代謝組學(xué)技術(shù)及在楊樹領(lǐng)域研究進(jìn)展

摘要：" 代謝組學(xué)技術(shù)在揭示楊樹響應(yīng)逆境脅迫的機(jī)制、改良樹木品質(zhì)方面發(fā)揮重要作用，對(duì)楊樹的速生、高產(chǎn)以及遺傳育種也具有重要意義。文章介紹常用代謝組學(xué)技術(shù)，論述了該技術(shù)在楊樹響應(yīng)逆境脅迫、輔助育種等方面的研究進(jìn)展，同時(shí)結(jié)合植物代謝組學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展分析該技術(shù)在楊樹研究中的潛力，并對(duì)未來的研究方向進(jìn)行合理展望。

關(guān)鍵詞：" 楊樹；" 代謝組學(xué)；" 非生物脅迫；" 生物脅迫；" 輔助育種

中圖分類號(hào)：" "S 792. 11" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：" "A" " " " " " " " 文章編號(hào)：１００1 － 9499（２０24）06 － 0043 － 08

Metabolomics Techniques and Research Progress in the Field of Poplar

WANG Shiqi

（Liaoning Research Institute of Poplar，" Liaoning Gaizhou 115200）

Abstract Metabonomics technology plays an important role in revealing the mechanism of poplar response to stress and improving tree quality， and is also of great significance for the rapid growth， high yield， and genetic breeding of poplar. Introduced commonly used metabolomics techniques， discussed the research progress of this technology. In response to adversity stress and assisted breeding of poplar trees， assisted breeding and other aspects. At the same time， combined with the application and development of plant metabolomics， the potential of this technique in poplar research is analyzed， and the future research direction is prospected reasonably.

Key words Poplar; metabolomics; abiotic stress;biotic stress; assisted selection

楊樹以其生長快速、易于無性繁殖以及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，成為了造林綠化的首選樹種，也是重要的工業(yè)用材樹種之一。此前研究人員一直致力于研究楊樹的化學(xué)組成[ 1 ]，然而植物體內(nèi)存在超過20萬種代謝物，不同品種間或同一品種不同組織中，代謝物的種類和數(shù)量差異也很大[ 2 ]，這些代謝物參與機(jī)體生化反應(yīng)，是代謝過程中的直接信號(hào)，也是遺傳物質(zhì)的最終產(chǎn)物，在植物生長發(fā)育、抗逆境脅迫等方面發(fā)揮重要作用，因此通過分析代謝物的差異來挖掘代謝途徑及其調(diào)控機(jī)理，解析遺傳基礎(chǔ)，有助于深入了解植物體代謝生物學(xué)過程。

繼基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)后，英國帝國理工大學(xué)教授Jeremy K.Nicholson首次提出了代謝組學(xué)的概念[ 3 ]。代謝組學(xué)旨在探索生物體在受到外界刺激時(shí)，其內(nèi)在的代謝產(chǎn)物組成變化及其相互作用的機(jī)制，目前已廣泛應(yīng)用在草本植物研究中，作為一種常見的木本模式植物，楊樹代謝產(chǎn)物的組成和含量對(duì)其表型有直接影響，利用代謝組學(xué)可以更好的解析楊樹基因功能，揭示楊樹響應(yīng)脅迫的生理機(jī)制[ 4 - 5 ]，對(duì)了解楊樹代謝途徑及機(jī)理并研究其生長發(fā)育、揭示響應(yīng)逆境脅迫的機(jī)制、改良樹木品質(zhì)有著重要作用[ 6 ]。本綜述旨在介紹常用的代謝組學(xué)技術(shù)，概述代謝組學(xué)在楊樹上的研究進(jìn)展，對(duì)代謝組學(xué)在楊樹上的應(yīng)用潛力進(jìn)行展望，以期為楊樹育種、栽培和病蟲害防治等研究提供可能方向，為楊樹的開發(fā)利用提供理論及新的思路。

1 代謝組學(xué)簡(jiǎn)介

由于基因組的變化不一定都能夠表達(dá)，所以未必對(duì)生物體產(chǎn)生影響；轉(zhuǎn)錄組反應(yīng)了將要發(fā)生的事情，不能直接對(duì)應(yīng)生物體表型；有些蛋白質(zhì)也可能由于條件的改變而失活；而代謝組與基因組、蛋白質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄組不同，反應(yīng)了正在或者已經(jīng)發(fā)生的事情，能夠更準(zhǔn)確的反映生物體系的狀態(tài)[ 7 ]。因此，代謝組學(xué)發(fā)展迅速，目前已廣泛應(yīng)用于番茄、大豆、馬鈴薯、擬南芥、煙草、水稻等植物[ 8 - 10 ]。代謝組學(xué)技術(shù)包括氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（Gas chromatography mass spectrometry，GC-MS）、液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（Liquid chromatography mass spectrometry，LC-MS），核磁共振波譜（Nuclear magnetic resonance，NMR）等。由于代謝物種類繁多、物理性質(zhì)差異很大且濃度變化范圍廣，因此若要提高靈敏度和準(zhǔn)確性，進(jìn)行全面分析，只靠一種分析手段難以滿足，往往需要色譜、質(zhì)譜、核磁共振和紅外光譜等多種技術(shù)配合使用[ 11 ]。

