全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2013, 39(4): 720726 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
本研究由国家转基因生物新品种培育科技重大专项(2011ZX08001-003), 引进国际先进农业科学技术(948计划)项目(2011-G2B)和国家
高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA101101)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 傅彬英, E-mail: fuby@caas.net.cn, Tel: 010-82106698
第一作者联系方式: E-mail: cass518@yahoo.com.cn, Tel: 010-82106698
Received(收稿日期): 2012-07-23; Accepted(接受日期): 2012-11-16; Published online(网络出版日期): 2013-01-28.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20130128.0919.003.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2013.00720
水稻低温胁迫不同时间的代谢物谱图分析
赵秀琴 张 婷 王文生 张 帆 朱苓华 傅彬英* 黎志康
中国农业科学院作物科学研究所 / 农作物基因资源和基因改良国家重大科学工程, 北京 100081; 中国农业科学院深圳生物育种创
新研究院, 广东深圳 518083
摘 要: 苗期低温严重影响水稻幼苗生长, 分析低温胁迫下幼苗体内代谢物变化特征有助于解析水稻应对胁迫的生
理机制。采用气质谱联用仪(GC-MS)技术系统分析水稻品种 IR64遭遇不同时间段低温后代谢物图谱的变化特征。结
果表明, 草酸、戊糖酸-1,4-内酯、海藻糖及水杨酸参与了水稻低温胁迫早期应激性反应; 在低温胁迫过程中, 水稻植
株主要通过苯丙氨酸、脯氨酸、谷氨酸、丝氨酸、苏氨酸、天门冬氨酸、缬氨酸、木糖醇、尿囊素和鼠李糖等含量
的提高维持细胞渗透平衡。代谢物动态分析发现参与低温胁迫反应及胁迫恢复后进程的主要代谢物不同。研究结果
为全面系统剖析水稻耐冷胁迫的分子生理机制打下了基础。
关键词: 水稻; 代谢物谱图; 低温
Time-Course Metabolic Profiling in Rice under Low Temperature Treatment
ZHAO Xiu-Qin, ZHANG Ting, WANG Wen-Sheng, ZHANG Fan, ZHU Ling-Hua, FU Bin-Ying*, and LI
Zhi-Kang
Institute of Crop Sciences / National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement, Chinese Academy of Agricultural Sciences,
Beijing 100081, China; Shenzhen Institute of Breeding and Innovation, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Shenzhen 518083, China
Abstract: Rice seedling growth is inhibited greatly by the occurrence of low temperature. Characterization of the dynamic
changes in rice metabolite under chilling stress will contribute to the understanding of physiological mechanism responsive to
abiotic stresses. At the present study, the time-course metabolic profiling of the rice variety, IR64, under low temperature was
investigated with GC-MS technique. The results showed that the contents of the oxalic acid, pentonic acid-1,4-lactone, trehalose
and salicylic acid increased greatly at the early chilling stress, while phenylalanine, proline, glutamicate, serine, threonine, aspar-
ticate, valine, xylitol, allantoin, and rhamnose were induced significantly by the low temperature treatment to keep the osmotic
homeostasis. Further dynamic analysis of metabolites indicated that different sets of metabolites were involved in the chilling
stress response and the subsequent recovery process. All these results provide a basis for further elucidation of molecular physio-
logical mechanism in rice chilling tolerance.
