作物的产量和品质一直是农业科研工作者的关注重点,植物代谢物中很多是与人类健康密切相关的营养成分。近年,植物代谢组学也开始应用于主要农作物(如水稻、玉米等)的产量、品质性状等育种研究领域。在育种工作中,尤其是分子设计育种中,精确定量描述作物的产量和品质性状是筛选育种材料的关键。利用代谢组学方法,可以快速的对作物营养成分进行分析,对其品质进行评价。

基于“非靶向代谢组学”,实现了高灵敏度、高通量的代谢物鉴定。 该平台可进行脂溶、水溶性代谢物的准确定性和精确定量,并结合多元商业软件及自建分析流程搭建了基于代谢组的多组学数据整合分析流程。我们将通过几篇文献为大家概述非靶代谢在植物品质研究中的应用。

案例一

运用非靶向代谢组学和化学计量学鉴定分析苦茶中苦味的关键代谢物

研究对象:苦茶(5个茶叶品种KC1,KC2,YH9,TGY,QX1)

研究技术:非靶向代谢组学、高效液相色谱定量分析

研究路线

研究结果:采用非靶向代谢组学方法,研究了苦茶的代谢物。结果表明,2个苦茶品种与3个对照普通茶品种之间共鉴定出90种差异代谢物。其中,茶苦碱等8种代谢物在KC1和KC2中的含量均显著高于对照品种。这些化合物中的大多数都是导致苦茶苦味的重要因素。基于高效液相色谱的定量分析结果与LC-MS分析结果相似,表明苦茶中茶苦碱和EGCG含量高于对照品种。此外,研究数据还表明,苦茶的强烈苦味可能是儿茶素、生物碱、黄酮醇和黄酮醇/黄酮苷、氨基酸和酚酸的综合作用的结果。为进一步研究苦茶的苦味和营养特性提供了理论依据。


不同茶叶KC1、KC2、YH9、TGY、QX1代谢产物的热图

案例二

通过非靶向代谢组学分析灵芝的发酵液,菌丝体,子实体和孢子粉的代谢特征

研究对象:灵芝的不同部位(发酵液,菌丝体,子实体和孢子粉)

研究技术:LC-MS非靶向代谢组学

研究路线

研究结果:这项研究运用灵芝的不同部分,通过非靶向代谢组学研究灵芝不同部位的功能和药效。根据非靶向代谢组学的结果,得出子实体可以特别用作抗肿瘤和抗艾滋病药物;孢子粉可用于开发治疗肝病和糖尿病的药物;灵芝的四个部分可用于抗氧化剂领域。本研究为灵芝的质量评价和综合利用提供了理论依据。


灵芝不同部分生物碱类化合物热图

灵芝不同部分多糖和核苷类化合物热图

案例三

利用野生番茄渐渗系阐明转录组和代谢组变异对果实性状和病原菌响应的遗传基础的潜在影响

研究对象:番茄的果实和果皮(504个BILs和76个ILs)

研究技术:LC-MS非靶代谢组学、转录组学

研究路线

研究结果:本研究利用秘鲁野生番茄品种(PI246502或LA0716)和现代栽培品种番茄M82构建了番茄的作图群体。通过对580个系进行非靶代谢组学和转录组学分析,结合病原体敏感性分析,确定了与数百个转录本和代谢产物水平相关的基因组位点。另外,本文鉴定了茄碱途径的组成部分,以及参与病原体防御的基因和代谢物,并将真菌抗性与果实成熟调控网络的变化联系起来。这项研究推测出的基因型-表型关联将对目前的分子育种做出重大贡献,有助于对抗风味和抗病性等关键水果质量性状的丢失,并为研究关键果实品质性状提供了依据。

野生番茄物种渗入的多模态研究

总结

目前的研究大多集中在模式植物中,对非模式植物,特别是重要药用植物的研究较为薄弱。以植物代谢组学为切入点,绘制植物代谢网络,将生物事件与代谢表型关联起来,从而阐明其中的作用机制和效应物质基础,再与其他系统生物学组学联合分析,势必会将植物研究提升到一个前所未有的高度和深度。

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