植物代谢组学PPT

靶向分析方法
非靶向分析方法
代谢组学的应用领域
分子生理 学 药物研发
生分子病 理学
代谢组学
基因功能 组学
环境科学
营养学
其他
指数增长，高影响因子 学术刊物上发表的论文 较多，仅 nature 系列刊 物论文就达到 20余篇， 核心论文引用率高，其 中引用50次以上的有50 多篇， 100 次以上的有 11篇
(左)未过滤数据的聚类分析结果
(右)过滤后数据的聚类分析结果
红色线条 代表武汉的 转人血清白 蛋白基因的 水稻代谢物 样本 蓝色线条 代 表 武 汉 TP309 水稻代 谢物样本 黄色线条 代 表 海 口 TP309 水稻代 谢物样本
图 三组水稻代谢物原始数据的聚类分析结果
• 挥发性成分（VOCs）是植物代谢组中的一类关键致香成分 对于挥发性样品可以采用顶空固相微萃取、动态顶空采集 法的新技术进行样品采集。
泵 吸附管
净化的空气
涂有特殊吸附材 料(活性炭、 Tenax 系 列 、 Propak系列、等 ) 的石英纤维
顶空固相微萃取 操作过程
2、成分分析与鉴定
代谢组学的技术平台
目前最常用的 分离分析手段
色谱原理：色谱法利用不同物质在不同
相态的选择性分配，以流动相对固定相 中的混合物进行洗脱，混合物中不同的 物质会以不同的速度沿固定相移动，最 终达到分离的效果。如此，各组分得以 在色谱柱中彼此分离，顺序进入检测器 中被检测、记录下来。
柱色谱图
气相色谱(GC)
气液色谱(GLC) 气固色谱(GSC) 柱色谱
偏最小二乘法PLS 软独立建模分类法SIMCA
人工神将元网络ANN 在已有知识和假设的基础上，建立信息组， 然后利用所建立的信息组对未知数据实行 识别鉴定、归类查找和预测。
聚类分析：就是把事物按其相似程度进行 分类，并找出每一类事物共同特征的分析 工具。 聚类分析过程通常可分为以下步骤： 数据收集并且收集相应的变量 产生 一个相似矩阵 决定把目标总体细分为几 类 对每一种类别相应的定义 实施聚类 分析 产生结果
植物代谢物样品制备分为组织取样、匀浆、抽提、保 存和样品预处理等步骤。目前还没有适合所有代谢物的提 取方法，通常只能根据所要分析的代谢物特性及使用的分 析手段选择合适的提取方法，而提取时间、温度、溶剂组 成和质量及实验者的技巧等诸多因素也对样品制备产生很 大影响。 在分析之前通常用固相微萃取，固相萃取和亲和 色谱等方法进行预处理。
成 就
核磁共振（NMR）
核磁共振原理：指具有磁矩的原子核在高 强度磁场作用下，可吸收适宜频率的电磁 辐射，由低能态跃迁到高能态 的现象。如 1H、2D、13C、15N等原子核，都具有非零自 旋而有磁矩，能显示此现象。 优点：能够对样品实现非破坏性、无偏向 性，分析结果具有良好的客观性和重复性。 缺点：检测灵敏度较低，检测动态范围有 限，很难同时检测同一样品中含量相差很 大的物质。
质谱仪的基本结构及工作流程
电子倍增管及其阵列 离子计数器 感应电荷检测器 法拉第收集器
进样系统
离子源
质量分析器
检测器
计算机控制 与数据处理
电子轰击电离（EI） 化学电离（CI） 解吸电离（DI） 喷雾电离（SI）
扇形磁场 飞行时间质量分析器 四极杆质量分析器 四极杆离子阱 离子回旋共振质量分析器
质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。 从应用角度，质谱仪可以分为下面几类： 有机质谱仪： 气相色谱-质谱联用仪（GC/MS) 液相色谱-质谱联用仪（LC/MS) 其他有机质谱仪，主要有：基质辅助激光解吸飞行时间质 谱仪（MALDI-TOFMS)，富立叶变换质谱仪（FT-MS） 无机质谱仪： 火花源双聚焦质谱仪（SSMS） 感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS) 二次离子质谱仪（SIMS)
由于植物中代谢物的种类繁多，而目前可用的成分 检测和数据分析方法又多种多样，所以根据研究对象不 同，采用的样品制备、分离鉴定手段及数据分析方法各 不相同。
