当前位置:文档之家› 植物代谢组学

植物代谢组学


2、样品制备
植物代谢物样品制备分为组织取样→匀浆→抽提→ 保存→样品预处理等步骤。 代谢产物通常用水或有机溶剂(如甲醇和己烷等)分 别提取,获得水提取物和有机溶剂提取物,从而把非极性 的亲脂相和极性相分开。 分析之前,通常先用固相微萃取、固相萃取和亲和 色谱等方法进行预处理。 然而植物代谢物千差万别,其中很多物质稍受干扰 结构就会发生改变,且对其分析鉴定所采用的设备也不 同。目前还没有适合所有代谢物的抽提方法,通常只能 根据所要分析的代谢物特性及使用的鉴定手段选择合适 的提取方法。而抽提时间、温度、溶剂成分和质量及实 验者的技巧等诸多因素也将影响样品制备的水平。
(2)毛细管电泳-质谱联用技术(CE/MS) CE/MS分离样品效率比普通的色谱质 谱联用要高得多,更为便利的是其耗时很 短,往往在10分钟内就能完成一个样品的 分析过程。 Tolstikov等(2003)用CE/MS对拟南芥 进行代谢组分析,分离效果远远超过了 Fiehn等用GC/MS进行的先期工作,检测到 超过700个不同的色谱峰值,其中包括许多 以前未检测到的脂类化合物及次生代谢物。
LC/MS中目前应用较广的是高效液相色谱和 质谱联用(HPLC/MS)。HPLC与GC原理相似,但在进 样前不需进行衍生化处理,适合那些不稳定、不 易衍生化、不易挥发和分子量较大的化合物。 HPLC/MS选择性和灵敏度都较好,但分析的时间相 对较长,且需依赖纯的参照物。 Fiehn(2003)利用HPLC/MS检测笋瓜 (Cucurbitamaxima Gelber Zentner)叶柄和叶 片抽提物,检测到了超过400种代谢物,有90种被 定性,其中大部分是氨基酸、糖和糖苷。 Huhman和Sumner(2002)在紫花苜蓿和蒺藜状 苜蓿中各鉴定出15个和27个皂角甙,并在紫花苜 蓿中找到了2个新的乙二酸皂角甙。
(1)非监督(学习)方法
非监督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, 把具有相似特征的目标数据归在同源的类里,并 采用相应的可视化技术直观地表达出来。 应用在此领域的常见方法有: ●聚类分析(cluster analysis) ●主成分分析(principal components analysis,PCA)
2、意义
●通过研究不同物种的代谢产物 ,可以指导植物分 类学 ,对植物进行更加合理的分类; ●通过研究不同基因型植物的代谢物 ,可以发现新 的功能基因 ,促进转基因植物的研究 ,同时还可以对 转基因植物及其在食用方面的安全性进行代谢物组学 水平上的评估; ●通过研究不同生态环境下植物的代谢产物 ,了解 植物的区域性分布。如果所研究的植物是某种药用植 物 ,则就可以应用于中药道地药材的确定; ● 植物在受到某种内部或外界因素刺激之后会产生 的特定的应激变化 ,最终会表现在代谢物的改变上 , 通过研究这种变化规律 ,为从植物中定向培养得到某 一特定代谢物提供指导。
数据分析与解释
代谢组学研究技术步骤
1、植物培养(栽培)
对研究对象进行培育的目的是为了对样本的 稳定性进行控制 ,相对于微生物和动物而言 ,植 物的人工栽培需要考虑更多的问题,如中药材在 不同年龄、不同发育阶段、不同部位以及光照、 水肥、耕作等环境因素的微小差异都可引起生理 状态的变化,而这些非可控及可控双重因素的影 响很难进行精确的控制,从而影响药用植物代谢 组研究的重复性。为了解决以上问题 ,推荐使用 大容量的培养箱 ,定时更换培养箱中栽培对象的 位臵,以及使用无土栽培技术等, 利用无土栽培 系统将水和养分直接引入植物根部,并且对供给 量进行精确地控制 ,大大提高了实验的重复性。
代谢组: 是指细胞或者生物体内的所有代谢物的 总和,也有人将它定义为细胞、组织、器 官或者生物体内的所有小分子代谢组分的 集合。 代谢组学: 通过大量代谢成分的定性、定量分析来 定义生物体的生化表型(代谢表型)及其与 基因型的关系,从而为研究基因功能、诠 释生命现象提供大量的代谢信息,这就是 代谢组学(metabolomics)。
因此,以DNA、mRNA、蛋白质和代谢物为研究对象的基因组 学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学是一个密切相关的整体, 他们共同构成系统生物学(systems biology)。
基因组、转录组、蛋白质组和代谢组的关系
系统生物学研究的四个层次
三、植物代谢组学的研究方法
植物材料培养
样品制备
成分分析与鉴定
For example: Roessner等(2000,2001)利用GC/MS对马 铃薯进行高通量代谢物分析,同时检测到150 种化合物,其中77种被鉴定为氨基酸、有机酸 或糖。 利用GC/MS进行代谢组学研究的代表性 工作是Fiehn等(2000)的一系列有关植物代 谢的研究。他们用GC/MS对模式植物拟南芥 的叶子提取物进行了研究,定量分析了326个 化合物,并确定了其中部分化合物的结构。
Examples:
