植物響應溫度脅迫的代謝組學研究進展

周連玉，李園媛，王文妮，鐘松

（青藏高原資源與環(huán)境教育部重點實驗室，青海師范大學生命與地理科學學院，青海西寧810008）

植物響應溫度脅迫的代謝組學研究進展

周連玉，李園媛，王文妮，鐘松

（青藏高原資源與環(huán)境教育部重點實驗室，青海師范大學生命與地理科學學院，青海西寧810008）

在極端溫度脅迫下，植物體內(nèi)會發(fā)生一系列復雜的生理、生化變化來響應外界環(huán)境。代謝組學已成為系統(tǒng)生物學的重要組成部分之一，是對某一生物、組織或細胞中小分子量的代謝產(chǎn)物進行定性和定量分析，以揭示生命現(xiàn)象與過程。綜述了植物響應溫度脅迫的代謝譜分析，并展望了代謝組學急需解決的問題。這將為今后引種、馴化、改良和培育抗寒或耐熱植物提供充分的理論依據(jù)。

植物；代謝組學；溫度脅迫

極端溫度、干旱、鹽堿、病原菌等非生物和生物因子嚴重影響植物的生長和生產(chǎn)力。溫度脅迫是重要的非生物脅迫因子之一，影響植物的生長發(fā)育、生產(chǎn)量和地理分布范圍，誘導植物在分子、細胞、生理和生化水平上發(fā)生顯著改變[1-2]，從而使其克服溫度脅迫環(huán)境。

代謝組學、基因組學、轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學是系統(tǒng)生物學研究的重要組成部分。代謝組學（metabolomics/metabonomics）是繼基因組學、轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學后又一個新發(fā)展起來的組學?！癿etabolomics”是由德國科學家FIEHN在21世紀初提出的，即“定性、定量分析某一生物或細胞中所有分子量在1 000以內(nèi)的代謝物”，主要利用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對植物和微生物進行相關(guān)研究。并且依據(jù)研究的對象和目的不同，F(xiàn)IEHN[3]將生物代謝分析（metabolite analysis）歸納為4類：目標分析（target analysis）、代謝譜分析（metabolic profiling）、代謝物組分析（metabolomics analysis）和代謝指紋分析（metabolic fingerprinting）?！癿etabonomics”是由1999年英國NICHOLSON定義為“定量測定生命體系中受生理、病理或基因改造而引起的多種代謝物變化”，主要側(cè)重于運用核磁共振法研究人或動物在疾病作用下總代謝物的變化情況。代謝組學的研究也已成為系統(tǒng)生物學的重要組成部分之一，其研究結(jié)果可揭示出基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組受遺傳或環(huán)境因素影響后的變化規(guī)律，更接近細胞或生物的表型，由此越來越廣泛地被應用[3]。代謝組學以大規(guī)模的實驗方法學和統(tǒng)計計算分析相結(jié)合為特征，涉及對生物樣品中的代謝物提取和預處理、代謝組分的定性和定量分析以及對海量數(shù)據(jù)的解析等方面的研究。通過代謝產(chǎn)物變化作為標記，進行代謝組的綜合研究，有助于找到調(diào)節(jié)代謝的關(guān)鍵因素，增強人們對植物如何響應各種逆境脅迫的理解。筆者綜述了近年來代謝譜分析在植物對溫度逆境響應中的研究進展，并討論了代謝組研究的現(xiàn)狀和今后的發(fā)展方向。