1. 1 研究技術(shù)

1. 1. 1 氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)

GC-MS技術(shù)是最早大規(guī)模應(yīng)用于植物代謝組學(xué)研究中的技術(shù)[ 12 ]，該方法適合分析熱穩(wěn)定、易揮發(fā)或經(jīng)衍生化后易揮發(fā)成分，不受復(fù)雜生物樣本中基質(zhì)效應(yīng)的干擾，靈敏度高，有大量可檢索的質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫支持定性分析[ 13 ]。GC-MS方法雖然可以同時(shí)檢測(cè)包括氨基酸、糖、有機(jī)酸和脂肪酸等多種代謝物，然而制備樣品時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也不適合檢測(cè)某些不穩(wěn)定的代謝物[ 14 ]；同時(shí)，在離子化過程中，電子轟擊施加的能量會(huì)使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定成分易于碎裂而難于檢測(cè)到化合物的分子離子峰[ 15 ]。段二龍等人應(yīng)用GC-MS技術(shù)對(duì)冷應(yīng)激和冷馴化處理后紅花玉蘭和白玉蘭莖尖組織的代謝物進(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)比分析了各階段主要差異代謝物和代謝途徑，探討了特定類別代謝物的性質(zhì)和功能，為進(jìn)一步改良抗寒能力提供了方向[ 16 ]。

1. 1. 2 液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)

LC-MS技術(shù)在代謝組學(xué)中最常用，與GC-MS相反，該方法適合測(cè)定不穩(wěn)定、難揮發(fā)的成分，檢測(cè)靈敏度、覆蓋度高，適用范圍廣[ 13 ]，適用于非靶向代謝物分析。近幾年來，LC-MS技術(shù)在植物代謝組學(xué)的研究中越來越受歡迎，高悅應(yīng)用LC-MS非靶向代謝組學(xué)技術(shù)，通過對(duì)生長在不同環(huán)境下（野生、室內(nèi)栽培和交互種植園栽培）太行菊屬植物的葉、花代謝物種類及數(shù)量進(jìn)行鑒定分析，篩選出差異代謝物進(jìn)行KEGG途徑富集，挖掘上調(diào)或下調(diào)代謝產(chǎn)物，探析太行菊屬植物對(duì)環(huán)境變化的代謝響應(yīng)機(jī)制[ 17 ]。周澤宇利用LC-MS對(duì)中性鹽和堿性鹽脅迫下的紫花苜蓿進(jìn)行代謝組學(xué)分析，篩選獲得特異響應(yīng)鹽和堿脅迫的候選代謝物質(zhì)和代謝途徑，揭示了紫花苜蓿響應(yīng)鹽和堿脅迫的生理機(jī)制[ 18 ]。

1. 1. 3 核磁共振波譜技術(shù)

NMR技術(shù)是一種原子級(jí)的分析方法，利用高磁場(chǎng)中原子核對(duì)射頻輻射的吸收光譜來對(duì)化合物進(jìn)行鑒定[ 19 ]，其中應(yīng)用最廣泛的是[ 1 ]H-NMR技術(shù)。NMR技術(shù)在代謝組學(xué)的領(lǐng)域中有許多優(yōu)勢(shì)，樣品制備分離過程簡(jiǎn)便，減少對(duì)樣品的破壞性，定量分析的重復(fù)性和準(zhǔn)確性高，同時(shí)具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)解析和無偏向檢測(cè)能力，對(duì)不同批次、不同時(shí)間的樣本均有較高靈敏度[ 20 ]。缺點(diǎn)是分辨率較低，獲取代謝物有限，通常不超過100個(gè)[ 21 - 22 ]。NMR技術(shù)通過代謝物化學(xué)位移和裂分的特征信號(hào)來進(jìn)行定性與定量分析，但是生物樣本成分復(fù)雜，濃度范圍可跨越8個(gè)數(shù)量級(jí)，眾多代謝物特征信號(hào)疊加，也使該技術(shù)的特異性降低[ 15 ]；同時(shí)，NMR技術(shù)在測(cè)定低含量成分時(shí)靈敏度遠(yuǎn)低于質(zhì)譜技術(shù)，這也限制了其在生物樣本中獲取信息的能力[ 23 ]，因此在植物代謝研究中應(yīng)用較少。

