药用植物代谢组学进展.docx

药用植物代谢组学进展【摘要】从技术步骤、分析方法以及实际应用三个方面对当前药用植物代谢组学研究领域的一些理论问题和实践中面临的挑战进行综述。【关键词】药用植物；代谢组学；功能基因组学代谢组学是对生物体内代谢物进行大规模分析的一项技术［1］它是系统生物学的重要组成部分（如图1所示）药用植物代谢组学主要研究外界因素变化对植物所造成的影响如气候变化、营养胁迫、生物胁迫以及基因的突变和重组等引起的微小变化是物种表型分析最强有力的工具之一。在现代中药研究中代谢组学在药物有效性和安全性、中药资源和质量控制研究等方面具有重要理论意义和应用价值。另外在对模式植物突变体文库或转基因文库进行分析之前代谢组学往往是首先考虑采用的研究方法之一。目前国外已有成功利用代谢组学技术对拟南芥突变株进行大规模基因筛选的例子这为与重要性状相关基因功能的阐明和选育可供商业化利用的转基因作物奠定了基础。图1系统生物学研究的四个层次略目前还有许多经济作物的全基因组测序计划尚未完成由于代谢组学研究并不要求对基因组信息的了解所以在与这些作物有关的研究领域具有更大的利用价值这也是其与转录组学和蛋白组学研究相比的优势之一。代谢组学研究涉及与生物技术、分析化学、有机化学、化学计量学和信息学相关的大量知识Fiehn［2］对代谢组学有关的研究方向进行了分类（见表1）。1代谢组学研究的技术步骤代谢组学研究涉及的技术步骤主要包括植物栽培、样本制备、衍生化、分离纯化和数据分析5个方面（见图2）。1.1植物栽培对研究对象进行培育的目的是为了对样本的稳定性进行控制相对于微生物和动物而言植物的人工栽培需要考表1代谢组学的分类及定义略虑更多的问题如中药材在不同年龄、不同发育阶段、不同部位以及光照、水肥、耕作等环境因素的微小差异都可引起生理状态的变化而这些非可控及可控双重因素的影响很难进行精确的控制从而影响药用植物代谢组研究的重复性。为了解决以上问题推荐使用大容量的培养箱［3］定时更换培养箱中栽培对象的位置以及使用无土栽培技术等FukusakiE［4］利用无土栽培系统将水和养分直接引入植物根部并且对供给量进行精确地控制大大提高了实验的重复性。1.2样本制备为了获得稳定的实验结果样本制备需要考虑样本的生长、取样的时间和地点、取样量以及样本的处理方法等问题并根据分析对象的分子结构、溶解性、极性等理化性质及其相对含量大小对提取和分离的方法进行选择逐一优化试验方案。MaharjanRP等［5］用6种方法分别对大肠杆菌中代谢产物进行提取发现用－40℃甲醇进行提取的效果最好。现阶段代谢组学的分析对象主要集中在亲水性小分子尤其是初级代谢产物气相色谱质谱联用(GCMS)和毛细管电泳质谱（CEMS）联用都是分析亲水小分子的重要技术。FiehnO等［6］使用GCMS对拟南芥叶片中的亲水小分子进行了分析发现酒石酸半缩醛、柠苹酸、别苏氨酸、羟基乙酸等15种植物代谢物。1.3衍生化处理对目标代谢产物的衍生化处理取决于所使用的分析设备GCMS系统只适合对挥发性成分进行分析高效液相色谱法（HPLC）一般则使用紫外或荧光标记的方法对样本进行衍生处理BlauK［7］对酯化、酰化、烷基化、硅烷化、硼烷化、环化和离子化等衍生方法进行了详细的说明。然而离子化抑制常使得质谱分析过程中目标代谢产物的离子化效率降低这主要是由于分离过程中污染物与目标代谢物难以完全分离开所引起的优化色谱分离时间可有效缓解离子化抑制然而在实际操作中不可能对上百种代谢产物的分离时间进行优化利用非放射性同位素稀释法进行相对定量可以很好的解决该问题。HanDK等［8］应用同位素编码的亲和标记（ICAT）根据经诱导分化的微粒蛋白及其同位素标记物的峰面积比对该蛋白的相对含量进行分析。ZhangR等［9］发现同位素标记技术也可用于代谢组学的研究但是却存在许多困难。活体的同位素标记方法对于同位素的洗脱是一种非常有潜力的技术目前关于使用34s的研究已有报道［10］。图2代谢组学研究技术步骤略1.4分离和定量分离是代谢组学研究中的重要步骤与质谱联用的色谱和电泳分析技术都是使用紫外或电化学检测的方法进行定量其对代谢组数据的分辨率与定量能力都有一定的影响。TomitaM等［11］总结了各种色谱分离法中经常遇到的技术问题认为毛细管电泳和气相色谱法由于具有较高的分辨率已成为代谢组学研究的常规技术手段之一液相色谱因其适用范围广应用也相当广泛。TanakaN等［12］用高效液相色谱对样品进行分离认为使用硅胶基质填充毛细管整体柱的高效液相色谱系统具有用量少、灵敏性高、低压降