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1、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。近年来,随着生命科学研究的发展,尤其是完成拟南芥(Arabidopsisthaliana)和水稻（Oryzasativa)等植
2、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。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)。2、意义●通过研究不同物种的
3、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。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
4、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(functionalgenomics)”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。二、代谢组学在系统生物学中的地位然而，转录组和蛋白质组不一定能很好地预测基因的功能。尽管转录组携带了细胞内蛋白质合成的密码子，但是mRNA水平上的增加与蛋白质水平的增加并不一致，况且蛋白质合成后的各种修饰往往带来活性的改变。考虑到这些因素，仅凭转录组或者蛋白质组的改
5、变不一定能够准确预测生化表型(代谢物)的改变。另外，在建立转录谱和蛋白谱的时候，要鉴定一种mRNA或者蛋白质，现代的技术手段主要是通过序列相似性比对和与数据库的匹配来确定的，这样的鉴定主要依赖于匹配度，因此不是直接的。由于现有数据库信息的缺乏，转录组和蛋白质组也就只能提供有限的信息。代谢组可以在代谢物的基础上来区分表型；不论是可见的还是不可见的表型，用代谢物来区分可能是更无偏见的，至少是提供了代谢水平上的证据。而且，在那些由突变体或者转基因造成的可以测量的表型变化的实例中，代谢组的方法可以被用来阐明造成这种可见表型的生化原因或者结果。因此，以DNA、mRNA、蛋白质和
6、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（systemsbiology)。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代谢组学研究技术步骤三、植物代谢组学的研究方法植物材料培养数据分析与解释样品制备成分分析与鉴定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
7、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置,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。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
