植物代谢组学应用研究_现状与展望_张凤霞
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在非模式植物的次生代谢研究中，关联分析 方法同样有效。尽管没有基因组完整信息，但随 着 RNAseq 技术的飞速发展，许多非模式植物，特 别是药用植物的转录数据都已经获得，结合代谢 组学数据解析目标代谢途径的基因构成已经变得 非常程序化。例如，罂粟（ Papaver somniferum） 是
30
中国农业科技导报
15 卷
制取鸦片的主要原料，同时其提取物也是多种镇 静 剂 的 来 源，如 吗 啡 （ morphine ） 、蒂 巴 因 （ thebaine） 、诺斯卡品（ noscapine） 等，而诺斯卡品 还是临床效果很好的生物碱类抗癌药物。基于 此，罂粟生物碱合成途径的解析一直是令植物次 生代谢研究工作者着迷的研究热点之一。最近 Graham 课题组利用靶标代谢组学和 RNAseq 方 法对 271 株 F2 群体（ 由高产吗啡的亲本 HM1 与 高产诺斯卡品的亲本 HN1 杂交） 进行了检测，并 对两种数据进行关联分析确定在 HN1 亲本中，分 属 5 个不同酶家族的 10 个基因在基因组水平上 形成一个复合基因簇，研究者同时利用病毒诱导 基因沉默技术在罂粟体内验证了其中 6 个基因的 生化功能［6］。在植物次生代谢研究的过程中，必 须考虑到一个事实： 目前能够进行转基因操作的 植物还只是少数，如何验证目的基因的体内功能 就成为一个比较棘手的问题，当前利用合成生物 学技术对目标代谢途径在微生物宿主中进行重组 是一个比较可行的替代办法，该方法还兼具实际 应用价值［7，8］。
中国农业科技导报，2013，15（ 2） ： 28 － 32 Journal of Agricultural Science and Technology
植 物 代 谢 组 学 应 用 研 究 ——— 现 状 与 展 望
张凤霞， 王国栋*
（ 中国科学院遗传与发育生物学研究所，北京 100101）
摘 要：植物产生超过 20 万种代谢物（ 分子量小于 1 000 的有机化合物） ，这些代谢物在植物的生活史中发挥
拟南芥 和 番 茄 等 模 式 植 物 都 已 有 高 质 量 的 全基因组序列信息和非常完备的各类公共资源，
包括 cDNA 全长序列、各种形式的突变体和丰富 的 Microarray 数 据 信 息 （ www． genevestigator． com 和其他一些网站） ，这些都为模式植物基因功能 鉴定提供了条件。利用代谢组学和转录组学的整 合分析在模式植物未知基因（ 特别是那些缺失或 过量表达并不能引起可见表型变化的基因） 的功 能鉴定中已经有了很多成功报道。在这一过程中 最重要的就是关联分析，其 原 理 是“共 犯 原 则” （ Guilt-by-association） ，也就是说参与同一生物过 程中的基因（ 或代谢物） 通常是受同一个调控系 统控制的； 换而言之，同一生物过程中的基因（ 或 代谢物） 的变化规律是相似的。如果你所感兴趣 的生物途径中某一步基因其功能已被鉴定，通过 对不同组学数据的关联分析可以确定参与该生物 途径的其他候选基因。候选基因确定后就可以利 用反向遗传学或生化手段进行功能验证［5］。
ZHANG Feng-xia，WANG Guo-dong*
（ Institute of Genetics and Developmental Biology，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China）
Abstract： Plants collectively produce more than 200 000 organic chemicals （ molecular weight ＜ 1 000 ） ，which exhibit diverse physiological functions during the life cycle of plants． Thus，plant metabolomics now plays a fundamental role in plant biology and applied biotechnology． The association analysis of metabolomics and transcriptomics data （ or other omics data） is a powerful tool for elucidating the function of genes involved in plant metabolic network． In recent years，plant metabolomics exhibits new