1 植物響應低溫脅迫的代謝組學

代謝可反映生物活體和狀態(tài)，隨著不斷改進代謝產(chǎn)物的檢測和鑒定技術(shù)，植物應答非生物脅迫的代謝調(diào)節(jié)得到廣泛的關(guān)注[4-5]。目前，植物逆境防御過程中的代謝組學已成為廣泛研究的熱點之一，主要是涉及一些模式植物和作物品種[6-9]。在低溫（4℃）脅迫下，擬南芥植株體內(nèi)天冬氨酸、鳥氨酸、精氨酸含量的增加表明了尿素合成途徑被上調(diào)；α-酮戊二酸、延胡索酸、蘋果酸、檸檬酸等化合物在低溫脅迫下積累揭示了三羧酸循環(huán)途徑被激活[6]。在后續(xù)的研究中，這些代謝組數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)錄組學數(shù)據(jù)相互結(jié)合揭示擬南芥低溫適應的機理[10]。外源物質(zhì)對植物響應低溫脅迫的代謝譜的作用效果也受到一些學者關(guān)注，泡葉藻（Ascophyllum nodosum）提取物能促進擬南芥在低溫脅迫下可溶性糖、糖醇、有機酸和脂肪酸的積累，這一結(jié)果也被轉(zhuǎn)錄組學數(shù)據(jù)分析所證實[11]。另外，SHI等[12]研究外源鈣對狗牙草（Cynodon dactylon）在正常溫度（28℃）和低溫（4℃）條件下產(chǎn)生的特異性差異蛋白和代謝產(chǎn)物的影響，結(jié)果表明，外源鈣可使51種蛋白質(zhì)的豐度發(fā)生改變，基于氣相-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）平臺鑒定出43種代謝物，有39種化合物受到外源鈣的顯著影響，其中，33種代謝物在外源鈣作用下增多。

有關(guān)不同物種間代謝譜的比較研究，SON等[13]應用核磁共振技術(shù)（NMR）比較6個葡萄（Vitis vinifera）品種響應10℃條件的代謝譜，發(fā)現(xiàn)不同品種間代謝譜不同，3個品種的脯氨酸水平高，另外3個則反之。BENINA等[14]基于GC-MS平臺比較3個物種于21，4℃生長下的代謝譜，正常溫度下巴爾干苣苔（Haberlea rhodopensis）中棉子糖、蜜二糖、海藻糖、鼠李糖、肌醇、山梨糖醇、半乳糖、蘇糖酸、α-酮戊二酸、檸檬酸和甘油等含量高于其他2種；腐胺和延胡索酸含量在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中最高；鹽芥（Thellungiella halophyla）中具有高濃度的丙氨酸、β-丙氨酸、天冬酰胺、組氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸、絲氨酸、蘇氨酸；3個物種對低溫反應不一致，鹽芥合成較多的麥芽糖，擬南芥棉子糖合成量增多，而蔗糖含量在3個物種中均上升。VACLAVIK等[15]基于超高效液相-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（UPLC-MS）平臺分析8個擬南芥品系的低溫代謝譜，發(fā)現(xiàn)冷敏感型品系中3-丁烯基硫苷含量較高，而抗寒性品系中黃酮-3-醇糖苷合成量增加。總體上，不同物種響應低溫脅迫的代謝譜表現(xiàn)不同，也暗示出一些代謝產(chǎn)物在低溫脅迫下發(fā)揮著協(xié)同作用，由此可借助代謝組學方法來篩選抗寒性品種。

植物是一個復雜而精致的有機體，體內(nèi)代謝物的合成與分解總是處于微妙的動態(tài)平衡狀態(tài)以感應外部環(huán)境變化，維護機體的正常代謝。溫度引起許多代謝產(chǎn)物的變化，尤其是低溫影響更大，幼齡葉片中大約50%的代謝產(chǎn)物于低溫脅迫49 d時表現(xiàn)出顯著的變化，而成熟葉片在低溫脅迫28 d或49 d時代謝產(chǎn)物幾乎無變化[16]。對擬南芥響應低溫脅迫過程（0，4，12，24，48，96 h）的代謝產(chǎn)物動態(tài)變化分析，229種化合物的含量呈現(xiàn)出持續(xù)性或瞬間性增加或降低，其中，92種化合物為低溫脅迫初期時增加或降低，66種化合物發(fā)生在低溫脅迫下中間時段（12～24 h），71種化合物在低溫處理后期（48～96 h）降低或增加[6]。ROHLOFF等[17]基于GCMS技術(shù)檢測3個野草莓品系（Fragaria vesca）響應2℃下0，3，24，72，240 h時的代謝譜，發(fā)現(xiàn)在低溫脅迫下許多代謝產(chǎn)物于脅迫后期（72，240 h）合成量增加；而根系是植物最敏感的器官之一，其多數(shù)代謝物的水平高于植株地上部分，低溫對3個品系的代謝途徑的影響也不一致。由此可見，植物響應低溫脅迫其代謝產(chǎn)物在時間和空間都具有高度的動態(tài)性。

