1、代谢组学的研究进展代谢组学的研究进展1.1.代谢组学简介代谢组学简介脂类组学脂类组学 Study of lipids& interactingentities 糖类组学糖类组学 Study of sugars & interacting entities代谢组学代谢组学（细胞、组织或者生物体（细胞、组织或者生物体内的小分子化合物）内的小分子化合物）蛋白组学蛋白组学基因组学基因组学 细胞、组织和生物体内小分子化合物的：细胞、组织和生物体内小分子化合物的：全分析、功能解析、高通量分析全分析、功能解析、高通量分析1.1.代谢组学简介代谢组学简介1.1.代谢组学简介：生物大分子与小分子代谢组学简介：生
2、物大分子与小分子核酸核酸 蛋白蛋白 碳水化合物碳水化合物 脂类脂类1.1.代谢组学简介：生物大分子与小分子代谢组学简介：生物大分子与小分子1.1.代谢组学简介代谢组学简介：检测手段：检测手段u代谢组的关键技术代谢组的关键技术：高通量、高灵敏度各类质谱，：高通量、高灵敏度各类质谱，NMRNMRu缺点：分子的物理化学性质差异大，能鉴定的化合物数量有限缺点：分子的物理化学性质差异大，能鉴定的化合物数量有限1. 1. 代谢组学：工作流程代谢组学：工作流程1234567ppmBiological or Tissue SamplesExtractionBiofluids or ExtractsChemic
3、al AnalysisData Analysis1. 1. 代谢组学：产生和发展代谢组学：产生和发展注：以 plant AND metabolomics OR metabolome OR metabolite profiling OR metabolite profile为主题收索ISI得到的文献记录情况。植物代谢组学相关论文近年来的发表情况：植物代谢组学相关论文近年来的发表情况：1. 1. 代谢组学：应用代谢组学：应用u疾病诊断和发病机制研究疾病诊断和发病机制研究u药物毒理学、新药筛选、药物安全评价药物毒理学、新药筛选、药物安全评价u中药研究及中医结合中药研究及中医结合u植物和农业研究植物和
4、农业研究u微生物与发酵研究微生物与发酵研究u食品健康、食品安全和保健品研究食品健康、食品安全和保健品研究u新能源发掘新能源发掘1.1.代谢组学：种子萌发过程中的代谢代谢组学：种子萌发过程中的代谢科学问题：膜脂变化？质体科学问题：膜脂变化？质体/叶绿体的生成？叶绿体的生成？吸胀吸胀萌动萌动1.1.代谢组学简介代谢组学简介：分析方法：分析方法u数据分析数据分析：海量数据，生物信息学方法：海量数据，生物信息学方法1.1.代谢组学简介：研究策略代谢组学简介：研究策略u研究思路研究思路 发现生理差异发现生理差异 检测代谢配置，找到代谢差异检测代谢配置，找到代谢差异 找到代谢差异的原因找到代谢差异的原因
5、调控代谢差异的机制调控代谢差异的机制，应用，应用1. 1. 代谢组学简介：代谢配置差异，定位化合物代谢组学简介：代谢配置差异，定位化合物内内 容容1 1 代谢组学简介代谢组学简介2 2 经典案例解析经典案例解析结合思考，运用到烟草种子相关的研究结合思考，运用到烟草种子相关的研究3 3 合作的探索合作的探索2.2.经典经典案例案例解析解析：与玫瑰花香气有关的基因：与玫瑰花香气有关的基因2.2.经典经典案例案例解析解析：与玫瑰花香气有关的基因：与玫瑰花香气有关的基因u问题的提出（生理）问题的提出（生理）历史上玫瑰有浓郁香味历史上玫瑰有浓郁香味现代玫瑰消失了香味现代玫瑰消失了香味u代谢上的差异代谢上
6、的差异u查找导致代谢不同的原因查找导致代谢不同的原因u找到相关的基因找到相关的基因u潜在的运用潜在的运用Fig1. Rose flowers of cultivars Golden Gate (GG) and Fragrant Cloud (FC) at different developmental stages.比较比较: : FC vs GG & FC1 vs FC42.2.经典经典案例案例解析解析：与玫瑰花香气有关的基因：与玫瑰花香气有关的基因黄玫瑰有香气，从第四阶段开始。黄玫瑰有香气，从第四阶段开始。2.2.经典经典案例案例解析解析：与玫瑰花香气有关的基因：与玫瑰花香气有关的基因u问
7、题的提出（生理）问题的提出（生理）u代谢上的差异代谢上的差异与香气有关的化合物的差异与香气有关的化合物的差异u查找导致代谢不同的原因查找导致代谢不同的原因u找到相关的基因找到相关的基因u潜在的运用潜在的运用有香气的玫瑰释放出芳香化合物，时机是在花瓣发育的后期。有香气的玫瑰释放出芳香化合物，时机是在花瓣发育的后期。2.经典经典案例案例解析解析：与玫瑰花香气有关的基因：与玫瑰花香气有关的基因 收集挥发物收集挥发物 GC-MS GC-MS 分析分析实验实验A A：比较：比较FCFC和和GGGG的挥发物差异。的挥发物差异。实验实验B B：比较花瓣不同阶段的挥发物。：比较花瓣不同阶段的挥发物。香气物质香