Keywords: Rice; Metabolic profiling; Low temperature
水稻是喜温性作物, 广泛种植于我国大部分地
区。在水稻生长发育过程中, 低温会导致生长迟缓、
分蘖减少、育性降低以致影响最终产量。低温冷害
不仅是东北地区水稻生产的主要障碍之一, 在南方
早春寒潮频繁入侵, 也常引起幼苗青枯死亡。因此
解析水稻耐低温遗传及分子生理机制, 对培育耐低
温水稻品种以保障我国粮食高产稳产具有重要现实
意义。
植物在低温胁迫下会发生一系列生理生化调整,
首先细胞内活性氧水平升高, 诱发脂质过氧化链式
反应, 导致细胞膜完整性破坏, 透性增加[1], 继而叶
片青枯死亡。丙二醛(MDA)是反映细胞氧化损伤程
度的有效指标之一, 生理学研究表明, 低温逆境下,
MDA含量增加, 而 SOD、POD等酶活性增强, 以清
第 4期 赵秀琴等: 水稻低温胁迫不同时间的代谢物谱图分析 721
除逆境引起的自由基, 降低其对膜蛋白的影响 [2]。
“组学”技术的发展完善促进了植物低温胁迫反应相
关功能基因的挖掘[3-8], 如 CBF 基因是植物应对低
温胁迫早期反应的重要转录因子基因 , 而 CBF/
DREB 参与的代谢调控途径在植物耐低温胁迫反应
中起重要作用。然而低温胁迫下水稻体内代谢物的
变化特征研究报道较少[9]。
代谢物是基因表达的最终产物且其种类与数量
的变化与植物表型显著相关[10]。前人研究表明, 大
量可溶性小分子代谢物可作为渗透调节物质参与植
物对环境逆境如干旱、盐等的适应性反应, 以维持
细胞正常生长所需渗透势。如脯氨酸参与了多种逆
境抗性反应[11], 而抗坏血酸则参与清除活性氧自由
基等过程[12]。由于检测方法的限制, 代谢物参与植
物逆境胁迫反应的作用机制一直没有明确。随着近
年来气质谱联用(GC-MS)技术及相应数据库的逐步发
展完善, 代谢组学成为继转录组、蛋白组学后又一热
点领域[13-15]。代谢组学是对某一生物或细胞在特定生
理时期内所有低分子量代谢物同时进行定性、定量分
析的一门学科。目前代谢组学多采用代谢物谱图分
析方法研究, 同时对较多预设靶标进行高通量快速
检测[14]。利用 GC-MS 高通量分析影响植物生长发
育及抗逆等目标性状的重要代谢物及代谢途径已在
拟南芥、马铃薯、番茄及水稻等作物上广泛应用并取
得较大进展[16-20]。研究表明旱、盐、极端温度等环境
条件下, 植物体内氨基酸含量显著上升[9,21-23]; 而蔗
糖、绵子糖、乳糖、海藻糖等多种糖类也受逆境诱
导含量显著增加, 且蔗糖被认为是类同水杨酸的参与
胁迫信号传导的新的信号分子[9,24-25]; 进一步研究发
现抗逆材料中参与 TCA 循环的有机酸含量具胁迫初
期上升、后期降低等代谢物变化特征[26]。
利用代谢组学技术有助于高通量发掘与植物逆
境胁迫反应紧密相关的代谢物, 在此基础上整合基
因表达结果, 全方位解析植物抗逆分子机制[20]。本
研究分析了低温处理不同时间水稻叶片代谢物谱图
的动态变化特征。研究结果将有助于从代谢水平剖
析水稻低温胁迫反应, 系统分析水稻耐低温的分子生
理机制, 为培育耐低温水稻新品种提供理论指导。
1 材料与方法
1.1 水稻种植及低温处理
试验材料为籼稻品种 IR64, 由菲律宾国际水稻
研究所提供。种子经消毒处理后, 在 28℃浸种催芽
3 d, 播种在育秧盘中, 在正常生长环境中培养。水
稻幼苗进入三叶一心期后, 转至 4℃培养箱中低温
处理 2 d, 随后转移到正常生长条件下恢复 1 d。对
照始终在正常生长条件下培养。低温及正常处理分
别设 3个重复。
1.2 水稻幼苗代谢物检测
低温处理 2 h、5 h、1 d、2 d及处理后恢复 1 d,
分别取处理及对照环境生长水稻幼苗最上部全展功
能叶, 于液氮中速冻 30 min, 然后转入–70℃冰箱用
于代谢物检测。代谢物提取及检测方法参考
Roessner 等[16], 略有修改。叶片样品在液氮中快速
研磨成粉末后, 加入提取液 MeOH/CHCl3, 内标为
核糖醇, 在适宜温度中提取。提取物衍生后, 利用
GC-MS 系统(Shimadzu, Japan)分析检测化合物种类
及含量。GC-MS系统配置有 AOC 5000自动进样器,
GC 2010气相色谱及 Voyager单四级杆质谱仪。GC
系统所配置分离柱为 VF-5MS (长 30 m, 膜厚 0.25
μm)。在分析样品中加入 C12、C15、C19、C22、C28、
C32 和 C36 烷烃作为离子峰保留时间(retention time
index, RI)参照。
定性分析代谢物采用实验室自建谱库及公共数
据库相结合的方式。公共质谱库有 NIST (http://
www.nist.gov/)及德国马普植物生理所质谱库(http://
csbdb.mpimp-golm.mpg.de/csbdb/gmd/msri/gmd_msri.