2 植物響應高溫脅迫代謝組學

從代謝組學方面對植物應答高溫脅迫進行研究的報道并不多見，KAPLAN等[6]發(fā)現(xiàn)高溫脅迫影響擬南芥體內(nèi)氨基酸、碳水化合物等代謝物的變化。許多氨基酸如天冬酰胺、亮氨酸、異亮氨酸、蘇氨酸、丙氨酸和纈氨酸，是由丙酮酸和草酰乙酸合成，這些氨基酸在高溫脅迫下增加；延胡索酸和蘋果酸是草酰乙酸的前體物，也在高溫脅迫下增加；此外，高溫會促進少數(shù)含氮化合物如β-丙氨酸、γ-氨基丁酸和腐胺含量上升；碳水化合物如麥芽糖、蔗糖、半乳糖醇、肌醇、棉子糖和單糖在高溫脅迫下積累。RIZHSKY等[18]研究結(jié)果與上述相似，擬南芥體內(nèi)β-丙氨酸、甘油、麥芽糖、蔗糖和海藻糖在高溫6 h時增加。由此可見，植物對高溫脅迫的響應方式是復雜多樣的，涉及多種氨基酸、碳水化合物及一些含氮化合物。植物在高溫脅迫時常常經(jīng)歷著干旱脅迫，RIZHSKY等[18]使用GC-MS技術(shù)研究擬南芥應答高溫和干旱復合脅迫下的代謝物變化，復合脅迫下植物積累可溶性糖如蔗糖、麥芽糖、海藻糖、果糖和葡萄糖等，脯氨酸含量僅在干旱脅迫下積累，而在高溫和干旱復合脅迫或高溫脅迫下脯氨酸含量均不增加。

DU等[19]通過GC-MS技術(shù)對狗牙根和草地早熟禾響應高溫脅迫的代謝譜進行分析，發(fā)現(xiàn)二者的36種代謝物發(fā)生改變，狗牙根尤其在脅迫18 d時，大多數(shù)代謝物的水平比草地早熟禾高，這些代謝物有7種糖類（蔗糖、果糖、半乳糖、紅藻糖、蜜二糖、麥芽糖、木糖）、1種糖醇（肌醇）、6種有機酸（蘋果酸、檸檬酸、異檸檬酸、蘇糖酸、半乳糖醛酸、甲基丙二酸）和9種氨基酸（天冬酰胺、丙氨酸、纈氨酸、蘇氨酸、γ-氨基丁酸、異亮氨酸、甘氨酸、賴氨酸和蛋氨酸）。該研究表明，對高溫脅迫的響應，不同物種之間代謝譜不同，不同脅迫階段表現(xiàn)的代謝譜也不一樣，植物體內(nèi)往往積累多種氨基酸和糖類物質(zhì)以增強植株的耐熱性。

3 溫度脅迫代謝譜的比較

植物對高溫和低溫反應的區(qū)別在于，低溫脅迫對代謝譜的影響更大于高溫脅迫，在低溫脅迫早期、中期、后期過程中，代謝產(chǎn)物相對均衡地發(fā)生變化；而在高溫脅迫過程時，最初30 min內(nèi)大多數(shù)代謝產(chǎn)物發(fā)生了明顯的變化；其次為高溫脅迫所產(chǎn)生的大部分代謝物也會在低溫脅迫下產(chǎn)生。KAPLAN等[6]通過GC-MS技術(shù)對響應40，4℃的擬南芥植株間的代謝產(chǎn)物進行比較，發(fā)現(xiàn)響應高溫脅迫所產(chǎn)生的大部分代謝物與低溫脅迫產(chǎn)生的代謝物相同，有143種代謝產(chǎn)物在高溫脅迫下發(fā)生顯著變化；311種代謝物在低溫脅迫下發(fā)生顯著改變，而其中大約60%代謝產(chǎn)物不受高溫影響。WIENKOOP等[20]使用GCMS檢測擬南芥植株響應熱脅迫和冷脅迫的代謝研究，也發(fā)現(xiàn)響應高溫脅迫所產(chǎn)生的大部分代謝物與低溫脅迫產(chǎn)生的代謝物相同，此外，結(jié)果還表明，脯氨酸、單糖（葡萄糖、果糖）、肌醇半乳糖苷和棉子糖等物質(zhì)對溫度脅迫具有重要作用。