potentials to new research fields such as fluxome and cofactome analysis． We briefly discussed the current status and the applications of metabolomics as a plant functional genomics and system biology tool in this review， which was expected to provide a referance for understanding and studing meatbolomics． Key words： meatbolomics； fluxome； cofactome； system biology； gene function
着重要的生理功能。因此，植物代谢组学在现代植物生物学研究及其生物技术应用中发挥着非常重要的作
用。通过代谢组学和转录组学数据（ 或其他组学数据） 的关联分析，人们可以更加快速地解析参与代谢网络
的基因功能。最近，植物代谢组学在一些新兴的研究领域（ 如代谢流组学，辅酶因子组学等） 也扮演着越来越
重要的角色。对作为植物功能基因组学和系统生物学研究工具的代谢组学研究现状与展望做一个概述，以
收稿日期：2013-02-20； 接受日期：2013-03-25 基金项目：国家 973 计划项目（ 2012CB113900） 资助。 作者简介：张凤霞，博士，研究方向为植物代谢组学分析。Tel： 010-64806573； E-mail： zhangfx@ genetics． ac． cn。* 通讯作者： 王国
1． 2 植物主生代谢网络研究 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。在常规育种过程中，如何精确定量描述 农业性状一直是非常头疼的问题，也是影响常规 育种准确度的主要原因，许多科研人员也在尝试 利用代谢物（ 或代谢网络） 来定量表征产量、品质 等农业性状。农作物的产量、品质性状理论上讲 主要还是和植物主生代谢途径网络（ 包括包括光 合作用、糖酵解、三羧酸循环、呼吸途径、氨基酸和 脂肪酸代谢等） 直接相关。相关研究工作已经表 明（ 通常是对一套重组自交系或渐渗系进行群体 分析） 产量、品质等性状与所含化合物之间不是 简单的一一对应的线性关系（ 这与次生代谢研究 截然不同） ，而且不同的主生代谢物含量本身就 属于 数 量 遗 传 性 状———mQTL （ metabolic quantitative trait loci） 。
栋，研究员，博士生导师，主要从事植物功能代谢组学研究。Tel： 010-64806572； E-mail： gdwang@ genetics． ac． cn
2期
张凤霞等： 植物代谢组学应用研究———现状与展望
29
得益于其高通量和低成本的特点，植物代谢 组学的应用也从最初单纯的代谢分析、单一代谢 途径描述走向与其他组学技术结合，围绕特定的 生 物 学 问 题，来 共 同 揭 示 植 物 生 命 活 动 的 奥 秘。 作为一个新兴的学科，植物代谢组学是效仿基因 组学和蛋白质组学的研究思路，对生物体内所有 小分子代谢物进行全面的定性定量分析，并寻找 代谢物与植物生理变化的相对关系，确定其生理 功能 的 研 究 方 式，是 系 统 生 物 学 的 组 成 部 分 （ 图 2） 。从分析流程上讲可以分为样品制备、样 品分析和海量数据处理等三大部分［4，5］。本文将 从基础研究的角度就代谢组学在植物代谢研究中 几个主要方面的应用现状和前景做一个简要 综述。
制，植物代谢物先前并没有得到很好的挖掘。因 此，植物代谢组学（ 是指全面的定性定量研究植 物体内源性代谢产物） 这门以高通量、高灵敏度 现代分析仪器为硬件基础、全面的定性定量研究 生物体内源性代谢产物变化规律的学科从一开始 就受到人们极大的关注。从图 1 可以看出植物代 谢组学相关学术论文（ 英文） 的发表数量呈逐年 递增趋势。2012 年全球有许多国家层面的代谢 组学大项目获得了资助，也从另外一个侧面反映 了这一学科的方兴未艾［3］。
期为了解并研究相关领域提供参考。
关键词：代谢组学； 代谢流组学； 辅酶因子组学； 系统生物学； 基因功能
来自百度文库
doi：10． 3969 / j． issn． 1008-0864． 2013． 02． 05
中图分类号：Q591
文献标识码：A
文章编号：1008-0864（ 2013） 02-0028-05
The Applications of Metabolomics in Plant Biology ———Current Status and Prospective
1 植物代谢网络研究