另外，超高效液相色譜（UPLC）和高分辨率質(zhì)譜技術(shù)在分離度、通量和靈敏性方面效果更好[ 24 ]，除此之外，還有傅里葉變換質(zhì)譜、傅里葉離子回旋共振等分析技術(shù)。在代謝組學(xué)分析中，還沒有能滿足所有要求的技術(shù)，需要根據(jù)檢測(cè)樣本的類型以及特定代謝產(chǎn)物特性，選擇最適合的檢測(cè)方法，或者通過不同技術(shù)的組合來達(dá)到全面檢測(cè)的目的。

1. 2 數(shù)據(jù)處理與分析

樣品經(jīng)代謝組學(xué)技術(shù)分析后會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，常規(guī)方法很難提取分析，因此需通過多變量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行降維和歸類分析。獲得原始數(shù)據(jù)后首先通過剔除奇異點(diǎn)、去除噪聲信號(hào)、基線校準(zhǔn)、峰對(duì)準(zhǔn)、峰識(shí)別等步驟進(jìn)行預(yù)處理[ 25 ]，接下來利用非監(jiān)督方法（unsupervised method）或監(jiān)督方法（supervised method）進(jìn)行數(shù)據(jù)特征的提取和選擇。非監(jiān)督模式分析是在無任何外界指導(dǎo)情況下考察整體性質(zhì)以及內(nèi)部變量各種關(guān)聯(lián)的分析方法[ 26 ]，包括聚類分析（（hierarchical clustering analysis，HCA）、主成分分析（principal component analysis，PCA）、非線性映射（non-linear mapping，NLM）等，當(dāng)組內(nèi)差異較小而組間差異大時(shí)，非監(jiān)督分析能明顯區(qū)別組間差異；當(dāng)組內(nèi)差異很大但組間差異不明顯時(shí)，不能忽略組內(nèi)差異[ 27 ]，此時(shí)運(yùn)用非監(jiān)督分析存在一定局限性。監(jiān)督模式分析是將先驗(yàn)的類別信息或假設(shè)條件整合到模式識(shí)別中，并對(duì)未知數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)、歸類和預(yù)測(cè)的分析方法[ 28 ]，包括偏最小二乘法分析（partial least squares，PLS）、線性判別分析法（linear discriminant analysis，LDA）、偏最小二乘法辨別分析（partial least squares discriminant analysis，PLS-DA）、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（neutral network，ANN）等，監(jiān)督分析先將樣品按類別分組，再進(jìn)行分析，可忽略組內(nèi)隨機(jī)誤差，重點(diǎn)分析組間誤差[ 29 ]。

經(jīng)預(yù)處理整合、提取后的數(shù)據(jù)可建成代謝數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)代謝物分析檢索提供支持[ 30 ]。目前網(wǎng)絡(luò)資源的數(shù)據(jù)庫不少于百種[ 31 ]，可分為參考譜圖數(shù)據(jù)庫、代謝途徑數(shù)據(jù)庫、化合物信息數(shù)據(jù)庫和代謝組學(xué)實(shí)驗(yàn)室信息管理數(shù)據(jù)庫[ 32 ]。常用的如Metlin譜圖數(shù)據(jù)庫（http：//metlin.scripps.edu/index.php）、KEGG代謝途徑數(shù)據(jù)庫（http：//www.genome.jp/kegg/）[ 33 ]、PubChem化合物信息數(shù)據(jù)庫（http：//pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/）等[ 34 ]。

2 楊樹代謝組對(duì)非生物脅迫的響應(yīng)