8、气物质 FC GGFC GG香气物质香气物质 后后 前前2.2.经典经典案例案例解析解析：与玫瑰花香气有关的基因：与玫瑰花香气有关的基因u问题的提出（生理）问题的提出（生理）u代谢上的差异代谢上的差异u查找导致代谢不同的原因查找导致代谢不同的原因基因表达差异基因表达差异差异基因中，有与挥发物合成相关的差异基因中，有与挥发物合成相关的u找到相关的基因找到相关的基因u潜在的运用潜在的运用2.2.经典经典案例案例解析解析：与玫瑰花香气有关的基因：与玫瑰花香气有关的基因构建构建ESTEST文库文库 （4 4期期FCFC和和GGGG）随机挑选随机挑选克隆测序克隆测序FC ：1834克隆 GG：1039克
9、隆功能功能注释注释比较表达丰比较表达丰度高的基因度高的基因FC中香气物质合成相关的基因（推测）表达高。对比两种玫瑰花瓣的基因表达对比两种玫瑰花瓣的基因表达2.2.经典经典案例案例解析解析：与玫瑰花香气有关的基因：与玫瑰花香气有关的基因u没有商业化的芯片（非模式植物）没有商业化的芯片（非模式植物）u已经的基因组信息很少（非模式植物）已经的基因组信息很少（非模式植物）u自己制作芯片自己制作芯片u利用已经数据库注释（推测基因功能）作为探针利用已经数据库注释（推测基因功能）作为探针u经过几个步骤。经过几个步骤。微阵列实验微阵列实验A：基因功能：基因功能/探针探针FC/ESTFC/EST文库文库 183
10、41834克隆克隆 功能注释功能注释 分类分类 选出选出350350基因做芯片探针基因做芯片探针350350探针探针putative functions: putative functions: 因为两种花瓣在大小因为两种花瓣在大小/ /颜色等有差异（科学家的经验）。颜色等有差异（科学家的经验）。primary and secondary metabolism, development, transcription, cell growth, cell biogenesis and organization, cell rescue, signal transduction, and ESTs
11、 with unknown function.微阵列实验微阵列实验B：FC和和GG、FC1和和FC4中中350基因的表达水平检测基因的表达水平检测Scatterplot of average signal values FC green, GG redFC red, GG greenMicroarray350 genes: Primary & 2nd metabolism and organization, cell rescue, signaling, and unknown.A, B glass slides. Each slide held 3 copies of entire arra
12、y. Totally 6 replicates.2 independent RNA preparations were used as probe for A & B slides respectively. RNA was from FC4 & GG4 and the labeled Cy3 & Cy5, respectively. Labelings in A & B slide were reversed.Spot intensities were determined and normalized after hybridization.Reliability of microarra
13、yCounting correlation of expression in slide A and B.Average value of the Cy5/Cy3 in A log A Average value of the Cy3/Cy5 in B log Bscatterplot (logA, logB) correlation coefficient 0.95 microarray was reliable2.2.经典经典案例案例解析解析：与玫瑰花香气有关的基因：与玫瑰花香气有关的基因结果：找到结果：找到4040个基因，既在个基因，既在FCFC中表达高，又在中表达高，又在FC4FC4中
14、表达高。中表达高。比较：比较：FC4FC4和和GG4GG4，FC1FC1和和FC4FC42.2.经典经典案例案例解析解析：与玫瑰花香气有关的基因：与玫瑰花香气有关的基因4040个基因中，部分基因注释个基因中，部分基因注释（推测）（推测）功能和表达样式功能和表达样式挑选有代表性的基因（挑选有代表性的基因（FC0592FC0592）做下一步实验。）做下一步实验。FC0592FC0592功能验证功能验证1 1：序列比对：序列比对：与已知功能的基因，相似性高。与已知功能的基因，相似性高。FC0592 is 2092 bp and bears an open reading frame coding f
