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Metabolomics approaches and their application in Botany

代谢物组学方法及其在植物学研究中的应用



全 文 :广 西 植 物 Guihaia 27(5):765— 769 2007年 9月
代谢物组学方法及其在植物学研究中的应用
董登峰
(广西大学 农学院,南宁 530005)
摘 要:代谢物是生物体受遗传控制和环境影响的最终表达产物 ,以全体代谢物(代谢物组)为研究对象的代
谢物组学是继基因组学和蛋白质组学后必然出现的又一门“组学”技术 。该文综述了代谢物组 的检测、数据的
处理和分析等以及这些技术在植物目标分析、基因功能、代谢途径和代谢工程、整合植物学、信号转导等研究
中的应用和前景。
关键词:代谢物组学 ;方法;植物学;应用
中图分类号 :Q945.1 文献标识码 :A 文章编号 :1000—3142(2007)05—0765-05
M etabolomics approaches and their
application ‘ BotanylC in
DONG Deng—Feng
(College of Agriculture,Guangxi University,Nanning 530005,China)
Abstract:Metabolites are the end products of biological systems response to genetic control and/or environmental
changes.Metabolomics,which study of total metabolites(metabolome),is an inevitable‘omics’folowing by genomics
and proteomics.In this paper,metabolomics approaches including metabolites qualitative and quantitative determina—
tion,data acquisition and mining as wel as their application in Botany such as target analysis,gene function determina—
tion,metabolite pathways and metabolic engineering,integrity Botany,signal transduction etc were reviewed.
Key words:metabolomics;approaches;Botany;application
遗传信息由基因经转录物向功能蛋白质传递,
基因功能由其表达产物来体现。上世纪 9O年代以
来,随着对微生物、植物、动物乃至人类基因组测序
工作的完成,生命科学的研究重点开始从揭示生命
的所有遗传信息转向基因组功能分析和系统工程调
控,研究方法上也从研究单一的基因及产物转移到
同时研究生命过程中多个相关基因及产物,形成了
分子系统生物学这一新兴学科,其标志是一系列“组
学”方法的先后建立和应用(Oliver等 ,2002)。
代谢物组 (metabolome)是指 生物体 内所有 小
分子代谢物的总和,是生物体的特定部分在特定环
境中,经基因组表达和新陈代谢产生的中间产物及
终产物,其水平代表了基因和环境变化的最终表现。
代谢物组学通过测定代谢物组的含量或变化,研究生
物体的系统生化谱和功能调节(Tweendale等,1998)。
根据研究对象和目的不同,Fiehn(2002)将生物
代谢分析(metabolite analysis)分为 目标分析(tar—
get analysis)、代谢谱分析(metabolic profiling)、代
谢物组分析(metabolomics analysis)和代谢指纹分
析(metabolic fingerprinting)。目标分析是对某种
特定的代谢产物(如植物激素)进行分析,其目的通
常是检测某个基因受扰动后对目标代谢产物浓度所
产生的效应,目标分析时样品尽量纯化以减少其它
代谢物的干扰。代谢谱分析是对某一完整或交叉的
代谢途径功能的描述,是对预设的一系列同类型的
代谢物(如脂类、糖类 、类异戊二烯等)进行定性和
定量研究,样品预处理时主要考虑代谢物的化学性
质和衬质效应。代谢物组分析是对某一条件下所有
代谢组分的定性和定量分析,样品预处理和检测时