楊樹遭鹽脅迫后，受到滲透壓脅迫和離子毒害影響而產(chǎn)生的一系列次生效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重危害樹木生長發(fā)育[ 35 ]。代謝組學(xué)有助于了解楊樹不同品種間耐鹽機(jī)制的差異，以及不同耐鹽響應(yīng)信號(hào)的互作方式，對(duì)提高鹽脅迫下樹木生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)鹽堿地生態(tài)恢復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義[ 36 ]，因此在探究楊樹鹽脅迫下生理機(jī)制方面有著較為廣泛的應(yīng)用。胡楊（Populus euphratica）天然生長于鹽害地區(qū)，具有較高的耐鹽性，利用代謝組學(xué)揭示這是由于胡楊面對(duì)鹽脅迫時(shí)表現(xiàn)出滲透調(diào)節(jié)、離子區(qū)隔化和活性氧解毒的永久激活控制機(jī)制[ 37 ]。代謝組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的通路分析也揭示了與灰楊（Populus canescens）相比，胡楊的初級(jí)糖積累更強(qiáng)，糖醇產(chǎn)生途徑更活躍，次級(jí)代謝物的消耗更快。以鹽脅迫下具有中等耐鹽性的美洲黑楊無性系后代南林895楊為研究對(duì)象，基于超高效液相色譜-四極桿-飛行時(shí)間質(zhì)譜（ultra performance liquid chromatography coupled with tandemquadrupole time-offlight mass spectrometry，UHPLC-QTOF-MS）分析葉片的代謝物變化情況，結(jié)合RT-qPCR技術(shù)檢測(cè)差異代謝通路的關(guān)鍵基因表達(dá)，從能量轉(zhuǎn)換和碳氮代謝等方面揭示了主要次生代謝產(chǎn)物對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)機(jī)制，最終得到115個(gè)差異代謝物并篩選出5條受到強(qiáng)烈影響的代謝通路，發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下南林895楊的同化物分解速度和TCA循環(huán)過程加快，總糖含量增加，而與生長有關(guān)的激素和核酸含量減少，同時(shí)植物通過減少酚類合成，調(diào)節(jié)各類氨基酸代謝，從而形成一套較為復(fù)雜的保護(hù)機(jī)制以響應(yīng)鹽脅迫[ 38 ]。作為與鹽脅迫密切相關(guān)的應(yīng)激代謝產(chǎn)物，-氨基丁酸（GABA）參與調(diào)控三羧酸（TCA） 循環(huán)、脯氨酸代謝和多胺代謝，還影響植物激素和活性氧的合成，已有大量關(guān)于草本植物的研究證明小分子代謝物GABA參與植物多種生理過程，調(diào)控植物逆境適應(yīng)機(jī)制，并在碳氮代謝中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但其在木本植物中的抗逆機(jī)制還未得到足夠重視。針對(duì)GABA在鹽脅迫下的功能研究，以84K楊為試驗(yàn)材料，通過短期水培鹽脅迫和添加外源GABA的長期土培鹽脅迫處理，達(dá)到從生理代謝和轉(zhuǎn)錄代謝水平兩個(gè)角度系統(tǒng)剖析鹽脅迫條件下楊樹幼苗GABA支路及相關(guān)碳氮代謝響應(yīng)的目的，結(jié)果顯示短期水培鹽脅迫下，楊樹通過激活GABA支路活性和抑制TCA循環(huán)關(guān)鍵中間代謝物兩種途徑調(diào)節(jié)碳氮平衡，施加外源GABA能夠顯著調(diào)節(jié)激素信號(hào)和基因表達(dá)、影響抗氧化物質(zhì)含量，通過代謝組分析發(fā)現(xiàn)外源GABA除了影響鹽脅迫下的非結(jié)構(gòu)性代謝物之外，還影響鹽脅迫下莖的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物，可通過改變莖中碳氮代謝和誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)性碳水化合物合成，從而增加鹽脅迫下楊樹植株莖生物量。利用代謝組結(jié)合轉(zhuǎn)錄組的方法對(duì)GABA調(diào)控楊樹鹽脅迫下響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行深入解析，不僅彌補(bǔ)了GABA在木本模式植物研究中的空白，還首次證明了外源GABA通過直接影響鹽脅迫環(huán)境下楊樹碳固定能力及光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)和分配，正調(diào)控鹽脅迫下楊樹生長[ 39 ]。

另外，高溫不僅限制植物生長發(fā)育，還影響植物的多種代謝過程，為適應(yīng)高溫脅迫，植物會(huì)增加滲透調(diào)節(jié)劑、各類代謝物及激素等，而關(guān)于楊樹對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)機(jī)制研究多集中在種群、個(gè)體、器官和細(xì)胞水平上，分子水平上雖有楊樹高溫轉(zhuǎn)錄組的相關(guān)報(bào)道，但還未見代謝組研究和代謝聯(lián)合多組學(xué)分析，因此探究高溫脅迫相關(guān)基因和代謝物變化，有利于培育楊樹耐脅迫品種?；贕C-MS代謝組學(xué)技術(shù)測(cè)定高溫下毛白楊葉片的差異代謝物，篩選出67個(gè)差異代謝物，其中高溫脅迫下的N-甲基-DL-丙氨酸等6種代謝物含量顯著上升，而瓜氨酸等含量顯著下降[ 40 ]，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)高溫脅迫下，毛白楊呼吸作用中的糖酵解路徑增強(qiáng)，TCA循環(huán)受到抑制。該研究不僅利用代謝組學(xué)技術(shù)從分子水平上闡釋了楊樹對(duì)高溫響應(yīng)的調(diào)控機(jī)制，還聯(lián)合轉(zhuǎn)錄組鑒定出了參與高溫應(yīng)答的關(guān)鍵差異基因，為楊樹響應(yīng)高溫脅迫的生理生化、代謝和轉(zhuǎn)錄調(diào)控等研究都提供了重要的參考依據(jù)。

