植物代謝專題｜如何利用多組學技術找出植物研究突破口

植物在時空和/或環境中產生大量的代謝產物，這不僅給植物代謝多樣性研究帶來了挑戰，也使植物成為識別代謝產物和解剖代謝途徑的理想模型。植物代謝產物在生長、細胞補充和整個植物資源分配以及植物適應不斷變化的環境中起著至關重要的作用。因此，代謝組通常被視為植物生理狀態的“讀數”以及基因型和表型之間的橋樑。越來越多的學者採用基因組學、轉錄組學和代謝組學等分析方法去探索植物代謝的多樣性以及植物細胞控制自身化學成分的潛在分子機制（Fang C et al。，2019）。下面就彙總幾篇植物代謝多組學研究案例思路，供老師們參考。

植物代謝組

【文章題目】The metabolomic landscape of rice heterosis highlights pathway biomarkers for predicting complex phenotypes

水稻雜種優勢的代謝組學景觀突出了代謝通路生物標誌物在預測複雜表型中的作用

【影響因子】8。005

【發表期刊】Plant Physiology

【發表時間】2021

【實驗路線】

步驟1：分別鑑定六個農藝性狀雜種優勢相關代謝分析物；

步驟2：性狀間雜種優勢代謝物相關性分析；

步驟3：雜種優勢富集的代謝通路分析，繪製水稻生殖性狀和營養性狀雜種優勢的代謝組學景觀；

步驟4：富集通路預測產量雜種優勢。

【總結】文章使用植物代謝組和機器學習演算法，繪製了水稻雜種優勢的代謝組學景觀，並探索了代謝通路生物標誌物在實現複雜表型的準確預測方面的應用潛力，進而為輔助育種提供新思路。

植物代謝組+轉錄組

【文章題目】Occurrence of antibiotics in Lettuce （Lactuca sativa L。） and Radish （Raphanus sativus L。） following organic soil fertilisation under plot-scale conditions： Crop and human health implications

大田條件下有機土壤施肥後生菜和蘿蔔中抗生素的發生：作物和人類健康的影響【影響因子】10。588

【發表期刊】Journal of Hazardous Materials

【發表時間】2022

【實驗路線】

步驟1：施肥產品中抗生素的分析；

步驟2：植物對 ABs 的吸收研究；

步驟3：植物農藝變化研究；

步驟4：植物代謝組研究；

步驟5：植物基因表達研究；

步驟6：人類健康影響研究。

【總結】該文使用不同施肥產品處理兩種蔬菜（生菜和蘿蔔），並在兩個生產週期中測量了肥料和農作物中 的ABs和 AB 轉化產物 （TPs）。此外，還使用植物代謝組和轉錄組方法研究了不同施肥產品處理對作物的影響，並評估了人類健康風險。結果發現在田間規模使用不同的施肥產品會導致植物吸收 ABs，吸收量取決於化合物種類和植物品種，但不影響植物農藝學、代謝組學和轉錄組學，且不會對人類健康構成威脅。另外植物多巴胺含量可作為有機肥的示蹤劑。

植物代謝組+蛋白組

【文章題目】Integrating proteomics and metabolomics approaches to elucidate the ripening process in white Psidium guajava

整合蛋白質組學和代謝組學方法以闡明白番石榴的成熟過程

【影響因子】9。231

【發表期刊】Journal of Hazardous Materials

【發表時間】2022

【實驗路線】

步驟1：蛋白組學分析；

步驟2：非靶標代謝組學及靶標代謝組學分析；

步驟3：蛋白組學及代謝組學聯合分析；

【總結】該文透過對白番石榴兩個成熟階段的不同果實組織使用蛋白質組學和代謝組學技術研究了白番石榴成熟過程中未描述的代謝途徑的調節。結果發現乙烯和脫落酸（ABA）訊號對白番石榴成熟過程中生化變化的調節有積極作用。該研究初步瞭解白番石榴成熟過程中外部感應和訊號轉導所涉及的分子機制，其中生長調節劑可以微調果實性狀的生化變化。

4。植物代謝組+轉錄組+蛋白組+microRNA測序

【文章題目】Multi-omics analysis reveals the molecular responses of Torreya grandis shoots to nanoplastic pollutant