15、or 565 amino acid. The deduced protein sequence exhibited the high similarity (50% identity) to the deduced cotton (+)-cadinene synthase, which is a sesquiterpene synthase. Figure 4. Alignment of the deduced amino acid sequence of FC0529 (the putative rose germacrene D synthase) with those of cotton
16、 (+)-cadinene synthase and tomato germacrene C synthase.大根香叶烯（一种大根香叶烯（一种倍半萜烯）倍半萜烯）合酶合酶. FC0592FC0592功能验证功能验证2: Northern 2: Northern 杂交检验表达的时空特性杂交检验表达的时空特性与微阵列数据作用重叠，用一种技术的结果验证另一种技术的结果与微阵列数据作用重叠，用一种技术的结果验证另一种技术的结果Figure 5. RNA gel blot analysis of the putative sesquiterpene synthaseTotal RNA was extr
17、acted from FC and GG young (YL) and mature (ML) leaves and from FC and GG petals at different developmental stages (1, 2, 4, and 6) and analyzed for FC0592 expressionFC0592: a cultivar-specific and mature-petal-specific expression.FC0592FC0592功能验证功能验证3: 3: 离体证据离体证据体外实验证明能催化香气合成反应体外实验证明能催化香气合成反应The p
18、utative Germacrene D was conformed by comparing its mass spec with computerized reference of Germacroene D.Figure 6B: Identity = 99%In vitro evidence:FC0592 is 大根香叶烯大根香叶烯 synthaseTo determine whether FC0592 codes for a sesquiterpene synthase & what type sesquiterpene produced:- FC0592 was cloned int
19、o a vector to obtain a active combinant enzyme.- In vitro reaction: lysates of bacteria + substrate (FPP) ? ( examining by GC-MS) Putative Germacrene DFPP = franesyl diphosphate, a substrate in sesquiterpene synthesisFC0592FC0592功能验证功能验证5 5：FCFC中中大根香叶烯产生的时空与基因表达已知大根香叶烯产生的时空与基因表达已知Figure 7. Germacren
20、e D emission from rose petals during development结论：结论：FC0592FC0592编码的蛋白是编码的蛋白是大根香叶烯合酶，参与了玫瑰香气的产生。大根香叶烯合酶，参与了玫瑰香气的产生。结论的逻辑意义：强有力的证据，支持了假说。结论的逻辑意义：强有力的证据，支持了假说。FC0592FC0592功能验证功能验证4 4：FCFC挥发物中有挥发物中有大根香叶烯大根香叶烯2.2.经典经典案例案例解析解析：膜脂代谢膜脂代谢核酸核酸 蛋白蛋白 碳水化合物碳水化合物 脂类脂类2.2.经典经典案例案例解析解析：膜脂代谢膜脂代谢膜，区室化膜，区室化2.2.经典经典案
21、例案例解析解析：膜脂代谢膜脂代谢三酰甘油，三酰甘油，中性中性能量与能量与C C源贮源贮种子和花粉种子和花粉磷脂磷脂Buchanan et al层状相层状相 非层状相非层状相2.2.经典经典案例案例解析解析：膜脂代谢膜脂代谢检测膜脂组成检测膜脂组成 分析膜性质变化分析膜性质变化 生理功能生理功能 膜相变膜相变/渗漏渗漏/流动性流动性2.2.经典经典案例案例解析解析：膜脂代谢膜脂代谢2002年，引用率230多次。2.2.经典经典案例案例解析解析：膜脂代谢膜脂代谢2004 “自然 生物技术”2.2.经典经典案例案例解析解析：膜脂代谢膜脂代谢2008年，JBC。自然中国评为来自中国大陆和香港地区的突出