1． 1 植物次生代谢网络研究 代谢组学在植物次生代谢网络研究中的角色
相对直接，主要是因为研究者所关心的就是化合 物本身（ 且通常是代谢途径的终产物） 含量变化， 所以包括后续的数据关联分析等步骤基本无需考 虑辅 酶 因 子、生 长 环 境 等 因 素 对 终 产 物 生 成 的 影响。
图 1 植物代谢组学相关学术论文（英文）年 发表数量统计结果
Fig． 1 The annual number of plant metabolomics papers．
注： 数据是由以“plant metabolomics”为关键词搜索 ISI Web of Knowledge 数据库所获得。 Note： Data were judged by searching in ISI Web of Knowledge database using“plant metabolomics”as the search term．
植物中的代谢物超过 20 万种（ 这里是指分 子量小于 1 000 的化合物） ，有维持植物生命活动 和生长发育所必需的初生代谢物，也有利用初生 代谢物生成的与植物抗病和抗逆关系密切的次生 代谢物。植物代谢物在不同器官中的组成与植物 的各种重要性状直接相关。激素小分子的发现是 一个很好的例子，在植物科学史上每一次激素小 分子化合物的化学结构和生理功能鉴定都会引领 一 次 学 术 浪 潮，例 如 最 近 独 角 金 内 酯 （ strigolactone） 的发现［1，2］。受分析技术条件的限
图 2 各种组学技术在植物系统生物学 研究中的相互关系
Fig． 2 The different levels of -omics data in plant system biology．
注： 其中代谢组学主要是通过研究代谢网络中各个要素（ 如底物， 产物，辅酶因子的浓度以及反应速度等） 的变化规律，确定影响生 物体最终生物学表型的分子构成和调控机制（ 通过与其他组学数 据整合） 。 Note： Plant metabolomics， which focus on all components in the metabolic network （ such as the substrate， product， cofactors and turnover rate etc） ，integrated with other-omics data，is aim to gain a more complete picture of living organisms．
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中国农业科技导报
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制取鸦片的主要原料，同时其提取物也是多种镇 静 剂 的 来 源，如 吗 啡 （ morphine ） 、蒂 巴 因 （ thebaine） 、诺斯卡品（ noscapine） 等，而诺斯卡品 还是临床效果很好的生物碱类抗癌药物。基于 此，罂粟生物碱合成途径的解析一直是令植物次 生代谢研究工作者着迷的研究热点之一。最近 Graham 课题组利用靶标代谢组学和 RNAseq 方 法对 271 株 F2 群体（ 由高产吗啡的亲本 HM1 与 高产诺斯卡品的亲本 HN1 杂交） 进行了检测，并 对两种数据进行关联分析确定在 HN1 亲本中，分 属 5 个不同酶家族的 10 个基因在基因组水平上 形成一个复合基因簇，研究者同时利用病毒诱导 基因沉默技术在罂粟体内验证了其中 6 个基因的 生化功能［6］。在植物次生代谢研究的过程中，必 须考虑到一个事实： 目前能够进行转基因操作的 植物还只是少数，如何验证目的基因的体内功能 就成为一个比较棘手的问题，当前利用合成生物 学技术对目标代谢途径在微生物宿主中进行重组 是一个比较可行的替代办法，该方法还兼具实际 应用价值［7，8］。
中国农业科技导报，2013，15（ 2） ： 28 － 32 Journal of Agricultural Science and Technology
植 物 代 谢 组 学 应 用 研 究 ——— 现 状 与 展 望
张凤霞， 王国栋*
（ 中国科学院遗传与发育生物学研究所，北京 100101）
摘 要：植物产生超过 20 万种代谢物（ 分子量小于 1 000 的有机化合物） ，这些代谢物在植物的生活史中发挥
拟南芥 和 番 茄 等 模 式 植 物 都 已 有 高 质 量 的 全基因组序列信息和非常完备的各类公共资源，