获得相应的生物标志物群， 发现未知代谢途径，从而揭 示生物体在特定时间、环境 下的整体功能状态，为解释 生命体的内在规律提供信息 和线索
1、样品的制备
植 物 代 谢 组 学
汇报人： 时间：2015年12月11号
目录
• • • • 植物代谢组学的研究背景与意义 植物代谢组学的研究方法 代谢组学在植物学中的应用 前景与展望
一：研究背景与意义
是研究一个 “基因组学反映了什么是可以发 生物系统中 所有组分成 生的，转录组学反映的是将要发生的， 分（基因、 蛋白质组学指出了赖以发生的，只有 mRNA 、蛋白 质等）的构 代谢组学才真正反映了已经发生的。” 成，以及在 ------许国旺 特 定条件下 这些组分间 的相互关系 的学科。
气路系统 进样系统 分离系统 温控系统 检测记录系统
高效液相色谱仪
高效液相色谱法原理
薄 层 色 谱
纸色谱分离叶绿素
Baidu Nhomakorabea
质谱原理：质谱分析是一种测量离子荷质
比（电荷-质量比）的分析方法，其基本原 理是使试样中各组分在离子源中发生电离， 生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加 速电场的作用，形成离子束，进入质量分 析器。在质量分析器中，再利用电场和磁 场使发生相反的速度色散，将它们分别聚 焦而得到质谱图，从而确定其质量。
与转录组学 和蛋白质组学相比，代谢组学的优点： 1、基因与蛋白质表达的微小变化会在代谢物上得到 放大，从而使检测更容易 2、代谢组学的研究不需要建立全基因测序及大量序 列标签（EST)的数据库 3、代谢物的研究种类远小于蛋白质的数目 4、研究中采用的技术通用
二：代谢组学的研究方 法
代谢组学分析流程包括： 1.样品的制备（-80℃下保存） 2.成分分析与鉴定 3.数据分析与解释
傅里叶变换红外光谱与质谱联用(FTIR/MS)
FTIR的工作原理：当样品经过红外光（通长波长在 0.8-25μm，4000-400/cm)的电磁辐射作用之后，在 一定的波长下，化学键吸收光能通过不同的方式发 生键的震动（拉伸或弯曲震动），并利用这些分子 中光的吸收和化学键的振动来鉴别代谢物组分。 优点：扫描速度快、光通量大、高分辨率、高信噪、 测定光谱范围宽。 缺点：不可区分异构物，且组分片段和一些络合离 子也对其有影响，由于离子抑制不能进行定量分析。
NMR
探头
永久磁铁 电磁铁 超导磁铁
磁体
成 就
Ward等(2003)用1H-NMR 对多种不同生态 型的拟南芥进行了代谢组分析, 在碳水化合物 和脂肪族物质中都发现了差异, 说明了植物代 谢物和生态型差异的相关性。Hyung-Kyoon等 (2004)用1H-NMR对野生型和过表水杨酸合成基 因的转基因烟草（Nicotiana tabacum)的叶片 和叶脉进行了研究, 通过进TMV嫁接和对照实 验, 得到多个峰值变化, 大部分峰被鉴定为氯原 酸、苹果酸和糖。此实验提供了一种有效的不 需过多步预处理程序的区分野生型和转基因植 物的方法。
成 就
Aharoni 等(2002)利用高分辨率的FTIR/MS联 用仪器对凤梨草莓(Fragaria ananassa)组织进 行了分析, 依据不同的质荷比找到了5848个 不同质量的物质, 并根据对化合物中高含量 的元素的精确质量测定估计了其中一半以 上物质的化学结构式。
4、海量数据分析
在不知任何相关知识背景的前提 下对样本信息进行分类，把具有 相似特征的目标数据归在相同的 源里，并用相应的可视化技术直 观的表达出来。 非线性映射NLM 谱图解析 数据 处理 统计学数据 分析 有监督方法 无监督方法 聚类分析HCA 主成分分析PCA 偏最小二乘法-判别分析PLS-DA 常 用
毛细管电泳与质谱联用CE/MS分离样品效率比普 通的色谱质谱联用要高得多，仅需要极少的进液 量，而且其测试时间短，试剂成本低。CE/MS在 微生物代谢组领域发挥着越来越重要的作用。
色谱质谱联用技术具有分离效率高、灵敏度 好以及经济实用等优点。但需要解决的主要问 题是：大量色谱峰的识别问题以及方法的重现 性问题。