近些年，除了全球氣候變暖導(dǎo)致的高溫影響植物生長，頻繁降雨倒逼植物耐澇性提高，因此專家學(xué)者們開始從生理代謝、能量代謝、抗氧化過程和轉(zhuǎn)錄因子等各方面探究植物耐澇機(jī)理。楊樹以其優(yōu)越的耐澇性成為目前淡水澇漬地重要的造林樹種之一，為深入挖掘楊樹的耐澇機(jī)理，從44個(gè)I-69楊和小葉楊雜交F1子代中篩選出最耐澇和最不耐澇的兩個(gè)個(gè)體，采用GC-MS技術(shù)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)聯(lián)合方法分析了子代中耐澇型和敏感型無性系的生理機(jī)制和分子機(jī)理。結(jié)果顯示淹水處理后兩個(gè)子代個(gè)體的根系糖酵解代謝、乳酸發(fā)酵和乙醇發(fā)酵活性均有增強(qiáng)，而TCA循環(huán)代謝活性受到嚴(yán)重抑制，耐澇型個(gè)體的無氧呼吸過程由乙醇發(fā)酵主導(dǎo)，乳酸發(fā)酵僅在無氧呼吸啟動(dòng)時(shí)發(fā)生；而在敏感型個(gè)體中，乳酸發(fā)酵在整個(gè)無氧呼吸過程始終保持著高活性，同時(shí)13個(gè)與能量或O2消耗有關(guān)的差異表達(dá)基因在耐澇型個(gè)體中的表達(dá)量顯著低于敏感型個(gè)體，因此耐澇型個(gè)體具有更強(qiáng)抵御淹水脅迫的能力是源于其具有相對(duì)中低活性的耗能或O2代謝。而后基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)篩選出與抗?jié)承韵嚓P(guān)的AP2/ERF家族的3個(gè)轉(zhuǎn)錄因子為候選基因，并對(duì)候選基因進(jìn)行了克隆及遺傳轉(zhuǎn)化，從形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)、代謝水平、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控等多層次闡明楊樹耐澇生理和分子機(jī)理，鑒定調(diào)控楊樹耐澇性的關(guān)鍵基因，為培育耐澇性楊樹新品種奠定重要基礎(chǔ)[ 41 ]。

面對(duì)水資源緊張給植物帶來的干旱制約，大量專家學(xué)者聚焦植物自身生物學(xué)特性，提出了不同的節(jié)水灌溉新模式。而利用代謝組學(xué)研究楊樹在不同灌溉或栽培方式下代謝產(chǎn)物的差異，并分析相對(duì)應(yīng)的代謝通路，能夠揭示不同模式下楊樹生長發(fā)育及代謝情況的差異，從而挖掘植物自身的抗旱潛力。以飽和灌溉、分根灌溉和虧缺灌溉三種供水處理下84K楊樹為材料，從植株生理、蛋白組和代謝組三個(gè)角度進(jìn)行差異化分析，結(jié)果顯示干旱脅迫下，84K楊樹的苯丙酸等4種代謝物含量均顯著增加，而分根灌溉方式可以刺激側(cè)吸收根生長，進(jìn)而促進(jìn)植株吸水，提高植株水分的利用率，同時(shí)分根灌溉處理下苯丙氨酸、醇類、大部分碳水化合物、有機(jī)酸和氨基酸含量有顯著差異，通過代謝通路分析表明84K楊響應(yīng)干旱刺激時(shí)有機(jī)酸和氨基酸大量積累，TCA循環(huán)增強(qiáng)，隨之碳水化合物含量增加，苯丙氨酸代謝和糖代謝增強(qiáng)，以此緩解脅迫的負(fù)面影響，提高植物抗逆性。嘌呤化合物是代謝調(diào)節(jié)劑和代謝反應(yīng)中間體，參與植物生長和發(fā)育，對(duì)多種細(xì)胞過程也具有重要意義，基于蛋白組和代謝組聯(lián)合分析，分根灌溉下，84K楊嘧啶代謝和嘌呤代謝通路顯著性富集，尿素含量增加，促進(jìn)細(xì)胞伸長和分裂，提高抗脅迫能力，有助于楊樹生長和發(fā)育，該研究初步探索了84K楊樹適應(yīng)分根灌溉的生理機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)楊樹的高效節(jié)水栽培和分子育種提供了依據(jù)[ 42 ]。