22、研究成果。2.2.经典经典案例案例解析解析：膜脂代谢膜脂代谢高山流石滩高山流石滩 海拔海拔4500m2.2.经典经典案例案例解析解析：膜脂代谢膜脂代谢2.2.经典经典案例案例解析解析：膜脂代谢膜脂代谢u待发表论文（重要种子生理现象机制解析）待发表论文（重要种子生理现象机制解析）吸胀冷害，表型吸胀冷害，表型 基因型差异基因型差异 组学解析组学解析 机制验机制验证证顽拗型种子，表型顽拗型种子，表型 组学解析组学解析 突变体突变体 基因基因 蛋蛋白表达白表达/ /细胞定位变化细胞定位变化 应用应用内内 容容1 1 代谢组学简介代谢组学简介2 2 经典案例解析经典案例解析3 3 合作的探索合作的探索结
23、合思考，运用到烟草种子相关的研究结合思考，运用到烟草种子相关的研究3. 3. 合作的合作的探索：层次探索：层次u战术合作战术合作技术服务（生理生化指标的检测，各层次观测）技术服务（生理生化指标的检测，各层次观测）项目合作（投标具体的科学问题，设计解决方案）项目合作（投标具体的科学问题，设计解决方案）u战略合作战略合作长期的科研伙伴长期的科研伙伴种子生物学的研发和保藏管理种子生物学的研发和保藏管理3.3.合作的探索：合作的探索：研究组研究组的领域的领域和技术介绍和技术介绍u研究领域研究领域“植物分子生理与功能基因组学植物分子生理与功能基因组学”u研究方向包括：研究方向包括：植物响应非生物胁迫基因
24、的发现和功能验证；植物响应非生物胁迫基因的发现和功能验证；种子生理生化；种子生理生化；植物种质超低温保藏的基础和技术；植物种质超低温保藏的基础和技术；重要植物次生代谢物的生物学效应、机制及其应用。重要植物次生代谢物的生物学效应、机制及其应用。3.3.合作的探索：合作的探索：研究组研究组的领域的领域和技术介绍和技术介绍u研究组课题和技术介绍研究组课题和技术介绍遗传操作遗传操作蛋白检测蛋白检测基因组和转录组分析基因组和转录组分析, ,基因表达检测基因表达检测常见五种常见五种激素检测激素检测脂类组学、脂肪酸检测脂类组学、脂肪酸检测种子的生理生化种子的生理生化种子的细胞、亚细胞观测种子的细胞、亚细胞观
25、测种子的寿命种子的寿命3.3.合作的探索：合作的探索：种子的细胞、亚细胞观测种子的细胞、亚细胞观测 拟南芥种子中的油体拟南芥种子中的油体 兰花种子发育过程中油脂积累兰花种子发育过程中油脂积累 拟南芥种子萌发过程中细胞形态观测拟南芥种子萌发过程中细胞形态观测 拟南芥种子萌发过程中细胞形态及胞内油体积累拟南芥种子萌发过程中细胞形态及胞内油体积累1 day3 days3.3.合作的探索：合作的探索：种子的细胞、亚细胞观测种子的细胞、亚细胞观测u种子的细胞壁、细胞膜、细胞核、油体、淀粉粒种子的细胞壁、细胞膜、细胞核、油体、淀粉粒3.3.合作的探索：种子的合作的探索：种子的X X光检测和形态检测光检测和
26、形态检测白花马蔺种子的种子的X X光检测和形态检测光检测和形态检测草玉梅狗尾草狗尾草3.3.合作的探索：种子保藏的活力预测合作的探索：种子保藏的活力预测（参考英国千年种质库）（参考英国千年种质库）u根据种子保藏的实践经验给出的。根据种子保藏的实践经验给出的。V，最终活力（%）；P，贮藏时间（天）；m，种子的含水量（%）；t，保藏的温度（）；Ki，初始活力%（计算时转换probits）CH和CQ，与温度相关的物种常数；KE和CW，与种子含水量相关的物种常数。种子保藏的活力预测种子保藏的活力预测u实例，莴苣种子保藏的极限预测实例，莴苣种子保藏的极限预测初始活力为初始活力为99.9%99.9%的莴苣
27、种子在的莴苣种子在15% 15% 相对湿度干燥使其含水量达相对湿度干燥使其含水量达到到4.19%4.19%，其保藏的时间为多长？，其保藏的时间为多长？u解答：解答：Ki 99.9% 转化为8.0902（probits概率单位）莴苣种子参数如果达到6% 的含水量，其他条件不变，那么保存年限为：275年Ki: 种子的初始活力，与 种子的老化程度相关。种子老化程度越高， Ki值就越低 ：1.不同物种在相同条件下 存在差异； 2.相同物种在不同储藏 条件下存在差异，储藏 条件越好，储藏时间 越长； 3.相同物种，在理想状态 储藏条件下储藏， 是 一定的。 温度恒定，变化含水量，可以推算推算出 与含水量
28、的关系：K: 回归的截距Cw: 斜率m: 含水量含水量越低， 越高，种子保藏时间越长 3.3.合作的探索：合作的探索：种子激素水平变化种子激素水平变化3.3.合作的探索：合作的探索：种子的脂肪酸种子的脂肪酸3. 3. 合作的合作的探索探索u战术合作战术合作技术服务（生理生化指标的检测，各层次观测）技术服务（生理生化指标的检测，各层次观测）项目合作（投标具体的科学问题，设计解决方案）项目合作（投标具体的科学问题，设计解决方案）u战略合作战略合作长期的科研伙伴长期的科研伙伴种子生物学的研发和保藏管理种子生物学的研发和保藏管理3.3.合作的碳素：合作的碳素：基因组学研究基因组学研究u请张旭东博士讲解请张旭东博士讲解3.3.合作的碳素：合作的碳素：种质库暨种子保藏中心介绍种质库暨种子保藏中心介绍
