代謝組學(xué)技術(shù)在煙草研究中的應(yīng)用進(jìn)展

王小莉，付 博，趙銘欽，賀 凡，王鵬澤，劉鵬飛

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，國(guó)家煙草栽培生理生化研究基地，鄭州 450002）

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代謝組學(xué)技術(shù)在煙草研究中的應(yīng)用進(jìn)展

王小莉，付 博，趙銘欽*，賀 凡，王鵬澤，劉鵬飛

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，國(guó)家煙草栽培生理生化研究基地，鄭州 450002）

摘 要：簡(jiǎn)述了作為研究植物生理生化和基因功能新方法的代謝組學(xué)在煙草研究中的主要技術(shù)流程及其應(yīng)用現(xiàn)狀，歸納了不同生態(tài)環(huán)境和不同組織中煙草代謝物差異及產(chǎn)生原因，總結(jié)了生物和非生物脅迫及化學(xué)誘導(dǎo)處理等條件下的煙草生理生化變化及相關(guān)基因功能。最后提出了目前煙草代謝組學(xué)研究所面臨的問題，并指出與其他組學(xué)整合應(yīng)用是代謝組學(xué)在煙草研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：煙草；代謝組學(xué)；脅迫；化學(xué)誘導(dǎo)；基因功能

代謝組學(xué)與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分別從不同層面研究生物體對(duì)環(huán)境或基因改變的響應(yīng)，它們都是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分。植物代謝組學(xué)是21世紀(jì)初產(chǎn)生的一門新學(xué)科，主要通過研究植物的次生代謝物受環(huán)境或基因擾動(dòng)前后差異來研究植物代謝網(wǎng)絡(luò)和基因功能［1-2］。與微生物和動(dòng)物相比，植物的獨(dú)特性在于它擁有復(fù)雜的代謝途徑，目前發(fā)現(xiàn)的次生代謝產(chǎn)物達(dá)20萬種以上［3］。代謝物差異是植物對(duì)基因或環(huán)境改變的最終響應(yīng)［4］，因此，對(duì)代謝物進(jìn)行全面解析，探索相關(guān)代謝網(wǎng)絡(luò)和基因調(diào)控機(jī)制，是從分子層面深入認(rèn)識(shí)植物生命活動(dòng)規(guī)律的一個(gè)重要環(huán)節(jié)［5-7］。

煙草不僅是重要的經(jīng)濟(jì)作物，同時(shí)還是一種重要的模式植物，作為生物反應(yīng)器在研究植物遺傳、發(fā)育、防御反應(yīng)和轉(zhuǎn)基因等領(lǐng)域中具有重要意義［8-10］。煙草代謝物非常豐富，目前從煙葉中已鑒定出3000多種［11］，且代謝物理化性質(zhì)和含量差異較大，給煙草化學(xué)及代謝規(guī)律研究帶來挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的煙草化學(xué)主要集中于研究某一類化學(xué)成分或某幾種重要物質(zhì)，如萜類［12］、生物堿類［13］、多酚類等［14］，這很難全面地系統(tǒng)地闡述煙草代謝網(wǎng)絡(luò)。隨著系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展，煙草越來越廣泛地被用于基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的研究中，例如采用系統(tǒng)生物學(xué)的方法找出目標(biāo)物質(zhì)的功能基因和代謝通路，通過基因修飾和田間管理減少有害物質(zhì)的合成、增加香味物質(zhì)的積累、培育低危害高香氣品種等等。因此，將代謝組學(xué)用于煙草生理生化、基因功能及代謝通路研究中十分必要，而且已經(jīng)取得了豐碩的成果。本文對(duì)代謝組學(xué)技術(shù)在煙草研究中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1　煙草代謝組學(xué)主要技術(shù)流程

植物代謝組學(xué)是植物學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、化學(xué)計(jì)量學(xué)、生物信息學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多門學(xué)科的交叉整合，具有整體性、高通量和無偏向性等特點(diǎn)［15］。從分析流程上講可以分為樣品制備、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等三大部分。樣品制備包括植物組織或細(xì)胞的培養(yǎng)、采集、代謝物的提取和分離等步驟［16］，每個(gè)步驟都直接關(guān)系到結(jié)果的可靠性。