html); 同时, 本课题组构建了包括 70种常见化合物
在内的标准谱库用于验证各种公共谱库化合物的准
确性。共检测到包括氨基酸、糖、有机酸、酯类及
甾醇类等在内的 108 种化合物。以对照及各种处理
下样品等量混合提取物为标样, 定量各样品中代谢
物相对含量。
1.3 水稻幼苗生理指标检测
根据文献, 水稻对过氧化胁迫的调控响应主要
发生在低温处理后的 6~12 h [27], 因此, 本研究利用
低温处理 5 h。以水稻幼苗最上部全展叶分析相关生
理指标的变化。参考《现代植物生理学实验指南》[28],
采用电导仪法测定细胞质膜透性; 参照 NBT光照化
学还原法、愈创木酚氧化法和过氧化氢氧化法分别
测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)及过
氧化氢酶(CAT)活性 ; 采用硫代巴比妥酸提取法测
定丙二醛(MDA)含量。
1.4 数据分析
主成分分析(principal component analysis, PCA)
是常用分析高通量数据方法之一。对水稻叶片中检
722 作 物 学 报 第 39卷
测到的代谢物含量进行 log X (X为代谢物含量)转换
后利用 SPSS软件包进行 PCA分析, 有效降维数据;
采用 Cluster2 软件对低温与对照环境下的含量比值
数据进行自组织映射分析(self organize map, SOM),
用于高效分组逆境下变化规律类似的代谢物; 利用
SAS软件(SAS6.12)对水稻在相同生长环境不同取样
时期的代谢物含量进行差异显著性分析。
2 结果与分析
2.1 低温胁迫处理下水稻生理性状的变化
与同期对照相比, 低温(4℃)处理 5 h后, IR64叶
片细胞质膜相对透性增加 18%, MDA含量提高 22%
(图 1)。表明低温处理 5 h时植物细胞质膜已受到损
伤; 然而, 对同一时期叶片内活性氧清除系统相关
酶活性检测发现, SOD、CAT及 POD活性均未发生
显著变化(表 1)。
图 1 低温胁迫 5 h和对照环境下水稻叶片细胞膜损伤度
及丙二醛含量
Fig. 1 Cell membrane injury and MDA content in rice leaves
under 5 h low temperature stress and control conditions
2.2 低温胁迫处理下代谢物变化
2.2.1 主成分及载荷图分析结果 利用公共代谢
谱库及课题组自建谱库 , 共检测到 108种代谢物,
包括 16种氨基酸、37种糖及衍生物、33种有机酸、
9种酯类、4种胺类及 6种甾醇及其他物质。
主成分分析(PCA)结果显示(图 2-A), 除低温处
理 5 h 样品外, 每个样品的 3 次重复基本聚在一起,
表明试验重复性较好。主成分 1 (PC1)将低温与对照
条件下样品显著分开, 对照条件下所有样品均分布
在低温处理样品的右侧; 主成分 2 (PC2)则将低温处
理恢复 1 d及对照 2 h、5 h的样品显著区分于其他
样品。载荷图分析显示(图 2-B, C), PC1与抗坏血酸
(ascorbate)、脯氨酸(proline)、异亮氨酸(isoleucine)、
苏氨酸(threonine)、苯丙氨酸(phenylalanine)、酪氨
酸(tyrosine)、甘氨酸(glysine)、缬氨酸(valine)及色氨
酸(tryptophan)等高度负相关, 而与 6-磷酸-山梨糖醇
(6-p-sorbitol)、葡萄糖酸 -1,4-内酯 (gluconicate-1,4-
lactone)、奎尼酸(quincate)、二十酸(eicosanoicate)、
3-磷酸-甘油(3-p-glycerol)及莽草酸(shkimate)等高度
正相关, 表明低温诱导抗坏血酸及大量氨基酸显著
积累, 而正常条件下有机酸含量较高, 生长较为旺盛;
PC2 与琥珀酸(succinate)、6-磷酸-葡萄糖酸(6-p-glu-
conic acid)、甘氨酸(glycine)、核糖(ribose)、水杨酸
(salicylic acid)、岩藻糖 (fucose)及乙醇胺 (ethano-
lamine)等显著正相关, 表明水稻经历低温胁迫后恢
复过程中该 7种代谢物显著积累。
2.2.2 不同生长时期代谢物含量的变化 ANOVA
分析表明, 108种目标代谢物中, 在对照条件下仅有
7 种(5-羟基色胺、磷酸、异柠檬酸、山梨糖、环己
六醇、苯甲基吡喃葡萄糖苷、鼠李糖)在不同取样时
段含量稳定; 而低温处理不同时间段有 27种代谢物
相对稳定, 包括 10种有机酸(脱氧阿糖基己糖二酸、
苯甲酸、芥子酸、磷酸、柠檬酸、苹果酸、葡萄糖
酸、十八酸、水杨酸、4-氨基丁酸)、7 种糖及衍生
物(2-磷酸肌醇、半乳糖醇、赤藓醇、甘露糖醇、果
糖、麦芽糖、绵籽糖)、4种氨基酸(甘氨酸、赖氨酸、
色氨酸、缬氨酸)及其他 6种酯类及甾醇类物质(菜油
甾醇、豆甾醇、谷甾醇、葡萄糖酸-1,4-内酯、苏糖
酸内酯、单硬脂酰甘油酯)。这些结果显示水稻叶片
代谢物含量受生长时期影响显著, 而且与对照相比,
在低温处理下有较多代谢物含量表现稳定。
2.2.2 低温处理不同时间代谢物反应差异 利用
表 1 IR64幼苗在低温胁迫 5 h叶片内活性氧清除系统相关酶活性
Table 1 Activities of the reactive oxygen scavenging system in IR64 leaves under control and low temperature conditions
酶 Enzyme 对照 Control 低温 Low temperature
超氧化物歧化酶 SOD (µg1 FW) 1) 837.6 a 916.7 a
过氧化氢酶 CAT (ΔA240 min1 g1 FW) 3.43 a 3.06 a
过氧化物酶 POD (ΔA470 min1 g1 FW) 98.9 a 97.3 a
1) 表示同一种酶在低温处理和对照下差异显著性, 字母相同表示 0.05水平上差异不显著。
1) Indicated the significant difference at 0.05 probability level of the enzyme activities between treatments of low temperature and con-
trol conditions. Values followed by the same letters are not significantly different at 0.05 probability level.