包括 cDNA 全长序列、各种形式的突变体和丰富 的 Microarray 数 据 信 息 （ www． genevestigator． com 和其他一些网站） ，这些都为模式植物基因功能 鉴定提供了条件。利用代谢组学和转录组学的整 合分析在模式植物未知基因（ 特别是那些缺失或 过量表达并不能引起可见表型变化的基因） 的功 能鉴定中已经有了很多成功报道。在这一过程中 最重要的就是关联分析，其 原 理 是“共 犯 原 则” （ Guilt-by-association） ，也就是说参与同一生物过 程中的基因（ 或代谢物） 通常是受同一个调控系 统控制的； 换而言之，同一生物过程中的基因（ 或 代谢物） 的变化规律是相似的。如果你所感兴趣 的生物途径中某一步基因其功能已被鉴定，通过 对不同组学数据的关联分析可以确定参与该生物 途径的其他候选基因。候选基因确定后就可以利 用反向遗传学或生化手段进行功能验证［5］。
ZHANG Feng-xia，WANG Guo-dong*
（ Institute of Genetics and Developmental Biology，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China）
Abstract： Plants collectively produce more than 200 000 organic chemicals （ molecular weight ＜ 1 000 ） ，which exhibit diverse physiological functions during the life cycle of plants． Thus，plant metabolomics now plays a fundamental role in plant biology and applied biotechnology． The association analysis of metabolomics and transcriptomics data （ or other omics data） is a powerful tool for elucidating the function of genes involved in plant metabolic network． In recent years，plant metabolomics exhibits new potentials to new research fields such as fluxome and cofactome analysis． We briefly discussed the current status and the applications of metabolomics as a plant functional genomics and system biology tool in this review， which was expected to provide a referance for understanding and studing meatbolomics． Key words： meatbolomics； fluxome； cofactome； system biology； gene function
着重要的生理功能。因此，植物代谢组学在现代植物生物学研究及其生物技术应用中发挥着非常重要的作
用。通过代谢组学和转录组学数据（ 或其他组学数据） 的关联分析，人们可以更加快速地解析参与代谢网络
的基因功能。最近，植物代谢组学在一些新兴的研究领域（ 如代谢流组学，辅酶因子组学等） 也扮演着越来越
重要的角色。对作为植物功能基因组学和系统生物学研究工具的代谢组学研究现状与展望做一个概述，以
收稿日期：2013-02-20； 接受日期：2013-03-25 基金项目：国家 973 计划项目（ 2012CB113900） 资助。 作者简介：张凤霞，博士，研究方向为植物代谢组学分析。Tel： 010-64806573； E-mail： zhangfx@ genetics． ac． cn。* 通讯作者： 王国
1． 2 植物主生代谢网络研究 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。在常规育种过程中，如何精确定量描述 农业性状一直是非常头疼的问题，也是影响常规 育种准确度的主要原因，许多科研人员也在尝试 利用代谢物（ 或代谢网络） 来定量表征产量、品质 等农业性状。农作物的产量、品质性状理论上讲 主要还是和植物主生代谢途径网络（ 包括包括光 合作用、糖酵解、三羧酸循环、呼吸途径、氨基酸和 脂肪酸代谢等） 直接相关。相关研究工作已经表 明（ 通常是对一套重组自交系或渐渗系进行群体 分析） 产量、品质等性状与所含化合物之间不是 简单的一一对应的线性关系（ 这与次生代谢研究 截然不同） ，而且不同的主生代谢物含量本身就 属于 数 量 遗 传 性 状———mQTL （ metabolic quantitative trait loci） 。