數(shù)據(jù)采集目前使用最廣泛的技術(shù)平臺(tái)是具有高通量、高分辨率、重現(xiàn)性好和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的核磁共振（NMR）和質(zhì)譜（MS）及其聯(lián)用技術(shù)，如氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）、液相色譜-質(zhì)譜（LCMS）、毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜（CE-MS）聯(lián)用等，滿足了代謝組學(xué)對(duì)盡可能多的化合物進(jìn)行檢測(cè)的目標(biāo)，根據(jù)研究對(duì)象性質(zhì)可選擇合適的分析平臺(tái)，如GC-MS主要用于分析易揮發(fā)及衍生化的初生代謝物，LC-MS主要用于分析次生代謝物和脂類，CE-MS主要用于分析可離子化的初生代謝物［17］。

另外，所有組學(xué)都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，代謝組學(xué)也不例外。代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)處理主要包括：原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理、統(tǒng)計(jì)分析、代謝物及路徑識(shí)別和代謝網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建［18］，龐大而復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和信息挖掘過程需要綜合運(yùn)用多種統(tǒng)計(jì)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，從而得出正確的生物學(xué)信息。這是代謝組學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是其區(qū)別于傳統(tǒng)植物化學(xué)研究的獨(dú)特之處。

2　煙草代謝組學(xué)研究進(jìn)展

2.1 不同生態(tài)環(huán)境下煙草代謝組學(xué)研究

煙草中代謝物的合成與積累易受光照、溫度、降水、海拔、土壤質(zhì)地等生態(tài)因素影響，造成不同地區(qū)煙葉中代謝物產(chǎn)生明顯差異，并最終形成了不同生態(tài)區(qū)煙葉的風(fēng)格特色和質(zhì)量差異。通過代謝組學(xué)的方法可以深入認(rèn)識(shí)不同生態(tài)環(huán)境對(duì)煙草代謝物合成與積累的影響。

采用GC-MS、CE-MS和LC-MS技術(shù)對(duì)津巴布韋和國(guó)內(nèi)（云南）煙葉以及國(guó)內(nèi)三個(gè)地區(qū)（云南、貴州和河南）的煙葉進(jìn)行脂質(zhì)組和代謝組學(xué)分析，找到了區(qū)分各地區(qū)煙葉的差異代謝物，并分析了代謝物差異的產(chǎn)生與氣候因子的關(guān)系［19-24］。結(jié)果顯示，云南煙葉比津巴布韋煙葉富含糖類，但蔗糖、山梨醇、葡萄糖酸和某些氨基酸較少。國(guó)內(nèi)3個(gè)地區(qū)的鮮煙葉脂質(zhì)組和代謝組輪廓都有顯著差異，主要表現(xiàn)為高不飽和度的半乳糖脂、磷脂酰乙醇胺、主要的卵磷脂、多酚、氨基酸和多胺含量在云南煙葉中高于貴州和河南煙葉；低不飽和度半乳糖脂、三?；视?、具有三羥基長(zhǎng)鏈堿基的葡糖神經(jīng)酰胺、?；薮继擒赵诤幽蠠熑~中最高，其次是貴州和云南煙葉。將代謝物和氣候因子進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果顯示溫度因素至關(guān)重要，能夠影響半乳糖脂中脂肪酸的不飽和度和多酚的積累。Zhang Li等［25］和Zhao Y等［26］運(yùn)用GC-MS技術(shù)對(duì)不同地區(qū)鮮煙葉進(jìn)行代謝輪廓分析，能很好地區(qū)分云南、貴州和河南煙葉，并找到20種差異代謝物，探討了代謝物差異與不同氣候因子間的關(guān)系。結(jié)果顯示，3個(gè)地區(qū)的煙葉中代謝物含量有明顯差異，如與三羧酸（TCA）循環(huán)相關(guān)的有機(jī)酸（異檸檬酸、檸檬酸鹽和延胡索酸鹽等）和抗氧化劑（如奎尼酸、綠原酸和抗壞血酸）含量在貴州煙葉中最高。代謝物含量與氣候因子（降雨、日照和溫度）之間的相關(guān)性分析表明，干旱有利于糖和氨基酸的積累。Ma D M等［27］基于GC-MS和頂空固相微萃?。℉S-SPME）聯(lián)用技術(shù)對(duì)美國(guó)、印度和巴西煙葉中的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行分析，差異性代謝物主要有降茄二酮、螺巖蘭草酮、日齊素等。這表明，代謝組學(xué)技術(shù)適用于煙葉的代謝輪廓分析和不同生態(tài)環(huán)境下差異代謝物的評(píng)估。