Ward等(2003)用1H-NMR对多种不同生态型的拟南芥 进行了代谢组分析,在碳水化合物和脂肪族物质中都发 现了差异,说明了植物代谢物和生态型差异的相关性。 Hyung-Kyoon等(2004)用1H-NMR对野生型和过表达 水杨酸合成基因的转基因烟草(Nicotiana tabacum)的 叶片和叶脉进行了研究,通过进行TMV嫁接和对照实验, 得到多个峰值变化,大部分峰被鉴定为氯原酸、苹果酸 和糖。此实验提供了一种有效的不需过多步预处理程序 的区分野生型和转基因植物的方法。 NMR也有其缺点: ①与GC/MS和LC/MS相比,NMR的缺点是灵敏度低,有 可能形成信号重叠,且其对样品制备的要求很高。 ②因为动态范围有限,很难同时测定生物体系中共 存的浓度相差较大的代谢产物。
4、数据分析与解释
样品成分分析鉴定之后,需要对所获得的数据 进行相应的整合处理,这也是代谢组学研究中十分 关键的步骤。应用高通量的检测分析工具可以得 到海量的数据,如果不对其进行合理的处理,这些 纷扰的数据反而对研究工作是有害无利的。可应 用模式识别和多维统计分析等方法从这些大量的 数据中获得有用的信息,这些方法能够为数据降维, 使它们更易于可视化和分类。 目前数据分析常用的方法有两类: ●非监督方法(unsupervised method) ●有监督方法(supervised method)
近年来,随着生命科学研究的发展,尤其是完成 拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)等植物的基因组测序后,植物科学发生了翻 天覆地的变化。有人说生命科学研究跨入了后基因 组时代。 人们已经把目光从基因的测序转移到了基因的 功能研究。在研究DNA的基因组学、mRNA的转 录组学和蛋白质的蛋白组学后,接踵而来的是研究 代谢物的代谢组学。
植物代谢组学及其应用
河南农业大学生命科学学院 赵会杰
目 录
一、植物代谢组学的概念和意义 二、代谢组学在系统生物学中的地位
三、植物代谢组学的研究方法
四、代谢组学在植物科学中的应用 五、展望
一、植物代谢组学的概念和意义
1、概念
生物学中“组”的概念: ◆“组”:来源于希腊语ome,意指每个、所有、 全部。 ◆以它为后缀最先用于基因组:genome,指一个 物种的全部遗传组成。 ◆自基因组学概念提出后,带组学(omics)的概 念出现有200多种。如蛋白组学、代谢组学等。
(1/MS)
色谱是最常用和有效的分离分析工具,其与质谱 的联用则可以完成从成分分离到鉴定的一整套工作。 GC/MS和LC/MS可以同时检测出数百种化合物,包括糖 类、有机酸、氨基酸、脂肪酸和大量不同的次生代 谢物。
GC/MS有很好的分离效率且相对较为经济,但需 要对样品进行衍生化预处理,这一步骤会耗费额外的 时间,甚至引起样品的变化。受此限制,GC/MS无法分 析膜脂等热不稳定性的物质和分子量较大的代谢产 物。
二、代谢组学在系统生物学中的地位
20世纪末到本世纪初,大规模的基因组测序 工作产生了海量数据。但仅仅是依赖DNA序列我 们能够得到的信息还是有限的,科学家迫切希望 在整体水平上了解基因表达的特征和基因所编码 的产物的功能。因此, “功能基因组学 (functional genomics)”的研究逐渐兴起。它是 通过大规模地分析细胞内转录水平(转录组)和蛋 白质水平(蛋白质组)上的变化,进而推测基因功 能,这就开启了“功能基因组学”的研究。
(3)核磁共振
在代谢组学领域,核磁共振最初被用于病理生理学和 药理毒理学方面,但目前也已被广泛用于植物代谢组学 研究。其优点是: A.不同于质谱具有离子化程度和基质干扰等问 题,NMR没有偏向性,对所有化合物的灵敏度是一样的。 B.NMR无损伤性,不破坏样品的结构和性质,可在接近 生理条件下进行实验,可在一定的温度和缓冲液范围内选 择实验条件,可以进行实时和动态的检测。 C.NMR氢谱的谱峰与样品中各化合物的氢原子是一一 对应的,所测样品中的每一个氢原子在图谱中都有其相关 的谱峰,图谱中信号的相对强弱反映样品中各组分的相对 含量,更为直观。 因此,NMR方法很适合研究代谢产物中的复杂成分。
Examples:
Aharoni等(2002)利用高分辨率的FTIR/MS联 用仪器对凤梨草莓(Fragaria ananassa)组织进 行了分析,依据不同的质荷比找到了5 844个不同 质量的物质,并根据对化合物中高含量的元素的 精确质量测定估计了其中一半以上物质的化学结 构式。 结果表明,在草莓的不同组织中都含有多种 类的初生代谢物(如氨基酸、脂肪酸和碳水化合 物)及次生代谢物(如类黄酮和萜类化合物)。
(4)傅里叶变换红外光谱-质谱联用FTIR/MS
FTIR主要测定样品中各成分的功能基团和高极性 键的振动,而特定的化学结构有特定的吸收频率,通过 测定实验样品的红外吸收频率和强度,可以辨别出各 个成分。 FTIR优点: 扫描速度快、光通量大、高分辨率、高信噪比及 测定光谱范围宽。 FTIR缺点: 不可区分异构物,且组分片段和一些络合离子也 对其有影响,由于离子抑制不能进行定量分析。
相关主题