UV-B輻射也是一種典型的環(huán)境脅迫因子，這種紫外輻射能夠影響植物形態(tài)建成、改變細(xì)胞膜通透性、降低光合作用葉綠素產(chǎn)量、促進(jìn)相關(guān)次生代謝產(chǎn)物合成。為了解楊樹抵御UV-B輻射的次生代謝調(diào)控及相關(guān)生理響應(yīng)機(jī)制，有學(xué)者利用UPCL-

MS/MS代謝組學(xué)技術(shù)檢測(cè)了84K楊在不同UV-B輻射時(shí)長下主要防御性次生代謝產(chǎn)物酚酸類化合物的含量變化規(guī)律，結(jié)果顯示適宜的UV-B輻射能夠促進(jìn)84K楊組培苗體內(nèi)6種酚酸類化合物的合成積累，總體呈現(xiàn)先下降后上升最終再下降的趨勢(shì)[ 43 ]，結(jié)合qRT-PCR方法明析UV-B輻射能損壞植物細(xì)胞內(nèi)功能大分子，激活多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑，從而觸發(fā)了酚酸生物合成路徑中CAL、C4H、4CL三種調(diào)控酶基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，使酚酸類化合物過量合成，進(jìn)而起到防御作用，形成植物自我保護(hù)。

3 楊樹代謝組對(duì)生物脅迫的響應(yīng)

病蟲害問題對(duì)楊樹的健康生長存在巨大威脅，是楊樹生長過程中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的因素。其中，楊樹潰瘍病菌會(huì)侵染楊樹導(dǎo)致枝條腐爛、枯死甚至整株死亡[ 44 ]，葉銹病菌會(huì)使受害葉片背面密生夏孢子堆，阻礙光合作用，導(dǎo)致葉片枯萎脫落，嚴(yán)重危害楊樹生長[ 45 ]。在長期的協(xié)同作用進(jìn)化下，楊樹對(duì)這類病原菌的侵染已經(jīng)形成特定的適應(yīng)機(jī)制，利用代謝組學(xué)技術(shù)檢測(cè)代謝物可以明確植物染病后的生理和病理狀態(tài)，反映代謝途徑的變化。朱瑋等人很早就對(duì)楊樹與潰瘍病菌互作過程的生理和代謝物進(jìn)行了研究，測(cè)定了潰瘍病菌毒素粗提物和代謝產(chǎn)物對(duì)楊樹葉片形態(tài)、脯氨酸含量和細(xì)胞膜通透性等的影響，結(jié)果顯示兩者均可導(dǎo)致楊樹葉片出現(xiàn)黑斑和萎蔫，增加葉片細(xì)胞膜透性和脯氨酸含量[ 46 ]，但楊樹與潰瘍病菌的互作系統(tǒng)極其復(fù)雜，要想深入探究互作系統(tǒng)的響應(yīng)機(jī)制，闡明其中蘊(yùn)含的分子機(jī)理，還需進(jìn)一步開展基因調(diào)控、蛋白質(zhì)表達(dá)以及次生代謝變化等方面的研究。以毛白楊和北京楊為試驗(yàn)材料，基于LC-MS代謝組學(xué)技術(shù)分析顯示相同條件下毛白楊中沒食子酸、兒茶酸、苯酚含量顯著高于北京楊，受潰瘍病菌侵染后毛白楊中酚類物質(zhì)合成能力迅速增加，而北京楊僅在感病后期酚類物質(zhì)才有一定積累，對(duì)2個(gè)品種楊樹接種潰瘍病菌后的次生代謝產(chǎn)物分別進(jìn)行定性和定量分析發(fā)現(xiàn)55個(gè)差異代謝物，進(jìn)一步從抗病毛白楊品種莖干部分離并鑒定出白楊苷等5種主要差異代謝物，這5種酚苷類化合物極可能是毛白楊抗病性物質(zhì)，這一發(fā)現(xiàn)是楊樹和潰瘍病菌的互作機(jī)制研究中的突破性進(jìn)展[ 47 ]。在楊樹葉銹病的研究中，通過對(duì)健康和染病楊樹葉片代謝物的檢測(cè)分析，明確代謝物種類和含量發(fā)生的變化，找出了其中可以提高楊樹抗性的10種關(guān)鍵小分子代謝物[ 48 ]，對(duì)后續(xù)預(yù)防和治療楊樹銹病提供了科學(xué)依據(jù)。基因和蛋白表達(dá)的變化最終體現(xiàn)在次生代謝產(chǎn)物的變化，而次生代謝物的種類和含量直接表現(xiàn)為植物體的生理和病理狀態(tài)，因此基于代謝組學(xué)的多組學(xué)聯(lián)合分析有助于了解楊樹抗病性的遺傳基礎(chǔ)和抗病基因的表達(dá)過程，增加楊樹抗病品種選育的有效性，縮短育種周期。