2.2 煙草脅迫代謝組學(xué)研究

煙草在生長(zhǎng)發(fā)育過程中不可避免地會(huì)受到各種生物和非生物脅迫，如紫外線、旱災(zāi)、洪澇、高溫、低溫、鹽堿、病蟲害、機(jī)械損傷等。這些逆境因素會(huì)對(duì)煙草的正常生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響，使煙葉代謝物產(chǎn)生較大差異［28］。植物代謝產(chǎn)物尤其是次生代謝產(chǎn)物是植物在長(zhǎng)期生長(zhǎng)和進(jìn)化過程中對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境慢慢適應(yīng)的結(jié)果，植物在受到環(huán)境變化、機(jī)械損傷或病原微生物浸染后，會(huì)產(chǎn)生并積累次生代謝產(chǎn)物，用以增強(qiáng)自身的抵抗力［29］，煙草受到各種逆境脅迫時(shí)其代謝產(chǎn)物也會(huì)發(fā)生顯著變化。運(yùn)用代謝組學(xué)的方法研究煙草受脅迫條件下代謝物變化規(guī)律已經(jīng)成為一種切實(shí)可行的技術(shù)手段。

Choi Y H等［30］運(yùn)用NMR對(duì)正常煙葉和系統(tǒng)獲得性抗性（SAR）煙葉感染煙草花葉病毒（TMV）后進(jìn)行代謝組學(xué)分析，鑒定出煙葉受感染部分產(chǎn)生與抗性相關(guān)的5-咖啡奎尼酸、α-亞麻酸類似物、倍半萜和二萜類等防御物質(zhì)。結(jié)果表明，SAR煙葉與正常煙葉相比各代謝物隨時(shí)間變化差異明顯，但SAR煙葉和首次被TMV感染的煙葉含有的與抗性相關(guān)代謝物并沒有明顯的差異，說明萜類和黃酮類化合物等抗性代謝物的生物合成始于SAR煙葉，黃酮類化合物也在SAR煙葉中誘導(dǎo)產(chǎn)生。Cho K等［31］運(yùn)用超高效液相色譜串聯(lián)四級(jí)桿飛行時(shí)間質(zhì)譜（UPLC-Q-TOF-MS）分析接種Ppn后煙草代謝物的變化，發(fā)現(xiàn)氨基酸、酚類、苯丙素類、脂肪酸類等代謝物差異顯著。Ibá ?ez A J等［32］采用紅外激光解吸電離串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜（IR-LDI-oTOF-MS）研究了感染Ppn的煙草的防御反應(yīng)，分析了生物堿和酚類、游離脂肪酸和氧化脂類、糖類以及植物激素類物質(zhì)的變化，找到了關(guān)鍵代謝物及其代謝途徑，為快速評(píng)價(jià)煙草感染病毒的生物指征提供了新方法。

鹽脅迫是植物生長(zhǎng)過程中面臨的嚴(yán)重的非生物脅迫之一［33］，通過進(jìn)行煙草鹽脅迫下代謝物差異研究，為研究煙草抗逆性提供新思路。Zhang J等［34］采用 NMR對(duì)鹽脅迫下煙草的代謝物變化情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)煙草中與新陳代謝相關(guān)的化合物主要有40類，包括有機(jī)酸、生物堿、氨基酸、糖類、膽堿、嘧啶和嘌呤代謝物等。清楚地檢測(cè)到煙草受不同劑量鹽脅迫的代謝物變化軌跡，短時(shí)間低劑量的鹽脅迫導(dǎo)致代謝物朝著糖異生方向偏移，同時(shí)伴隨消耗嘧啶和嘌呤代謝物；高劑量長(zhǎng)時(shí)間的鹽脅迫使得滲透物質(zhì)逐漸積累，如脯氨酸和肌醇，并改變氨基丁酸分路，同時(shí)促使莽草酸酯調(diào)節(jié)的次生代謝中芳香族氨基酸合成增加。這些證據(jù)為煙草適應(yīng)鹽滲透提供了新的視角。

