植物代謝組學分析
植物代謝組學是對植物的某一組織或細胞在一特定生理時期內所有低分子量代謝產物同時進行定性和定量分析。它是以組群指標分析為基礎，以高通量檢測和數據處理為手段，以信息建模與系統整合為目標, 從宏觀角度研究生物機體的生化變化，從而監控或者評價基因功能。目前已知植物代謝產物達20萬種之多，相比之下，微生物僅有1500 種代謝物，動物也只有5000種代謝物。我公司UPHLC-QTOF-MS以及UHPLC-QQQ-MS平臺為解決海量植物代謝產物帶來的科學研究困難提供了巨大助力。
作為一個新興的學科,植物代謝組學是效仿基因組學和蛋白質組學的研究思路,對生物體內所有小分子代謝物進行全面的定性定量分析,并尋找代謝物與植物生理變化的相對關系,確定其生理功能的研究方式, 是系統生物學的組成部分。從分析流程上講可以分為樣品制備、樣品分析和海量數據處理等三大部分。
植物次生代謝網絡研究：代謝組學在植物次生代謝網絡研究中的角色相對直接,主要是因為研究者所關心的就是化合物本身(且通常是代謝途徑的終產物)含量變化,所以包括后續的數據關聯分析等步驟基本無需考慮輔酶因子、生長環境等因素對終產物生成的影響。
擬南芥和番茄等模式植物都已有高質量的全基因組序列信息和非常完備的各類公共資源, 包括cDNA 全長序列、各種形式的突變體和豐富的Microarray 數據信息,這些都為模式植物基因功能鑒定提供了條件。利用代謝組學和轉錄組學的整合分析在模式植物未知基因(特別是那些缺失或過量表達并不能引起可見表型變化的基因)的功能鑒定中已經有了很多成功報道。在這一過程中最重要的就是關聯分析,其原理是“共犯原則”(Guilt-by-association),也就是說參與同一生物過程中的基因(或代謝物)通常是受同一個調控系統控制的;換而言之,同一生物過程中的基因(或代謝物)的變化規律是相似的。如果你所感興趣的生物途徑中某一步基因其功能已被鑒定,通過對不同組學數據的關聯分析可以確定參與該生物途徑的其他候選基因。候選基因確定后就可以利用反向遺傳學或生化手段進行功能驗證。
植物主生代謝網絡研究：近年,植物代謝組學也開始應用于主要農作物(如水稻、玉米等)的產量、品質性狀等育種研究領域。在常規育種過程中,如何精確定量描述農業性狀一直是非常頭疼的問題,也是影響常規育種準確度的主要原因,許多科研人員也在嘗試利用代謝物(或代謝網絡)來定量表征產量、品質等農業性狀。農作物的產量、品質性狀理論上講主要還是和植物主生代謝途徑網絡(包括包括光合作用、糖酵解、三羧酸循環、呼吸途徑、氨基酸和脂肪酸代謝等)直接相關。相關研究工作已經表明(通常是對一套重組自交系或漸滲系進行群體分析)產量、品質等性狀與所含化合物之間不是簡單的一一對應的線性關系(這與次生代謝研究截然不同),而且不同的主生代謝物含量本身就屬于數量遺傳性狀———QTL。
玉米是典型的異交作物,表現極端的近交衰退和雜種優勢。玉米育種的優勢是擁有豐富的遺傳資源,但如何將大量的遺傳資源加以鑒定、改良和利用,則是一件十分困難的工作(包括人力或財力的因素)。為此,需要建立雜種優勢模型,把育種材料作適當的分群,找出材料之間的規律性關系,這樣就可以從總體上提高育種工作的效率。
代謝流組學研究：在研究代謝問題的過程中,基因到代謝物以及代謝物到代謝物的調控都是由調控代謝流的方向和速度來實現的。在這里必須提到代謝流學,代謝流組學是指研究特定的生物中所有代謝網絡中化合物流向規律的科學。代謝流并不是一個新的概念,早年被應用于大腸桿菌等體系研究提高代謝工程效率。它是用計量矩陣模型表示擬穩態下胞內反應的一種定量分析方法。
另外一種代謝流分析是通過跟蹤穩定同位素在代謝網絡中的轉移并進行相應的模型計算能有效地定量代謝流量及其變化。Szecowka 等利用代謝組學平臺分析了擬南芥蓮座葉40 種主生代謝物在13CO2(替代CO2)生長條件下的13C 隨時間變化的富集情況,建立了蓮座葉光合作用的動態代謝流模型。這為研究者加深對光合作用代謝調控的認識,進而通過工程改造提高植物的光合作用效率奠定了堅實基礎。
? ? 輔酶因子組學研究：如圖所示,在代謝網絡的各個變量中,輔酶起了非常重要的作用。輔酶是指一類可以將化學基團從一個酶轉移到另一個酶上的有機小分子,與酶較為松散地結合,但對于特定酶的活性發揮卻是必要的。有許多維生素(特別是水溶性的B 族維生素)及其衍生物,如核黃素、硫胺素和葉酸,都屬于輔酶。
? ? 作為生物體必不可少的化學物質,理論上講輔酶應該在植物的各個細胞中合成、積累;但這并不表示它們在不同的植物組織或器官中的生物合成能力和積累是相同的,所以對輔酶及其中間代謝產物在不同的植物組織中進行全面的分析還是非常必要的。而且植物組織中輔酶的含量很低,通常在0. 1 ~ 20 nmol/ g 鮮重。如何建立高靈敏度、高通量的植物輔酶因子代謝組學分析平臺,對植物輔酶因子進行快速、靈敏、準確的定量檢測也是植物代謝組學需要迫切回答的問題之一。由于這些輔酶因子都是結構已知的化合物,商業化的標準品也相對容易獲得,所以利用液相色譜串聯三重四極桿質譜技術來進行定量分析是一個上佳的選擇。