红外线光谱技术（IR) 稀薄气液色谱技术（TLC) 高效液相色谱技术（HPLC) 高效毛细管电泳技术（HPCE) 毛细管电泳与紫外线吸光率检测联用技术（CE/UV) 毛细管电泳与激光诱导荧光检测联用技术（CE/LIF) 液相色谱与质谱先后使用技术（LC/MS/MS) 液相色谱与质谱和核磁共振技术功用(LC/NMR/MS) 气相色谱和质谱联用(GC/MS) 液相色谱和质谱联用(LC/MS) 毛细管电泳与质谱联用（CE/MS) 核磁共振技术(NMR) 以及傅里叶变换红外、光谱与质谱联用(FTIR/MS)
Tolstikov等(2003)用CE/MS对拟南芥进行代谢组分析, 分离效果远远超过了 Fiehn 等用 GC/MS 进行的先期工作 , 检测到超过700个不同的色谱峰值, 其中包括许多以前未 检测到的脂类化合物及次生代谢物。 Roessner 等 （ 2000,2002a,2001b) 利 用 GC/MS 对 马 铃 薯 （ Solanum tuberosum ‘Desiree’) 进行高 通量代谢物分析，同时检测 到150种化合物，其中77种被 鉴定为氨基酸、有机酸或糖。 利用 GC/MS 进行代谢组学研 究 的 代 表 性 工 作 是 Fiehn 等 （ 2000 ）的一系列有关植物 代谢的研究。他们用 GC/MS 对模式植物拟南芥的叶子提 取物进行了研究，定量分析 了326个化合物，并确定了其 中部分化合物的结构。 Fiehn(2003) 利 用 HPLC/MS 检 测 笋 瓜 （ Cucurbita maxima ‘Gelber Zentner ’) 叶柄和叶 片抽提物，检测到了超过 400 种 代 谢 物， 有 90 种 被 定性，其中大部分是氨基 酸 、 糖 和 糖 苷 。 Huhman 和 Sumner(2002) 在 紫 花 苜 蓿（Medicago sativa,Polish variety Kleszczewska) 和 蒺 藜 状 苜 蓿 （ Medicago truncatula) 中 各 鉴 定 出 15 和 27 个皂角甙，并在紫花 苜蓿中找到了 2 个新的乙 二酸皂角甙。
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（主要是相 对分子量1000以内的内源性小分子）的集合。 代谢组学：是通过考察生物体系（细胞、组 织或生物体）受到刺激或扰动后（如将某个特定 的基因变异或者环境变化后），其代谢产物的变 化或随时间的变化，来研究生物体系的一门科学------许国旺2008
液固色谱
液液色谱 离子交换色谱 空间排阻色谱 亲和色谱
正相分配色谱 反相分配色谱
色谱
液相色谱(LC)
平板色谱
薄层色谱TLC 纸色谱TLC 毛细管区带电泳 平面层电色谱 毛细管凝胶电泳 毛细管胶束电动色谱
电色谱 超临界色谱(SFC)
毛细管柱电色谱 毛细管电泳
毛细管等电聚焦
毛细管等速电泳
气 相 色 谱 仪
气相色谱和质谱联用（GC/MS) 液相色谱和质谱联用（LC/MS)
GC/MS和LC/MS可以同时检测出数百种化合物，包括糖 类、有机酸、氨基酸、脂肪酸和大量不同的次生代谢物。 LC/MS 中目前应用较广的是 高 • 衍生化是一种利用化学变换把化合物转化 GC/MS 有很好的分离 效液相色谱和质谱的联用 效率且相对较为经济， 成类似化学结构的物质。样品的衍生化的 （HPLC/MS)。 HPLC和GC原理相 但需要对样品进行衍 作用主要是把难于分析的物质转化为与其 似，但通常不需要衍生化，只 生化预处理，这一步 需要式样能够制成溶液，因此 化学结构相似但易于分析的物质，便于量 骤会耗费额外的时间， 不受样品挥发性的限制。对于 甚至引起样品的变化。 化和分离。 GC/MS无法分析膜脂 等热不稳定性的物质 和分子量较大的代谢 产物。 高沸点，热稳定性差、相对分 子质量大的有机物理论上都可 应用高效液相色谱法来进行分 离、分析。HPLC/MS选择性和灵 敏度都较好, 但分析的时间相对 较长, 且需依赖纯的参照物。