2.3 煙草化學(xué)誘導(dǎo)代謝組學(xué)研究

植物在生長(zhǎng)、發(fā)育、生殖等過程中，常常受到外界的物理、化學(xué)和生物等因素的影響，而在這些影響因素中，體內(nèi)外的相關(guān)化學(xué)誘導(dǎo)劑對(duì)植物生育過程的影響非常廣泛。植物僅僅依靠先天免疫性防御病原體攻擊，對(duì)具體的應(yīng)激方式?jīng)]有記憶力，但在對(duì)植物進(jìn)行預(yù)激活之后，當(dāng)再次受到脅迫時(shí)它便能夠發(fā)動(dòng)強(qiáng)烈的應(yīng)激反應(yīng)［35-36］?；瘜W(xué)誘導(dǎo)劑對(duì)植物生長(zhǎng)、發(fā)育、生殖的影響大多是通過作用于植物的啟動(dòng)子來調(diào)控植物基因表達(dá)和蛋白表達(dá)，進(jìn)而影響植物的生育以及對(duì)內(nèi)外環(huán)境的反應(yīng)［37］。

以往的研究認(rèn)為植物中只有反式綠原酸，然而在一些受過機(jī)械損傷的植物組織中以及暴露于紫外光下的煙葉中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其順式異構(gòu)體［38］。Mhlongo M I等［39-40］用不同的植物防御誘導(dǎo)劑——脂多糖、鞭毛蛋白-22、殼聚糖、活化酯和異亞硝基苯乙酮（INAP）處理煙草培養(yǎng)細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)和功能多樣的誘導(dǎo)劑均能引起綠原酸的積累，包括單酰化和二?；目Х弱？鼘幩幔ňG原酸，新綠原酸，異綠原酸B和異綠原酸C），提出綠原酸在能動(dòng)性地參與引發(fā)植物防御作用中扮演新角色，首次發(fā)現(xiàn)順式新綠原酸的積累，說明煙草植物中存在產(chǎn)生順式綠原酸異構(gòu)體的生物途徑。

據(jù)文獻(xiàn)［41-43］報(bào)道，麥角固醇可以激活煙草細(xì)胞中的防御基因，從而誘導(dǎo)與防御相關(guān)的次生代謝物質(zhì)產(chǎn)生。Tugizimana F等［44-45］通過多種代謝組學(xué)分析平臺(tái)考察麥角固醇對(duì)煙草細(xì)胞代謝物的影響。結(jié)果表明，麥角固醇可以改變細(xì)胞的新陳代謝，并鑒定出防御性代謝物包括5種萜類化合物（辣椒素、魯比民醛、日齊素、螺巖蘭草酮和馬鈴薯松弛素）、脫落酸（ABA）、植物固醇等。Gaquerel E等［46］研究了煙草受傷和使用蛾誘導(dǎo)劑后代謝物的變化，發(fā)現(xiàn)173種代謝物具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，其中128種受時(shí)間影響，85種受處理方式影響。

鳥氨酸在煙草尿素循環(huán)和多胺生物合成中起著重要作用［47-48］，與鳥氨酸的左旋異構(gòu)體（L-Orn）截然相反，鳥氨酸的右旋異構(gòu)體（D-Orn）可以積極參與煙草細(xì)胞代謝，誘導(dǎo)產(chǎn)生自由態(tài)、束縛態(tài)和結(jié)合態(tài)的多胺［49］。Gholami M等［50］采用手性LCMS對(duì)氨基酸類物質(zhì)進(jìn)行代謝輪廓分析，發(fā)現(xiàn)DOrn對(duì)左旋精氨酸（L-Arg）有選擇性積累的優(yōu)勢(shì)，外源D-Orn能選擇性使L-Arg調(diào)高80倍，而LOrn使所有氨基酸略有增加，說明D-Orn能夠選擇性調(diào)控L-Arg和尿素循環(huán)。