第 4期 赵秀琴等: 水稻低温胁迫不同时间的代谢物谱图分析 723
图 2 对照及低温胁迫不同时间水稻叶片中代谢物的主成分(A)和载荷图分析(B, C)
Fig. 2 Scores (A) and loading of principal component 1 (B) and principal component 2 (C) of the principal component analysis (PCA)
of leaf metabolite profiles of rice grown in control and low temperature conditions
低温胁迫时间分别为 2 h、5 h、1 d、2 d及处理后恢复 1 d。图中的每个数据点表示一个样品的代谢物谱，主成分 1和主成分 2解释
了 41.1%的变异。M1: 3-磷酸甘油; M2: 6-磷酸-山梨糖醇; M3: 葡萄糖酸-1,4-内酯; M4: 二十酸; M5: 奎尼酸; M6: 莽草酸; M7: 苯丙氨
酸; M8: 脯氨酸; M9: 抗坏血酸; M10: 酪氨酸; M11: 甘氨酸; M12: 色氨酸; M13: 苏氨酸; M14: 缬氨酸; M15: 异亮氨酸; M16: 6-磷
酸-葡萄糖酸; M17: 甘氨酸; M18: 核糖; M19: 琥珀酸; M20: 水杨酸; M21: 岩藻糖; M22: 乙醇胺; M23: 腐胺 M24: 1,4-戊糖酸-内酯。
Time periods are 2 h, 5 h, 1 d, 2 d of low temperature treatment and 1 d after recovery as indicated within the graph (A). Each data point
represents the metabolite profile of a single sample. Principal components 1 and 2 account for 41.1% of the variance in the data.
M1: 3-p-glycerol; M2: 6-p-sorbitol; M3: gluconicate-1;4-lactone; M4: eicosanoicate; M5: quincate; M6: shkimate; M7: phenylalanine; M8:
proline; M9: ascorbate; M10: tyrosine; M11: glysine; M12: tryptophan; M13: threonine; M14: valine; M15: isoleucine; M16: 6-p-gluconic
acid; M17: glycine; M18: ribose; M19: succinate; M20: salicylic acid; M21: fucose; M22: ethanolamine; M23: putrescine and M24: pentoni-
cate 1;4-lactone.