另外，林業(yè)有害生物也嚴(yán)重影響樹木的質(zhì)量和產(chǎn)量，不利于林業(yè)可持續(xù)發(fā)展。植物的某些次生代謝產(chǎn)物在害蟲體內(nèi)逐漸累積，會(huì)阻礙昆蟲消化和代謝過程的正常進(jìn)行，影響昆蟲生長和繁殖，嚴(yán)重可致其死亡。天牛是常見的蛀干害蟲，可通過取食楊樹木質(zhì)部致其空心，造成樹木風(fēng)折，甚至死亡。已有研究表明，單寧類代謝產(chǎn)物在楊樹抵抗天牛蟲害威脅過程中發(fā)揮重要作用，大量單寧能夠有效降低天牛蟲口密度，提高楊樹抗蟲害威脅能力[ 49 ]，其中酚類化合物還能夠減緩天牛幼蟲的發(fā)育成熟，降低幼蟲期重量和成蟲產(chǎn)卵痕密度[ 50 ]。豆曉潔為挖掘楊樹對(duì)青楊天牛防御反應(yīng)中發(fā)揮主要作用的組分，通過GC-MS技術(shù)分析小黑楊和銀中楊2種楊樹品系被青楊天牛產(chǎn)卵危害或者機(jī)械損傷后，楊枝樹皮部的代謝產(chǎn)物變化情況，分析代謝圖譜并進(jìn)行定性和定量分析，結(jié)果顯示不同處理的代謝物種類雖未發(fā)生變化，但代謝物的平均含量變化很大，進(jìn)而代謝途徑也發(fā)生改變，因此基于代謝組學(xué)成功篩選某些含量較高的特異性代謝物，結(jié)合其改變代謝途徑的相關(guān)信息，我們得知楊樹被危害后會(huì)啟動(dòng)自身防御應(yīng)答機(jī)制來抵御“非我”物質(zhì)，這也為青楊天牛的科學(xué)防治提供方向[ 51 ]。

4 楊樹的代謝組輔助育種

植物適應(yīng)環(huán)境的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的次生代謝產(chǎn)物，這些代謝物不僅是細(xì)胞的主要組成成分，還參與調(diào)控植物生長成熟和響應(yīng)脅迫等過程[ 52 ]。代謝組學(xué)技術(shù)能夠鑒定植物體內(nèi)很多重要代謝物，揭示這些代謝物的生物學(xué)功能和生物合成途徑，此外代謝組學(xué)結(jié)合QTL分析還能夠鑒定積累有用代謝產(chǎn)物的QTLs，并對(duì)特定代謝表型位點(diǎn)進(jìn)行定位[ 53 ]，從而闡明代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[ 54 ]；結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)分析有助于挖掘調(diào)控代謝物水平的候選基因，鑒定并注釋影響代謝表型的基因[ 55 ]。

基于代謝的全基因組關(guān)聯(lián)分析（Metabolome- based genome-wide association studies， mGWAS）是聯(lián)合代謝組學(xué)與全基因組分析來研究植物中某些重要代謝性狀的遺傳基礎(chǔ)和調(diào)控機(jī)制的方法，通過這種方式可將代謝產(chǎn)物看作數(shù)量性狀，在全基因組范圍內(nèi)鑒定分子標(biāo)記與代謝性狀的顯著關(guān)聯(lián)關(guān)系。研究人員利用廣泛靶向代謝組學(xué)技術(shù)探究300株不同基因型毛白楊葉片的類黃酮變異模式，在對(duì)類黃酮代謝物進(jìn)行廣義遺傳力分析后發(fā)現(xiàn)可根據(jù)69個(gè)具有高遺傳力的代謝物將毛白楊分為三個(gè)亞群，又通過全基因組聯(lián)合分析鑒定挖掘控制類黃酮形成的關(guān)鍵遺傳標(biāo)記和基因，首次構(gòu)建了毛白楊的類黃酮生物合成網(wǎng)絡(luò)，這有利于進(jìn)一步解析楊樹類黃酮代謝物的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，也為林木分子輔助育種提供了基因資源和重要依據(jù)[ 56 ]。此外，姚良臣也采用mGWAS分析方法以毛白楊為試驗(yàn)材料，揭示了綠原酸合成過程中關(guān)鍵代謝物的遺傳結(jié)構(gòu)，進(jìn)而挖掘了候選遺傳標(biāo)記位點(diǎn)的顯性和加性遺傳效應(yīng)，同時(shí)驗(yàn)證了在干旱的毛白楊群體中，鑒定出的候選基因能夠協(xié)同促進(jìn)綠原酸積累以適應(yīng)干旱脅迫[ 57 ]。這些生物標(biāo)志物的種類和含量在不同環(huán)境條件下存在特異性差異，與植物生物量等植物表型顯著相關(guān)，在有特定目標(biāo)的林木選擇過程中具有重要意義，因此代謝組學(xué)與GWAS的關(guān)聯(lián)分析能夠提高楊樹品種改良的遺傳增益速度，輔助楊樹分子育種的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