多組學分析揭示香榧幼苗對奈米塑膠汙染物的分子響應機制

【影響因子】10。588

【發表期刊】Journal of Hazardous Materials

【發表時間】2022

【實驗路線】

步驟1：PSNPs處理對香榧幼苗生理生化指標的影響；

步驟2：PSNPs處理對香榧幼苗microRNAomic的影響；

步驟3：PSNPs處理對香榧幼苗蛋白組的影響；

步驟4：PSNPs處理對香榧幼苗代謝組的影響；

步驟5：PSNPs處理對萜類、苯丙素和類黃酮生物合成的影響。

【總結】該文使用植物代謝組、蛋白組、轉錄組、microRNA測序等技術系統地研究了聚苯乙烯奈米塑膠（PSNPs）對香榧（中國特有經濟樹種）幼苗的潛在毒性機制，研究表明PSNPs處理對香榧幼苗一系列化學和遺傳指標均有重要影響。比如PSNPs促進了TBARS含量和CAT、POD活性，降低了鐵、硫和鋅的濃度，PSNPs透過調節小RNA表達和蛋白水平來調節萜類和類黃酮的生物合成途徑，該研究為奈米塑膠對森林植物生長的影響提供了新的見解。

5。植物代謝組+微生物組+轉錄組

【文章題目】Plant flavones enrich rhizosphere Oxalobacteraceae to improve maize performance under nitrogen deprivation

植物黃酮類分泌物透過在根際富集草酸桿菌以改善玉米的缺氮性狀

【影響因子】17。352

【發表期刊】Nature Plants

【發表時間】2021

【實驗路線】

步驟1：沿縱向根軸的發育梯度在其轉錄組學結果中有所不同；

步驟2：根際細菌群落組成沿根縱軸移動，而真菌群落組成則不移動；

步驟3：沿縱向根區的根系轉錄組與根際微生物組的關聯分析；

步驟4：根轉錄組和根際微生物組的基因型依賴性變化與植物效能同步；

步驟5：類黃酮成分與根際微生物群組成和玉米生長特性一致；

步驟6：植物黃酮介導根際細菌類群的特異性變化，影響土壤中氮的捕獲

步驟7：黃酮條件下的根際微生物群足以恢復 lrt1 效能

步驟8：草桿菌科分離株對側根形成和植株生長的影響依賴於LRT1

【總結】該文使用多組學技術研究了缺氮條件下玉米根系結構與特定的功能微生物群落之間的反饋調節機制。研究發現玉米根系縱向發育區域的功能特性與特定的微生物多樣性相關；黃酮類根系分泌物可驅動玉米根際富集草酸桿菌，從而促進玉米生長與氮素吸收；在缺氮條件下，協調玉米根系與黃酮依賴性根際微生物—草酸桿菌之間相互作用的是突變體LRT1。研究揭示了玉米透過根系結構與根際特定微生物類群間的相互作用，從而改善玉米植株在缺氮下的性狀。這一發現可能為透過調節作物與有益土壤微生物間的相互作用來開發高產高營養的作物開闢新的途徑。

6。植物代謝組+空間代謝組+宏轉錄組

【文章題目】Novel metabolic interactions and environmental conditions mediate the boreal peatmoss-cyanobacteria mutualism

新的代謝相互作用和環境條件介導泥炭-藍藻共生

【影響因子】11。217

【發表期刊】ISME Journal

【發表時間】2022

【實驗路線】

步驟1：不同pH條件對泥炭蘚-念珠藻共生關係的影響；

步驟2：代謝交叉餵養研究；

步驟3：空間代謝組學研究；

步驟4：宏轉錄組學研究。

【總結】該文使用交叉餵養的方法，透過空間代謝組、植物代謝組和宏轉錄組學來表徵泥炭蘚（Sphagnum）和念珠藻屬藍藻（Nostoc cyanobacteria）之間的共生關係，闡明瞭廣泛存在的植物-藍藻共生的環境、代謝和生理基礎。研究發現海藻糖是泥炭蘚釋放的主要碳水化合物來源，而念珠藻與牛磺酸和磺乙酸等一起消耗了海藻糖。作為交換，念珠藻增加了嘌呤和氨基酸的分泌。該研究對預測泥炭地生態系統的碳和氮迴圈以及一般宿主-微生物相互作用的基礎具有重要意義。