SOM 对代谢物聚类分析的结果显示, 108 种目标代
谢物可被分为 6组(I~VI组), I 组代谢物基本只在低
温处理 2 h时显著增高; II~IV组除个别时间点外, 在
低温处理及处理后恢复 1 d时大多显著增高; V组在
低温胁迫不同时间点有增有减, 变化规律不尽相同;
VI组则在低温胁迫处理期间均显著降低(图 3)。
I 组代谢物变异峰值出现在 2 h, 主要包括草酸
(Oxalic acid)及戊糖酸-1,4-内酯(Pentonic acid-1,4-lac-
tone), 其在低温胁迫 2 h 的含量分别比对照增加了
5.60 倍及 2.98 倍; II 组代谢物变异峰值出现在 5 h,
共包含 7种氨基酸(苯丙氨酸 phenylalanine、脯氨酸
proline、谷氨酸 glutamicate、丝氨酸 serine、苏氨酸
threonine、天门冬氨酸 aspartic acid、缬氨酸 valine)
及木糖醇(xylitol)、尿囊素(allantoin)和鼠李糖(rham-
nose), 增幅在 2.40~8.31倍之间; III组代谢物变异峰
值出现在 1 d, 包括 2种糖(赤藓醇 erythritol、肌醇半
乳糖苷 galactinol)、抗坏血酸(ascorbicate)和绿原酸
(chlorogenicate)等, 增幅在 2.00~6.42 倍之间; IV 和
V两组代谢物变异高峰则出现在低温恢复 1 d时, 其
中 IV组代谢物在低温处理下比对照均显著增高, 而
V 组代谢物则有升有降, 如多数酯类及甾醇类代谢
物含量在胁迫早、中期降低, 后期升高, 而部分糖类
则在早、中期含量增加, 后期降低。IV 组包含 8 种
氨基酸(丙氨酸 alanine、精氨酸 arginine、酪氨酸
tyrosine、亮氨酸 leucine、色氨酸 tryptophan、赖氨
酸 lysine、半胱氨酸 cystein和异亮氨酸 isoleucine), 4
种糖及衍生物(甘露糖醇 mannitol、岩藻糖 fucose、
吡喃葡萄糖酸 glucopyranuronic acid、核糖 ribose), 2
种嘧啶(胞嘧啶 cytosine、尿嘧啶 uracil)等在内的 14
种代谢物, 增幅在 1.88~9.06 倍之间; V 组包含的代
谢物较多, 包括 21 种糖及衍生物 (如海藻糖 treha-
lose、葡萄糖 glucose、麦芽糖 maltose等); 10种有机
酸(水杨酸 salicylic acid、延胡索酸 fumaricate、琥珀
酸 succinicate 等), 4 种甾醇及 6 个酯类等在内的 45
种代谢物, 变幅在 0.57~3.31倍之间; VI组除个别代
谢物在极少数时段略有增高外, 基本在整个生长时
期均比对照显著降低, 主要包括 11 种糖及衍生物
(蔗糖 sucrose、果糖 fructose、绵子糖 raffinose、乳
724 作 物 学 报 第 39卷
图 3 低温胁迫不同时间水稻代谢物差异变化的自组织映射图
Fig. 3 Self-organizing map (SOM) analysis of metabolite data of differential responses with respect to the time series
数据分析方法见“材料与方法”。代谢物分为 I、II、III、IV、V和 VI 6组，变化规律类似的代谢物聚在同一组。
Data were analysed as described in the materials and methods. Metabolites with similar change pattern are clustered in the same group. Six
groups selected with different level patterns for SOM analysis were clustered as designated I, II, III, IV, V, and VI, respectively.
糖 lactose等), 14种有机酸, 包括 TCA代谢中间产物
(苹果酸 malicate、柠檬酸 citricate、异柠檬酸 isocitricate
等)及其他有机酸(4-氨基丁酸 GABA、奎尼酸 quinicate
等), 维生素 E、3-磷酸-甘油(3-p-Glycerol)、5-羟基-
色胺(tryptamine-5-hydroxy)、葡萄糖酸-1,4-内酯(glu-
conic acid-1,4-lactone)等在内的 29种代谢物。
3 讨论
迄今为止, 国际上已有大量采用代谢组学技术
解析植物相关表型机制的研究报道 [17-20,29], 而在国
内目前植物抗逆代谢组学研究的报道相对欠缺。本
研究较为系统地分析了低温处理不同时间水稻代谢
物谱图的动态变化, 以期了解水稻代谢物应对低温
胁迫的反应特征, 为进一步解析水稻耐冷分子生理
机制打下基础。
研究结果显示, 在对照环境下仅有 7 种代谢物
含量在不同时间段表现稳定, 而大部分代谢物受生
长时期影响显著, 结果与已有报道一致[30]。因此在
分析胁迫不同时期的代谢物变化时, 每个时间点均