栋，研究员，博士生导师，主要从事植物功能代谢组学研究。Tel： 010-64806572； E-mail： gdwang@ genetics． ac． cn
2期
张凤霞等： 植物代谢组学应用研究———现状与展望
29
得益于其高通量和低成本的特点，植物代谢 组学的应用也从最初单纯的代谢分析、单一代谢 途径描述走向与其他组学技术结合，围绕特定的 生 物 学 问 题，来 共 同 揭 示 植 物 生 命 活 动 的 奥 秘。 作为一个新兴的学科，植物代谢组学是效仿基因 组学和蛋白质组学的研究思路，对生物体内所有 小分子代谢物进行全面的定性定量分析，并寻找 代谢物与植物生理变化的相对关系，确定其生理 功能 的 研 究 方 式，是 系 统 生 物 学 的 组 成 部 分 （ 图 2） 。从分析流程上讲可以分为样品制备、样 品分析和海量数据处理等三大部分［4，5］。本文将 从基础研究的角度就代谢组学在植物代谢研究中 几个主要方面的应用现状和前景做一个简要 综述。
制，植物代谢物先前并没有得到很好的挖掘。因 此，植物代谢组学（ 是指全面的定性定量研究植 物体内源性代谢产物） 这门以高通量、高灵敏度 现代分析仪器为硬件基础、全面的定性定量研究 生物体内源性代谢产物变化规律的学科从一开始 就受到人们极大的关注。从图 1 可以看出植物代 谢组学相关学术论文（ 英文） 的发表数量呈逐年 递增趋势。2012 年全球有许多国家层面的代谢 组学大项目获得了资助，也从另外一个侧面反映 了这一学科的方兴未艾［3］。
期为了解并研究相关领域提供参考。
关键词：代谢组学； 代谢流组学； 辅酶因子组学； 系统生物学； 基因功能
来自百度文库
doi：10． 3969 / j． issn． 1008-0864． 2013． 02． 05
中图分类号：Q591
文献标识码：A
文章编号：1008-0864（ 2013） 02-0028-05
The Applications of Metabolomics in Plant Biology ———Current Status and Prospective
1 植物代谢网络研究
1． 1 植物次生代谢网络研究 代谢组学在植物次生代谢网络研究中的角色
相对直接，主要是因为研究者所关心的就是化合 物本身（ 且通常是代谢途径的终产物） 含量变化， 所以包括后续的数据关联分析等步骤基本无需考 虑辅 酶 因 子、生 长 环 境 等 因 素 对 终 产 物 生 成 的 影响。
图 1 植物代谢组学相关学术论文（英文）年 发表数量统计结果
Fig． 1 The annual number of plant metabolomics papers．
注： 数据是由以“plant metabolomics”为关键词搜索 ISI Web of Knowledge 数据库所获得。 Note： Data were judged by searching in ISI Web of Knowledge database using“plant metabolomics”as the search term．
植物中的代谢物超过 20 万种（ 这里是指分 子量小于 1 000 的化合物） ，有维持植物生命活动 和生长发育所必需的初生代谢物，也有利用初生 代谢物生成的与植物抗病和抗逆关系密切的次生 代谢物。植物代谢物在不同器官中的组成与植物 的各种重要性状直接相关。激素小分子的发现是 一个很好的例子，在植物科学史上每一次激素小 分子化合物的化学结构和生理功能鉴定都会引领 一 次 学 术 浪 潮，例 如 最 近 独 角 金 内 酯 （ strigolactone） 的发现［1，2］。受分析技术条件的限
图 2 各种组学技术在植物系统生物学 研究中的相互关系
Fig． 2 The different levels of -omics data in plant system biology．
注： 其中代谢组学主要是通过研究代谢网络中各个要素（ 如底物， 产物，辅酶因子的浓度以及反应速度等） 的变化规律，确定影响生 物体最终生物学表型的分子构成和调控机制（ 通过与其他组学数 据整合） 。 Note： Plant metabolomics， which focus on all components in the metabolic network （ such as the substrate， product， cofactors and turnover rate etc） ，integrated with other-omics data，is aim to gain a more complete picture of living organisms．