總體上，植物體內(nèi)的氨基酸、三羧酸循環(huán)的中間代謝物、許多碳水化合物含量均會受到溫度脅迫的影響[10，16，18，19-22]。

4 展望

植物對溫度脅迫產(chǎn)生耐受性的過程中涉及諸多代謝物的變化。近10 a內(nèi)，從代謝水平上闡述生物響應不良環(huán)境的機理研究受到關(guān)注。代謝組學是針對所有代謝物進行分析，但是如今仍然沒有一種能適合所有代謝產(chǎn)物的提取和預處理方法，實際研究中只能根據(jù)不同的研究對象、目的和檢測手段而選擇不同的提取方法。代謝產(chǎn)物的檢測、分析和鑒定是代謝組學的核心技術(shù)，但是目前檢測分析技術(shù)和計算技術(shù)均不夠成熟和完善。大多數(shù)檢測技術(shù)最多只能分離出數(shù)百種代謝物，在實際操作中往往需要采用多種方法進行分析，然而不同檢測技術(shù)或不同儀器所獲得的數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換、整合分析及誤差校驗等還沒有準確而通用的方法，因此，今后要不斷完善和提高代謝組學分析系統(tǒng)的硬件、軟件技術(shù)，朝著整合化、自動化和高通量方向發(fā)展。代謝產(chǎn)物分析譜圖包含大量的信息，為了挖掘數(shù)據(jù)中潛在的信息，需要運用多種數(shù)學和統(tǒng)計學的分析工具，如主成分分析法[23]、聚類分析[24]、偏最小二乘判別分析[25-26]和辨別功能分析[27]等方法，而多種數(shù)據(jù)分析技術(shù)的開發(fā)研究十分重要。

生物適應脅迫環(huán)境是一種許多代謝產(chǎn)物和代謝途徑組成的動態(tài)變化的復雜過程。不同物種積累不同的代謝產(chǎn)物，代謝途徑也常常涉及到多種細胞器的協(xié)作，代謝組學技術(shù)應用到植物研究中還需要建立植物代謝的專門數(shù)據(jù)庫以及代謝模擬工具。為了更清晰地解釋抗逆性代謝物變化的機理，今后的研究需要整合代謝組學、轉(zhuǎn)錄組學和基因組學等數(shù)據(jù)[28]。

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Research Progress in the Metabolomics for Plants Response to Temperature Stress

ZHOULianyu，LI Yuanyuan，WANGWenni，ZHONGSong
（Educational MinistryLaboratoryofEnvironment and Resource in Qinghai-Tibet Platean，College ofLife Science and Geography，Qinghai Normal University，Xining810008，China）

Under acute temperature stress,a complexprocess involvinga number ofphysiological and biochemical changes occured within plants.One promise of systems biology was metabolomics that could be defined as the complete set of small-molecule metabolites within a biology,organ or cell for revealing the process and phenomenon of the life.Here,the paper highlighted a selection of recent publications in the temperature stress field,and the problems that need to be settled in time in metabolomics were prospected.These provided important information for introduction,acclimation,improvement,and breed ofplant cold hardeningor thermotolence.

plant;metabolomics;temperature stress

Q946

A文獻標識碼：1002-2481（2017）02-0317-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.02.42

2016-10-13

青海師范大學本科生科技創(chuàng)新項目（qhnuxskj2016019）；青海師范大學博士科研啟動經(jīng)費（080021323）

周連玉（1976-），女，湖南安仁人，副教授，博士，主要從事微生物學教學及科研工作。