需有相应对照环境下的代谢物为参照, 以减少由于
生长时期不同造成的“假阳性”关联代谢物。另外, 低
温胁迫导致不同时间段代谢物的变化趋势与对照环
境下不尽相同, PCA 结果也显示低温确实诱导植株
体内代谢物发生显著变化(图 2), 表明代谢物变化与
环境的互作有关。
在胁迫早期变异较大的代谢物与植物感应环境
变化应激反应相关。本研究结果中 I~II 组代谢物可
能在水稻的耐低温胁迫反应中有重要作用。草酸及
戊糖酸-1,4-内酯(I组)在低温胁迫 2 h时变异幅度显
著高于其他代谢物(图 3)。而草酸是参与乙醛酸及二
第 4期 赵秀琴等: 水稻低温胁迫不同时间的代谢物谱图分析 725
羧酸代谢的重要中间物质, 其代谢途径与 TCA循环
紧密关联; 戊糖酸-1,4-内酯则是磷酸戊糖途径的中
间产物, 磷酸戊糖途径是葡萄糖降解代谢的重要途
径之一, 其循环过程中, 磷酸己糖先氧化脱羧形成
磷酸戊糖及 NADPH, 磷酸戊糖又可转变为多种磷
酸糖酯, NADPH则参与脂质等的合成。草酸及戊糖
酸-1,4-内酯的反应高峰时间/幅度显著早/高于重要
信号物质水杨酸、抗坏血酸, 推断其在水稻耐低温
反应中可能有较重要的作用。目前尚未见有关草酸
及戊糖酸-1,4-内酯与耐低温关系的报道, 其作用有
待于进一步验证。在低温胁迫 5 h, II组代谢物(苯丙
氨酸、脯氨酸、谷氨酸、丝氨酸、苏氨酸、天门冬
氨酸、缬氨酸、木糖醇、尿囊素和鼠李糖)含量显著
提高, 且其增幅最大值出现时间同信号物质水杨酸,
均早于被广泛认知的与抗性显著相关的抗坏血酸[31]
(图 3), 表明 II组代谢物在水稻耐低温胁迫反应中起
着重要作用。前人研究发现在逆境(旱、盐、温度)
胁迫后植物体内氨基酸含量显著增加, 从而提高细胞
渗透势, 减缓逆境对植物生长的抑制作用[9,19-23,26]。本
研究发现水稻在低温胁迫下糖醇、尿囊素和鼠李糖
明显增加, 显示其参与了水稻植株耐冷胁迫的早期
反应。此外, 海藻糖与信号分子水杨酸[9,32-33]在低温
胁迫处理变化趋势一致, 均表现为抛物线型即胁迫
早期浓度升高后期降低, 暗示海藻糖可能协同水杨
酸参与水稻低温胁迫的早期信号传导反应。已有研
究表明, 海藻糖能够有效维持脱水条件相关酶、蛋
白及脂膜的稳定性, 海藻糖含量增加, 有助于提高
植物的抗逆性[34]。
有机酸(尤其是参与 TCA 循环的有机酸)含量的
高低直接反映植物的生长及代谢活性。本研究结果
显示 TCA循环的中间产物, 如苹果酸、柠檬酸、异
柠檬酸、琥珀酸、延胡索酸等有机酸(V组和 VI组)
在低温胁迫下的含量均明显低于对照, 表明低温处
理抑制了水稻植株呼吸强度, 降低了代谢活性, 减
缓其生长发育。不同糖分子在低温处理不同时间段
含量变化则各不相同。除海藻糖含量在胁迫早期升
高, 后期降低外, 半乳糖基本在整个生长期均比对
照显著增加, 半乳糖是抗坏血酸合成的重要前体物
质, 与植物抗逆性正相关性[35]。另外, 低温处理至 5
h及 1 d时, 阿拉伯糖、山梨醇、半乳糖醇、戊糖醇、
纤维二糖、密二糖、葡萄糖、6-磷酸-葡萄糖、呋喃
果糖及二半乳糖甘油等代谢物含量也显著增加。胁
迫环境下糖含量增加有助于维持逆境下细胞内渗透
平衡, 从而有利于植物抵抗逆境; 同时在冷胁迫结
束后, 为植物恢复正常生长提供所需的能量[26]。分
布在 VI 组的糖类(如蔗糖、乳糖、绵子糖、果糖和
6-磷酸-果糖等)则从冷胁迫开始至胁迫后恢复期间,
其含量均比对照明显降低; 然而已有报道表明, 蔗
糖、绵子糖等在拟南芥遭遇逆境胁迫时含量增加[7,9],
表明耐冷性不同的植物对环境低温胁迫有不同的适
应性生理机制。
对低温胁迫及其胁迫后恢复水稻幼苗代谢物的
动态分析, 有助于将参与低温胁迫及胁迫后恢复 2
个生理过程的主要代谢物有效区分开来。在整个低
温胁迫处理过程中, 水稻叶片中氨基酸含量相对于
对照普遍升高(图 3), 但是除 II 组氨基酸外, 其余氨
基酸变异最高峰均在恢复时期(IV 组), 即丙氨酸、
精氨酸、酪氨酸、亮氨酸、色氨酸、赖氨酸、半胱
氨酸和异亮氨酸等氨基酸主要参与了水稻植株胁迫
后恢复反应。
4 结论
水稻幼苗在低温胁迫处理过程中, 有机酸含量
降低导致其生长受阻; 参与低温胁迫反应及胁迫后
恢复过程的主要代谢物不同。如草酸、戊糖酸-1,4-
内酯、海藻糖及水杨酸等代谢物较早参与低温胁迫
反应; 水稻植株主要通过苯丙氨酸、脯氨酸、谷氨
酸、丝氨酸、苏氨酸、天门冬氨酸、缬氨酸、木糖
醇、尿囊素和鼠李糖含量提高以维持低温胁迫下水
稻细胞渗透平衡, 此外包括半乳糖在内的部分糖类
参与低温胁迫反应; 而丙氨酸、精氨酸、酪氨酸、
亮氨酸、色氨酸、赖氨酸、半胱氨酸和异亮氨酸等
氨基酸主要参与了水稻植株胁迫后恢复反应。研究
结果为进一步解析水稻耐低温胁迫反应的分子生理
机制打下了基础。
References
[1] Boyer J S. Plant productivity and environment. Science, 1982,
218: 443–448
[2] Suzuki N, Mittler R. Reactive oxygen species and temperature
stresses: a delicate balance between signaling and destruction.