应尽量满足高灵敏度、高选择性、高通量的要求,并
收稿日期;2006—02—10 修回日期:2006—08—20
基金项 目:广西教育厅基金(C160008)[-Supported by the Foundation 0f Guangxi Education D印artment(c160。O8)]
作者简介:董登峰(197卜),男 ,湖北京山人 ,博士 ,副教授,从事植物逆境分子生物学研究。
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减少衬质效应。对所检测到的海量数据需要进行解
析。代谢指纹分析是对代谢产物进行高通量的定
性,根据起源和相关性进行快速的筛选和分类(如多
个基因型间的比较和疾病诊断)。
代谢物组学研究方法
虽然代谢物组学是功能基因组学 中最年轻的成
员,但它所需要 的测定技术早 已存在 ,并相对成熟。
与其它功能基因组学科一样,代谢物组学以高通量
或大规模实验方法学和统计、计算分析相结合为特
征。研究流程包括对生物样 品中代谢物进行提取和
预处理 、代谢组分 的定性和定量检测 以及对海量数
据的降维解析。
1.1代谢物的提取和预处理
目前没有一种能够适合所有代谢产物的提取和
预处理方法,实际操作中应该根据不同的化合物结
合检测手段而选择不同的提取方法,并对提取条件
进行优化。通常用水和渗透性强有机溶剂(如甲醇)
液相提取,经过层析、萃取和亲和色谱等方法获得亲
水相和亲脂相,分别进行分 析(Fiehn,2002)。对于
植物激素等痕量 的代谢物也有用气 相和动态顶空
(headspace)提取(Schmelz等,2004)。
1.2代谢物组分的定性和定量检测
代谓}物组成结构要比 mRNA(仅由 4种核苷酸
组成)和蛋白质(由2O种氨基酸组成)复杂得多,元
素组成、分子大小、官能团、挥发性等都可能影响代
谓 物的分离。目前代谢物组分析技术中最常用有核
磁共振(NMR)、气相色谱和质谱联用(GC/MS)、液
相色谱和质谱联用(LC/MS),毛细管 电泳 和质谱联
用(CE/MS)等,单一的检测方法能检测的代谢物种
类有限,实际操作中往往采用多种分离方法并行检
测以获得尽可能多的代谢产物信息。
1.2.1核磁共振 早在 2O世纪 6O年代,NMR就已
经应用到代谢研究中,但当时质子工作频率低,能分
析的代谢物较少,随着质子工作频率和测量灵敏度的
提高以及模式识别技术的发展,可检测小分子物质种
类增多,近年来发展的魔角旋转技术(magic angle
spinning,MAS)和二维核磁共振(2【)_N )使分辨率
大幅度提高,成为代谢物组学研究的核心技术。
基于NMR代谓 物组研究分析方法的基本步骤:
首先测定一系列 NMR谱图,不用对谱峰指认,把它
看作是一个n维对象,直接将谱图分解成25O~1 000
个区域进行积分,得到积分强度;然后将这些简化的
数据输入程序,利用主成分分析(PCA)方法得到主成
分图。处于相似生理状态的样本通常具有相似的组
分 ,在主成分图中处于相邻的位置,通过生物信息学
分析可得到不同状态下的生物标志物。
生命科学领域中常用的是氢谱( H—NMR)、碳
谱( C—NMR)及磷谱( P—NMR)三种。 H—NMR
对含氢化合物均有响应 , H—NMR谱中包含几百个
甚至上千个化合物的信息,其中的化学位移、峰面
积、偶合常数、驰豫时间均是解析化合物结构的依
据,利用特定的软件可以很容易地把所有可溶性样
品中所存在的最大的障碍信号去除而不影响分析结
果,能满足了代谢物组学中的对尽可能多的化合物
进行检测 的 目标 ,此 外,NMR对 生物材料没有 损
伤,经 NMR检测后的样品仍可以用于其它分析(王
全军等,2004),但其灵敏度比 MS差,分辨能力有
限,灵敏度不高,对于浓度相差很大的成分也无法同
时分析,在复杂的系统分析中尚有难度,不适合于痕
量化合物的鉴定(Sumner等,2003)。
1.2.2色谱质谱联用 色谱(Chromatography)是 目
前代谓}物组研究中最常用的分离样品的技术,根据
流动相不同分为气相色谱(Gas Chromatography,
GC)和液相色谱 (Liquid Chromatography,LC)。样
品被流动相(液相或气相)带人含有固定相的色谱
柱,由于各组分物质的沸点、极性及吸附等性质不
同,每组分都倾向在流动相和固定相之间形成分配
或吸附平衡 ,随着流动相的带动 ,样品组分在运动中
进行反复多次分配或吸附/解吸,结果在流动相中分
配浓度大的组分先流出色谱柱,而在固定相中分配
浓度大的组分后流出。质谱仪对色谱分离的每一个
峰进行扫描,获得每个峰的质谱图,而每个峰所代表