Madala N E等［51-52］用INAP分別處理高粱和煙草細(xì)胞，考察了 INAP誘導(dǎo)后的代謝物分布變化情況。結(jié)果表明，INAP能夠誘導(dǎo)代謝物發(fā)生可逆變化。高粱細(xì)胞比煙草細(xì)胞在化學(xué)誘導(dǎo)下代謝物變化更協(xié)調(diào)一致，說明生氰植物和非生氰植物在亞硝基化合物次生代謝方面有差異；推測(cè)鑒定出8種代謝物，并指出INAP影響莽草酸途徑、苯丙烷途徑和類黃酮途徑，能促使體內(nèi)抗氧化環(huán)境的產(chǎn)生。

2.4 煙草功能基因代謝組學(xué)研究

活性氧和乙烯在確定植物對(duì)病原體侵襲是抗性或易感性方面發(fā)揮重要作用。為進(jìn)一步研究其機(jī)理，Cho K等［53］對(duì)野生煙草和乙烯信號(hào)受阻的轉(zhuǎn)基因煙草（Ein3-AS）進(jìn)行代謝組學(xué)研究，通過接種Ppn研究乙烯信號(hào)分子在對(duì)抗病原菌侵入時(shí)的防御功能。結(jié)果顯示，在Ppn作用下煙堿和苯丙烷-多胺綴合物以及它們的中間體，如精氨酸和腐胺的含量在Ein3-AS轉(zhuǎn)基因植株中低于野生煙草，而半乳糖脂和氧化的游離脂肪酸則相反。

黃酮類在多數(shù)植物中通過苯基丙酸類合成途徑進(jìn)行生物合成［54］，Misra P等［55］將擬南芥轉(zhuǎn)錄因子 AtMYB12在煙草中表達(dá)，促使包括苯基丙酸類合成途徑的基因表達(dá)增強(qiáng)，從而使得黃酮類物質(zhì)增加幾倍。由于增加了蕓香苷的積累，使得轉(zhuǎn)基因煙草對(duì)斜紋夜蛾和棉鈴蟲具有更好的抗性。

Choi H K等［56］和 Halim V A等［57］分別采用NMR和高效液相色譜-光電二極管陣列-質(zhì)譜（HPLC-PDA-MS）對(duì)野生和轉(zhuǎn)基因煙草（過表達(dá)合成水楊酸的基因，含高濃度水楊酸及其糖苷，增加煙草對(duì)花葉病毒的抗性）進(jìn)行代謝組學(xué)分析，結(jié)果表明，綠原酸和蕓香苷在轉(zhuǎn)基因煙草中含量比野生煙草中低。這可能是異分支酸和預(yù)苯酸途徑競(jìng)爭(zhēng)所致，而水楊酸（SA）作為信號(hào)分子調(diào)控綠原酸和蕓香苷的生物合成。

Mungur R等［58］采用傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（FT-ICR-MS）研究谷氨酸脫氫酶（GDH）轉(zhuǎn)基因煙草。GDH轉(zhuǎn)基因煙草改變了谷氨酸鹽、氨基酸和碳代謝，這從根本上改變了煙草的生長(zhǎng)發(fā)育。通過13NH4+對(duì)氨基酸碎片進(jìn)行生物標(biāo)記來分析GDH表達(dá)、谷氨酸鹽和植物表型之間的因果關(guān)系和相互影響，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因煙草的13N標(biāo)記的氨基酸鹽和氨基酰胺顯著上升，隨著GDH活性的變化，根部和葉中上百個(gè)離子豐度發(fā)生改變，其中具有生物醫(yī)藥意義的有23種。某些氨基酸、有機(jī)酸和糖增加，而有些脂肪酸下降，說明轉(zhuǎn)基因使銨吸收增加。