Physiol Plant, 2006, 126: 45–51
[3] Chinnusamy V, Zhu J, Zhu J K. Cold stress regulation of gene
expression in plants. Trends Plant Sci, 2007, 12: 444–451
[4] Seki M, Narusaka M, Abe H, Kasuga M, Yamaguchi-Shinozaki
K, Carninci P, Hayashizaki Y, Shinozaki K. Monitoring the ex-
pression pattern of 1300 Arabidopsis genes under drought and
cold stresses by using a full-length cDNA microarray. Plant Cell,
2001, 13: 61–72
[5] Fowler S, Thomashow M F. Arabidopsis transcriptome profiling
indicates that multiple regulatory pathways are activated during
726 作 物 学 报 第 39卷
cold acclimation in addition to the CBF cold response pathway.
Plant Cell, 2002, 14: 1675–1690
[6] Kreps J A, Wu Y, Chang H S, Zhu T, Wang X, Harper J F. Tran-
scriptome changes for Arabidopsis in response to salt, osmotic
and cold stress. Plant Physiol, 2002, 130: 2129–2141
[7] Cook D, Fowler S, Fiehn O, Thomashow M F. A prominent role
for the CBF cold response pathway in configuring the low-tem-
perature metabolome of Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci USA,
2004, 101: 15243–15248
[8] Sakuma Y, Liu Q, Dubouzet J G, Abe H, Shinozaki K, Yamagu-
chi-Shinozaki K. DNA-binding specificity of the ERF/AP2 do-
main of Arabidopsis DREBs, transcription factors involved in
dehydration- and cold-inducible gene expression. Biochem Bio-
phys Res Commun, 2002, 290: 998–1009
[9] Kaplan F, Kopka J, Haskell D W, Zhao W, Schiller K C, Gatzke
N, Sung D Y, Guy C L. Exploring the temperature-stress me-
tabolome of Arabidopsis. Plant Physiol, 2004, 136: 4159–4168
[10] Fiehn O. Metabolomics—the link between genotypes and pheno-
types. Plant Mol Biol, 2002, 48: 155–171
[11] Yoshiba Y, Kiyosue T, Nakashima K, Kazuko Y S, Shinozakj K.
Regulation of levels of proline as an osmolyte in plants under
water stress. Plant Cell Physiol, 1997, 38: 1095–1102
[12] Smirnoff N. The function and metabolism of ascorbic acid in
plants. Ann Bot, 1996, 78: 661–669
[13] Qiu D-Y(邱德有), Huang L-Q(黄璐琦). Metabolomics—an im-
portant part of functional genomics. Mol Plant Breed (分子植物
育种), 2004, 2(2): 165–177 (in Chinese with English abstract)
[14] Hall R D. Plant metabolomics: from holistic hope, to hype, to hot
topic. New Phytol, 2006, 169: 453–468
[15] Lu H-M(卢红梅), Liang Y-Z(梁逸曾). The development of ana-
lytical technologies and data mining in metabolomics. J Instrum
Anal (分析测试学报), 2008, 27: 325–331 (in Chinese with Eng-
lish abstract)
[16] Roessner U, Wagner C, Kopka J, Trethewey R, Willmitzer L.
Technical advance: simultaneous analysis of metabolites in po-
tato tuber by gas chromatography-mass spectrometry. Plant J,
2000, 23: 131–142
[17] Tarpley L, Duran A L, Kebrom T H, Sumner L W. Biomarker
metabolites capturing the metabolite variance present in a rice
plant developmental period. BMC Plant Biol, 2005, 5: 8
[18] Schauer N, Semel Y, Roessner U, Gur A, Balbo I, Carrari F,
Pleban T, Bruedigam C, Kopka J, Willmitzer L, Zamir D, Fernie
A R. Comprehensive metabolic profiling and phenotyping of in-
terspecific introgression lines for tomato improvement. Nat Bio-
technol, 2006, 24: 447–454
[19] Meyer R C, Steinfath M, Lisec J, Becher M, Hanna W W, Fiehn
O, Eckardt A, Willmitzer L, Selbig J, Altmann T. The metabolic
signature related to high plant growth rate in Arabidopsis thaliana.