的化合物的分子结构通过其碎片峰的类型和质/荷
比(m/z值)结合有关质谱数据库来进行鉴定,其含
量可以通过峰面积 的大小来定量。
GC所能直接分离 的样 品应是可挥发、且是热
稳定性的,沸点一般不超过 500℃,目前已知的化合
物中,有 2O 到 25 可用 GC直接分析(刘虎威,
2004)。在代谢物组研究中,经常将样品衍生化(如
烷基化)以降低组分的沸点,增加 GC可检测的组分
的种类。GC的操作参数优化相对要简单,载气的
成本也较低 。
HPLC采用液态的流动相,对那些不稳定、不易
衍生化、不易挥发或分子量较大的化合物有较好的
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分离效果,样品也不需要衍生化,结构解析方便。但
LC与 MS的联用受流动相的限制(刘虎威 ,2004)。
对植物代谢物组这一非常复杂的混合物仅仅用
一 根色谱柱往往达不到完全分离的目的,多维色谱
分离技术是代谢物组研究发展的方向,选择不同分
离特性的多根色谱柱,将第 一根色谱柱分离后 的组
分转移到第二根柱上进行更精细的分离,甚至还可
将第二根柱上分离 的组分再转移到第三或更多柱上
分离 。可以是 GC与 GC,LC与 LC单一 的多维,还
可以是 LC与 GC杂和的多维。事实上色谱/质谱
联用也可看着一种多维分离技术,即第一维是质谱
的保留时间,第二维是 MS的质荷比。
1.2.3其它分离检测技术 毛细管电泳 以电势为动
力带动组分的毛细管内泳动 ,达到分离的效果 ,毛细
管内还可填充特定的介质以提高分离效果,各组分
通过 MS定性和定 量。CE/MS分离样品的速度和
效率要比 LC/MS和 GC/MS快而且好 ,往往在 1O
min内就能完成一个样品的分析过程,是代谓 物组
研究中一个非常有潜力的方法,但 CE/MS对次生
代谢物效果不如初生代谓 物(Soga等,2002)。此外
薄层层析(TLC)、红外(IR)和紫外(UV)光谱法等
也用于代谢物组的检测(Winson,1997;Tweeddale
等,1998)。
1.3数据的降维解析
由于获得的数据极 多,进行 简单 的“点对点”的
分析非常困难,数据分析方法首先是数据降维,采用
化学计量学的方法,通过数学算法对峰进行指认并
分组,整个过程的分析是非歧视性的,可以找出导致
分组差异的物质(内源性或外源性 的)作为新的生物
标记物。数据降维分析方法可分为有监督和无监督
的模式识别方法,有监督模式识别方法是在已有先验
知识和假设的条件下,建立信息组,并利用所建立的
组对未知数据进行辨识、归类和预测(Raamsdonk等,
2001)。这类 方法 包 括偏 最 小二 乘判 别 法 (partial
least squares—discriminant analysis,PLS-DA)、辨别式
功能分析(discriminant function analysis,DFA)、前馈
神经网络(feedforward neural networks)、遗传编程
(genetic programming)、非线性回归(nonlinear regres—
sion)等。无监督模式识别方法是用来探索完全未知
的数据特征的方法,对原始数据信息依据样本特性进
行归类,把具有显示特征的目标数据归在同源的类里
面,并采用相应的可视化技术直观地表达出来。这类
方法 有 主 成 分 分 析 (principal component analysis,
PCA)、聚类分析(cluster analysis,CA)、非自组织图
(self organizing maps,SOMs)和线性作图等(Non-lin—
ear mapping,NLM),目前应用最广的是主成分分析和
聚类分析(Roessner等,2001)。
主成分分析:主成分是由原始数据按一定的权
重经线性组合而成的新变量(即主成分),这些变量
具有 以下性质 :(1)每个主成分 (PC)之间是正交的
(2)第一个 PC包含 了数据集 中的绝大部分方差 ,第
二个次之,依此类推,由头几个 PC作图就能很好地
代表数据所包含的生物学变化(Summer等,2003)。
聚类 分析将对象彼此不同的属性进行辨认 ,找
出每一类事物共同的特征,根据一定的相似程度将
性质相近的归入一类 ,通过 同一类事物 中一部分较
为明确的物质推断其它物质的功能。聚类分析中,
常用的有分级聚类分析(hierarchical cluster analy—
sis,HcA)和 K一值聚类(K means clustering)。分级
聚类分析(HCA)是根据数据组的相似性对它们进