5 楊樹代謝組學(xué)其他應(yīng)用

楊樹作為我國北方最重要的用材林樹種之一，對(duì)其木材形成過程的研究具有重要意義。目前人工林普遍存在磷素可用性低的問題，嚴(yán)重制約了用材林木材的生產(chǎn)，有研究發(fā)現(xiàn)，添加磷可以加快樹干基部的徑向生長[ 58 ]，因此揭示磷素對(duì)楊樹木材形成和發(fā)育的調(diào)控機(jī)制，不僅能夠幫助了解磷素變化與木材生長的內(nèi)在聯(lián)系，還為今后楊樹新品種培育奠定基礎(chǔ)。以84K楊為試驗(yàn)材料進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，利用代謝組學(xué)技術(shù)研究磷素變化過程中相應(yīng)的代謝物變化，發(fā)現(xiàn)磷虧缺和磷過量情況下，楊樹木材的次級(jí)代謝活動(dòng)均顯著增強(qiáng)，花青素等次級(jí)代謝產(chǎn)物水平也顯著升高，同時(shí)明確低磷能夠抑制核苷酸糖合成，導(dǎo)致木材纖維素含量降低，從而使木材形成受阻，而高磷能夠增大使木材導(dǎo)管單元直徑，加快水分供給，促進(jìn)楊樹生長發(fā)育[ 59 ]。通過研究磷素變化時(shí)楊樹木材的代謝物和代謝通路，構(gòu)建木材代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，明確關(guān)鍵代謝物，揭示楊樹適應(yīng)磷素變化的生理和代謝機(jī)制，為今后在磷素可用性低的立地條件下，楊樹木材產(chǎn)量與質(zhì)量的提高提供科學(xué)依據(jù)。

土壤中對(duì)羥基苯甲酸的積累影響楊樹正常生長，導(dǎo)致其連作障礙。為探究楊樹響應(yīng)對(duì)羥基苯甲酸的調(diào)控機(jī)制，以‘84K楊’為試驗(yàn)材料，通過LC-MS代謝組學(xué)技術(shù)鑒定到脅迫后葉片內(nèi)含有的126個(gè)差異代謝物，其中以脂類、氨基酸及氨基酸衍生物類和核苷酸及核苷酸衍生物類化合物為主。進(jìn)一步結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，嘌呤代謝和咖啡因代謝通路是楊樹響應(yīng)對(duì)羥基苯甲酸脅迫的主要代謝通路，代謝物3'，5'-環(huán)鳥苷酸、3'，5'-環(huán)腺苷酸和差異基因XDH可能發(fā)揮關(guān)鍵作用[ 60 ]。利用多組學(xué)聯(lián)合分析有助于解析楊樹應(yīng)答對(duì)羥基苯甲酸脅迫的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為今后利用基因工程手段或栽培技術(shù)緩解楊樹連作障礙的研究提供理論。

6 總結(jié)與展望

作為系統(tǒng)生物學(xué)的重要分支，代謝組學(xué)近十年來已在楊樹生長發(fā)育、響應(yīng)逆境脅迫等研究中取得一定進(jìn)展，但在很多方面還處于探索階段。參考植物代謝組學(xué)當(dāng)前應(yīng)用，氨基酸、酚類、萜類等代謝物與植物抗逆性間存在密切關(guān)系，因此代謝組學(xué)在楊樹抗逆品種選育方面有著可觀前景；另外利用代謝組學(xué)技術(shù)揭示植物響應(yīng)遺傳和環(huán)境變化時(shí)的代謝產(chǎn)物變化，可成為篩選優(yōu)良品種與評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因的有力手段[ 61 ]；通過代謝組學(xué)篩選具有分類性能的特征代謝物，結(jié)合指紋圖譜，也可為鑒定和區(qū)分不同品種林木的地理起源提供依據(jù)[ 62 ]；該方法還能夠篩選出影響產(chǎn)量等關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的候選基因與差異代謝物，結(jié)合關(guān)聯(lián)代謝通路相關(guān)信息，進(jìn)而高效改良和優(yōu)化林下種植模式[ 63 ]。隨著楊樹代謝組學(xué)技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，利用代謝組學(xué)及多組學(xué)聯(lián)合分析，系統(tǒng)地高通量獲取植物體基因轉(zhuǎn)錄、代謝物和代謝途徑等信息，將在楊樹栽培、品種選育、抗逆性研究、林下模式開發(fā)及品種區(qū)分鑒定等方面發(fā)揮越來越重要的作用。

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