Proc Natl Acad Sci USA, 2007, 104: 4759–4764
[20] Hirai M Y, Mitsuru Y, Dayan B G, Shigehiko K, Kimura T,
Awazuhara M, Masanori A. Integration of transcriptomics and
metabolomics for understanding of global responses to nutritional
stresses in Arabidopsis thaliana. Proc Natl Acad Sci USA, 2004,
101: 10205–10210
[21] Nikiforova V J, Bielecka M, Gakie` re B, Krueger S, Rinder J,
Kempa S, Morcuende R, Scheible W R, Hesse H, Hoefgen R.
Effect of sulfur availability on the integrity of amino acid bio-
synthesis in plants. Amino Acids, 2006, 30, 173–183
[22] Zuther E, Koehl K, Kopka J. Comparative metabolome analysis
of the salt response in breeding cultivars of rice. In: Jenks M A,
Hasegawa P M, Jain S M, eds. Advances in Molecular Breeding
toward Drought and Salt Tolerance Crops. New York: Springer-
Verlag, 2007. pp 285–315
[23] Armengaud P, Sulpice R, Miller A J, Stitt M, Amtmann A, Gibon
Y. Multilevel analysis of primary metabolism provides new in-
sights into the role of potassium nutrition for glycolysis and ni-
trogen assimilation in Arabidopsis roots. Plant Physiol, 2009, 150:
772–785
[24] Gupta A K, Kaur N. Sugar signalling and gene expression in re-
lation to carbohydrate metabolism under abiotic stresses in plants.
J Biosci, 2005, 30: 761–776
[25] Wingler A, Roitsch T. Metabolic regulation of leaf senescence:
interactions of sugar signalling with biotic and abiotic stress re-
sponses. Plant Biol, 2008, 10: 50–62
[26] Widodo, Patterson J H, Newbigin E, Tester M, Bacic A, Roessner
U. Metabolic responses to salt stress of barley (Hordeum vulgare
L.) cultivars, Sahara and Clipper, which differ in salinity toler-
ance. J Exp Bot, 2009, 60: 4089–4103
[27] Yun K Y, Park M R, Mohanty B, Herath V, Xu F, Mauleon R,
Wijaya E, Bajic V B, Bruskiewich R, de Los Reyes B G. Tran-
scriptional regulatory network triggered by oxidative signals con-
figures the early response mechanisms of japonica rice to chilling
stress. BMC Plant Biol, 2010, 10: 16
[28] Institute of Plant Physiology, Chinese Academy of Sciences (中
国科学院上海植物生理研究所) ed. Modern Laboratory Manual
of Plant Physiology (现代植物生理学实验指南). Beijing: Sci-
ence Press, 1998 (in Chinese)
[29] Roessner U, Luedemann A, Brust D, Fiehn O, Linke T,
Willmitzer L, Ferniea A R. Metabolic profiling allows compre-
hensive phenotyping of genetically or environmentally modified
plant systems. Plant Cell, 2001, 13: 11–29
[30] Bowne J B, Erwin T A, Juttner J, Schnurbusch T, Langridge P,
Bacic A. Roessner U. Drought responses of leaf tissues from
wheat cultivars of differing drought tolerance at the metabolite
level. Mol Plant, 2012, 5: 418–429
[31] Valpuesta V, Botella M A. Biosynthesis of L-ascorbic acid in
plants: new pathways for an old antioxidant. Trends Plant Sci,
2004, 9: 573–577
[32] Metraux J P, Signer H, Ryals J, Ward E, Wyss-Benz M, Gaudin J,
Raschdorf K, Schmid E, Blum W, Inverardi B. Increase in sali-
cylic acid at the onset of systemic acquired resistance in cucum-
ber. Science, 1990, 250: 1004–1006
[33] Schmelz E A, Engelberth J, Alborn H T, O’Donnell P, Sammons
M, Toshima H, Tumlinson J H III. Simultaneous analysis of
phytohormones, phytotoxins, and volatile organic compounds in
plants. Proc Natl Acad Sci USA, 2003, 100: 10552–10557
[34] Garg K, Kim J K, Owens T G, Ranwala A P, Choi Y D, Kochian
L V, Wu J. Trehalose accumulation in rice plants confers high
tolerance levels to different abiotic stresses. Proc Natl Acad Sci
USA, 2002, 99: 15898–15903
[35] Morsy M R, Jouve L, Hausman J F, Hoffmann L, Stewart J M.
Alteration of oxidative and carbohydrate metabolism under
abiotic stress in two rice (Oryza sativa L.) genotypes contrasting
in chilling tolerance. J Plant Physiol, 2007, 164: 157–167