行分组。K一值聚类与分级聚类分析相似,它是通过
组的固定数字对经主成分分析转换的数据进行分类
(Taylor等,2002)。
数据降维的一般过程是:首先对数据进行无监
督的模式分析,然后选定某一类样本进行数据建模,
再对变量进行加权处理,选定建模的主成分数目,最
后利用有监督的统计方法判别未知样本。对于一些
易受环境等因素影响结果的分析需要采用滤噪技术
去除了额外的影响因素 ,广泛应用的滤噪技术是正
交信号 校正技 术 (orthogonal signal correction,
OSC),OSC滤掉 与类 别判断正交(不相关)的变量
信息,只保留与类别判断有关的变量,从而使类别判
别分析能集中在这些与类别的判别相关的变量上,
提高了判别的准确性(Gavaghan等,2002)。
2 代谢物组学在植物科学研究中的应用
代谢物组学这一方法自提出不到十年的时间已
经在植物学、毒理学、临床诊断、药物开发、营养科学
等众多研究领域都得到了广泛的应用,表现出巨大
的发展潜力。植物细胞代谓 研究基础使得代谢物组
学较早 、较多地应用于植物学研究 ,通过定性和定量
检测不同物种或不 同基 因型或不 同生态类型 的植
物,在不同生长时期或受外界环境某种刺激前后的
所有代谢物组变化,进而找出其中的代谢途径的改
变,仍是现今代谓 物组学一个重要的应用领域。
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2.1目标代谢物分析
代谢物组学检测技术具有快速 、高通量和无偏
的特点 ,方便地用于植物在环境条件改变下或者 同
一 植物不同部位或不同时期的大量的目标代谓}物种
类与含量变化。糖类、多元糖醇类、甜菜碱、脯氨酸
及其类似物等物质理化性质不同,但在功能上都与
植物的抗性有关,传统上根据其特异的理化性质分
别取样测定 ,成本高,需要的样品多,取样误差大,预
处理复杂,耗时长而且回收率不一致带来了分析上
的困难,Naidu(1998)利用 HPLC方法简单、快速、
灵敏和低成本地同时检测花生和棉花中这些渗透调
节物质的含量。Fiehn(2003)利用 GC/MS对 笋瓜
的叶柄脉管抽提物和叶 片抽提物进行 了代谢 物分
析,得到了 400多个峰,通过与质谱数据库对比,对
其中90多种目标代谢物进行了定性,比较了叶柄与
叶片间代谢物组分的差异。
2.2基因的功能确定
mRNA的含量与蛋 白质 的表达水平相关 系数
通常不高,蛋白质还存在翻译后的修饰现象 ,所以只
从 mRNA和蛋白质水平上来研究基因的功能是远
远不够的。从代谓 物组学分析所获得的信息与生物
的表现型和生理状态最接近,能更 准确揭示基 因和
表现型之间的关系,达到检测和推断基因功能的目
的。此外,转基因植物或突变体往往并没有明显的
表型变化,如拟南芥中就有 90 的突变体是沉默型
突变体,人们很难通过表现型的变化来确定有关基
因的功能,然而,转基因生物和敲除(knockout)突变
体中的某些代谢物的含量却常常发生变化,通过代
谢产物水平变化的分析 ,就可以把 它们与野生 型区
分开来。比较已知功能基因的缺失与未知基 因功能
缺失的相似性 ,也是 目前可以利用 的确定基 因功能
的一种重要手段,若敲除一个未知功能的沉默基因
可以在一个代谢途径上产生与敲除一个已知功能基
因的突变体相同的代谓}物浓度的变化,则说明这两
个基因作用于同一代谓}途径(Cornish—Bowden等,
2001)。Schnable等 (1994)比较众多影响角质层的
蜡累积的单基因突变体与野生型的蜡质成分的变化
来揭示 突 变 的基 因的 代谓 功 能。Roessner等
(2001)和 Lytovchenko(2。02)先后通过研究转基因
马铃薯不同块茎和叶片的代谢产物水平变化确定基
因的功能。
2.3代谢途径和代谢工程
一 条代谢途径典型地由一系列的代谓 物组成并
由几种酶共同控制 ,这些酶是受多层次和连锁调控
的。在复杂的代谢 网络中,多条代谓}途径之问相互
交叉 ,某一代谓}产物共 同属于多条代谢途径 ,处于代
谢网络的节点上,它在不同代谓}途径的流量(flux)
分配受遗传控制和环境扰动。研究代谓}的传统方法
是通过同位素示踪或局部地检测几种预定的代谓}产
物,再结合“关键酶”的动力学特点和亚细胞定位等
来验证假想 的途径,这种方法所得到的信息量少,有
很强的主观倾向性,不能定量地调控代谓}途径中代
谓}流的大小和构建新的代谓}途径。运用代谢物组学
技术 ,同时检测和分析数百种甚至上千种代谢产物
来全局地认识和调控代谓}成为可能(Fernie等,2005;
Okasman等,2005),利用植物专一的数据库如 Ara-