2.5 煙草不同組織器官代謝組學(xué)研究

綠原酸是由肉桂酸和奎寧酸分子衍生物形成的酚類物質(zhì)，它的積累與植物防御多種脅迫下的生理響應(yīng)聯(lián)系在一起。Ncube E N等［59］研究了煙葉組織和煙草懸浮細(xì)胞中綠原酸及其衍生物的代謝差異，共鑒定出19種含有肉桂酸核的代謝物。這些代謝物在煙葉組織和懸浮細(xì)胞中的分布明顯不同，說明綠原酸在兩種不同的體系中生物合成途徑有差異，這需要結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)對(duì)其進(jìn)行更深入的研究。

2.6 與其他組學(xué)結(jié)合應(yīng)用研究

木質(zhì)素是次生細(xì)胞壁的重要成分，肉桂酰輔酶A還原酶（CCR）和肉桂醇脫氫酶（CAD）是催化木質(zhì)素單體生物合成的最后兩個(gè)步驟的關(guān)鍵酶，現(xiàn)已經(jīng)證實(shí)下調(diào)煙草中的CCR會(huì)降低木質(zhì)素含量，而在下調(diào)CAD的煙草中木質(zhì)素結(jié)合更多的醛［60-62］。Dauwe R等［63］發(fā)現(xiàn)，改變煙草中CCR和CAD兩個(gè)基因中任意一個(gè)的表達(dá)，都會(huì)對(duì)其轉(zhuǎn)錄組和代謝組產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。以基因擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)錄譜，結(jié)合HPLC和GC-MS代謝物圖譜，揭示了木質(zhì)素單體生物合成的特異轉(zhuǎn)錄因子和代謝產(chǎn)物，以及木質(zhì)素單體和其他代謝途徑之間的相互作用的主要網(wǎng)絡(luò)。

Lippmann R等［64］采用蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)相結(jié)合的方法研究了煙草懸浮細(xì)胞分泌蛋白質(zhì)的過程。結(jié)果顯示在脅迫處理或缺乏誘導(dǎo)子時(shí)脅迫相關(guān)的蛋白質(zhì)和代謝物豐度加強(qiáng)，在脅迫防御和細(xì)胞再生過程中鑒定出32種蛋白質(zhì)，腐胺明顯上升。Ferrario-Mery S等［65］研究了煙草中碳氮相關(guān)的代謝途徑，整合了該代謝路徑中轉(zhuǎn)錄組、酶活性及代謝組學(xué)的相互關(guān)系。通過對(duì)NH4+代謝過程中主要代謝物的定量分析，并整合先前關(guān)于氮在轉(zhuǎn)錄方面的知識(shí)，分析了谷氨酰胺合成酶在氮代謝過程中的作用，結(jié)論是代謝物量的變化與轉(zhuǎn)錄水平無關(guān)，而與轉(zhuǎn)錄后修飾調(diào)節(jié)有關(guān)。

3　展望

隨著各種分析技術(shù)在分辨率、檢測(cè)限和準(zhǔn)確度等方面的不斷提高，信息生物學(xué)的不斷完善以及各組學(xué)之間的結(jié)合，代謝組學(xué)也越來越廣泛地應(yīng)用于系統(tǒng)生物學(xué)的研究之中。從最初的代謝產(chǎn)物分析、單一代謝途徑探索走向與其他組學(xué)技術(shù)結(jié)合，研究特定的生物學(xué)問題，共同揭示植物生理活動(dòng)的奧秘。代謝組學(xué)技術(shù)在煙草研究方面已經(jīng)取得了較為豐碩的成果，成為全面地系統(tǒng)地研究煙草在應(yīng)對(duì)外界環(huán)境和脅迫條件下的代謝物響應(yīng)變化的重要手段。但從總體來看，目前煙草代謝組學(xué)仍然處于初級(jí)階段，在分析技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和生物信息整合等方面均面臨著巨大挑戰(zhàn)。

