WANG Renqing, ZHANG Jian, et al (4803)
………………………………………………………………
………………………………………………………………………
MIS3b vegetation and climate changes based on pollen and charcoal on Qianxi Plateau
ZHAO Zengyou, YUAN Daoxian, SHI Shengqiang, et al (4811)
………………………………………………
…………………………………………………………………
The effects of stemflow on the formation of “Fertile Island冶 and “Salt Island冶 for Haloxylon ammodendron Bge
LI Congjuan, LEI Jiaqiang, XU Xinwen, et al (4819)
………………………
……………………………………………………………………………
Accumulation and translocation of dry matter and nutrients of wheat rotated with legumes and its relation to grain yield in a dryland
area YANG Ning, ZHAO Hubing, WANG Zhaohui, et al (4827)…………………………………………………………………
Occurrence characteristics of akashiwo sanguinea bloom caused by land source rainwater
LIU Yihao, SONG Xiukai, JIN Yang, et al (4836)
………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Analysis on landscape pattern change and its driving forces of Yancheng National Natural Reserve
WANG Yanfang, SHEN Yongming (4844)
……………………………………
…………………………………………………………………………………………
Resource potential assessment of urban roof greening and development strategies: a case study in Futian central district, Shenzhen,
China SHAO Tianran, LI Chaosu, ZENG Hui (4852)……………………………………………………………………………
Analysis of the dynamic coupling processes and trend of regional eco鄄economic system development in the Yellow River Delta
WANG Jieyong, WU Jianzhai (4861)
………
………………………………………………………………………………………………
The diversity parameters of butterfly for ecological function divisions in Chongqing LI Aimin, DENG Heli, MA Qi (4869)…………
Review and Monograph
Responses of soil respiration to different environment factors in semi鄄arid and arid areas
WANG Xinyuan, LI Yulin, ZHAO Xueyong, et al (4890)
………………………………………………
…………………………………………………………………………
Temperature sensitivity of soil respiration: uncertainties of global warming positive or negative feedback
LUAN Junwei, LIU Shirong (4902)
………………………………
…………………………………………………………………………………………………
The primary factors controlling methane uptake from forest soils and their responses to increased atmospheric nitrogen deposition:
a review CHENG Shulan, FANG Huajun, YU Guirui, et al (4914)………………………………………………………………
The research progresses on biological oxidation and removal of nitrogen in lakes
FAN Junnan, ZHAO Jianwei, ZHU Duanwei (4924)
………………………………………………………
………………………………………………………………………………
Scientific Note
Cutting effects on growth and wastewater purification of Cyperus alternifolius in constructed wetland
L譈 Gaiyun,HE Huaidong,YANG Danjing,et al (4932)
…………………………………
……………………………………………………………………………
《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 32 卷摇 第 15 期摇 (2012 年 8 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA

(Semimonthly,Started in 1981)

Vol郾 32摇 No郾 15 (August, 2012)
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