Cyc(Mueler等 ,2003)和 代 谢 可 视 化 工 具 如
MAPMAN(Thimn1等,2004)使实验者容易地从头构
建所需要的代谢途径,甚至可以通过检测仅仅少数相
关的代谓}物问动态变化来确定代谓 途径和代谢网络
(Camacho等 ,2005)。Edward等(1998)利用 NMR和
GC/MS技术揭示了缺氧玉米诱导根系回补途径和糖
酵解旁路增强,Krebs途径较稳定,并研究了其胞内
pH调控的机理。Rontein等(2002)利用 NMR综合
分析番茄细胞三个不同生长阶段中心代谓}和多聚物
积累代谓}流,揭示通过中心途径的代谢流量非常恒
定,而通过多聚物合成的代谓 流可变性较大。
2.4整合植物学研究
将作为基因表达的最终产物的代谢物组信息与
作为“中间产物”的转录组和蛋白质组信息结合起来
可以克服各 自的缺陷,相互验证、相互补充,获得对
基因表达整个事件完整而清晰的认识。这在植物学
研究 中已取得较 好 的成果 (Suzuki等,2002;Hirai
等,2004),尤其在基因功能分析方面,如类戊二烯
(Lange等 ,2001)、三萜类 (Suzuki等,2002)和黄酮
类(Tohge等 ,2005)等次成物质的生物合成基因功
能的确定 ,已成为 目前植物学研究最活跃的领域之

。 目前我们正利用代谢物组学技术对拟南芥和大
豆在干旱、低温和高 CO 胁迫下代谢物组变化,以
期与早期获得的表型、比较基因组信息整合,为抗性
育种提供理论依据。
2.5信号转导
外界环境、激素等信号通过复杂的信号网络作
用调控生长、发育、繁殖以及胁迫反应。综合代谓}物
组学方法,定量测定大量 的代谢物改变可能完全阐
明复杂信号间的转导关系,解释植物代谓}的基因多
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效性,协同和/或阻遏激素问信号互作。Schmelz等
(2004)研究了丁香极毛杆菌侵染的拟南芥水杨酸、
肉桂酸 、茉莉酸、吲哚乙酸、赤霉素 、不饱和脂肪酸等
代谢物变化,阐明拟南芥抗丁香极毛杆菌的水杨酸
介导的信号转导途径。
2.6其它
根据植物代谢物尤其是次生代谢物的差异进行
化学分类已成为经典的植物分类方法,代谢物组学
高通量的检测手段和数据处理方法为分类指标的准
确筛选和确定提供了依据,大大促进这一分类方法
的发展,转基因植物及食品的生物安全性评估、植物
间的化感作用、外来优势植物人侵等生态问题的研
究也会随着代谢物组学技术的应用而发展,国外已
经有一些实验室开始从事这些方面的研究 。
3 问题和展望
从代谢物组学的提出至今不到 10年的时间,代
谢物组学研究取得了飞速的发展,已成为生命科学、
环境和医药等学科的研究热点和前沿。国外公共和
私人的研究所看到代谢物组学的潜力,将研发重点转
移到代谢物组学,有的还专门为代谢物组学成立了公
司(如 Metanomics公司和 Invivo代谢物组学公司)以
争夺这一技术的制高点(Sumner等,2003)。紧跟国
际形势,国内代谢物组学的研究也已经展开并活跃起
来,如军事医学科学院和中科院国家色谱研究分析中
心正在致力于建立代谢物组学技术平台;2003年 9月
中科院生命科学与生物技术局在上海召开了“植物、
微生物代谢物组学研究学术研讨会”,旨在及时部署
代谢物组学研究(邱德有等,2004)。
代谓 物组学的产生和发展的前提和支柱是获得
大量信息的分析技术和处理海量数据的计算技术,
但是这两大技术目前均不够成熟和完善,因而较多
的工作都集中在技术方法和理论的探索上。现在多
数检测技术最多只能分离 400多种代谓 物,所以实
际操作中都是选择性地提取结合各种分析技术或同
时采用多种检测技术并行分析,常用不同检测技术
(甚至不同仪器)所得的数据之间的转换、整合分析
及误差校验等还没有准确而通用的方法,所以代谢
物组学的发展要求完善和提高现有测定技术的通
量、灵敏度和适用性,寻求更完美的测定技术。转
换、储存和分析代谢物组海量的数据以及把它们和
转录组学、蛋白质组学、表现等数据整合在一起,还
缺乏更高效的数学分析技术以及代谢物组数据库和
转换模式。此外由于植物代谢物种类多(约20多万
种)并且定位专一,代谢途径也常常涉及到多细胞器
协作,代谢物组学技术应用到植物研究中还需要建
立更广泛而客观的植物代谢专门数据库,以及有效
的代谢模拟工具。
致谢:Ilinois大 学 Hans Bohnert教 授 和 Indu
Rupassara博士指导作者参与大豆代谢物组学研究。
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