首先是分析技術(shù)的局限性。代謝組學(xué)的深入研究得益于分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，如高分辨質(zhì)譜（HRMS）、UPLC、NMR、傅里葉紅外（FTIR）、CE及其聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用。與其他各組學(xué)（基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等）技術(shù)只分析特定類型的物質(zhì)不同，植物代謝物具有復(fù)雜多樣、理化性質(zhì)差異大、各組織中分布不均等特點(diǎn)，且在時(shí)間和空間上都具有高度的動(dòng)態(tài)性［66］，目前還沒有一種能夠無偏向性地分析所有代謝物的技術(shù)平臺(tái)。

其次是大量數(shù)據(jù)的分析處理。代謝組學(xué)的高通量性、整體性、系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)決定了研究過程中將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如何篩選獲取有效數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行科學(xué)解析是一項(xiàng)艱巨的工作，特別是大量代謝物的鑒定。在整合多種統(tǒng)計(jì)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，提高數(shù)據(jù)處理的效率和準(zhǔn)確性方面同樣面臨著巨大挑戰(zhàn)。

最后是代謝組學(xué)與其他組學(xué)的結(jié)合。代謝組學(xué)與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及蛋白質(zhì)組學(xué)是研究系統(tǒng)生物學(xué)信息傳遞的幾個(gè)層次。代謝組學(xué)只揭示發(fā)生了什么，而研究生物體發(fā)生這些改變的原因和過程，需要將幾個(gè)組學(xué)結(jié)合起來，因此，代謝組學(xué)是服務(wù)于基因組學(xué)的。如何將代謝組學(xué)與其他相關(guān)組學(xué)以及代謝通路整合在一起，并科學(xué)地揭示植物的生理功能是能否發(fā)揮代謝組學(xué)潛能的重點(diǎn)和難點(diǎn)［67］。

我國(guó)《煙草行業(yè)中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中提出，要找到參與煙草抗性、營(yíng)養(yǎng)吸收、香氣形成、煙堿代謝、有害成分合成與降解、煙葉成熟和烘烤等過程中相關(guān)的功能基因和蛋白質(zhì)，培育出高香氣低危害品種，為中式卷煙的發(fā)展提供特色優(yōu)質(zhì)煙葉原料。這些工作的推進(jìn)都離不開對(duì)煙草代謝機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)，只有全面系統(tǒng)地開展煙草代謝組學(xué)基本規(guī)律研究，并與其他組學(xué)整合、驗(yàn)證，才能更好地指導(dǎo)煙草生產(chǎn)，這是煙草代謝組學(xué)未來的發(fā)展方向［68-69］。

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Research of Metabolomics in Tobacco

WANG Xiaoli，F(xiàn)U Bo，ZHAO Mingqin*，HE Fan，WANG Pengze，LIU Pengfei
（College of Tobacco Science，Henan Agricultural University，National Tobacco Physiology and Biochemistry Research Center，Zhengzhou 450002，China）

Abstract:Metabolomics has been considered one of the most effective means of investigating physiological and biochemical processes and gene function of plants. Here we review the main process of metabolomics and its application status in tobacco research，the regulation mechanisms of physiological and biochemical reactions when tobacco responds to different environmental，biotic and abiotic stresses，chemically induced processes and genetic modifications. Finally，issues of critical significance to current tobacco metabolomics research are discussed and it is noted that integration with other omics is the trend of metabolomics research in tobacco.

Keywords:tobacco；metabolomics；stress；chemical induction；gene function

中圖分類號(hào)：S572.01

文章編號(hào)：1007-5119（2016）01-0089-08

DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.01.016

基金項(xiàng)目：中國(guó)煙草總公司濃香型特色優(yōu)質(zhì)煙葉開發(fā)（110201101001 TS-01）；上海煙草集團(tuán)責(zé)任有限公司“濃香型特色優(yōu)質(zhì)煙葉風(fēng)格定位研究及樣品檢測(cè)”（szbcw201201150）

作者簡(jiǎn)介：王小莉（1983-），女，博士研究生，主要從事煙草生理生化研究。E-mail：xiaoliwang325@126.com*通信作者，E-mail：zhaomingqin@126.com

收稿日期：2015-09-09 修回日期：2015-11-19