有關(guān)藥用植物代謝組學(xué)的研究進(jìn)展

摘要：從技術(shù)步驟、分析方法以及實(shí)際應用三個(gè)方面對當前藥用植物代謝組學(xué)研究領(lǐng)域的一些理論問(wèn)題和實(shí)踐中面臨的挑戰進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞： 藥用植物；代謝組學(xué)；功能基因組學(xué)

　　代謝組學(xué)是對生物體內代謝物進(jìn)行大規模分析的一項技術(shù)［1］，它是系統生物學(xué)的重要組成部分（如圖1所示），藥用植物代謝組學(xué)主要研究外界因素變化對植物所造成的影響，如氣候變化、營(yíng)養脅迫、生物脅迫，以及基因的突變和重組等引起的微小變化，是物種表型分析最強有力的工具之一。在現代中藥研究中，代謝組學(xué)在藥物有效性和安全性、中藥資源和質(zhì)量控制研究等方面具有重要理論意義和應用價(jià)值。另外，在對模式植物突變體文庫或轉基因文庫進(jìn)行分析之前，代謝組學(xué)往往是首先考慮采用的研究方法之一。目前，國外已有成功利用代謝組學(xué)技術(shù)對擬南芥突變株進(jìn)行大規�；�因篩選的例子，這為與重要性狀相關(guān)基因功能的闡明和選育可供商業(yè)化利用的轉基因作物奠定了基礎。

　　圖1系統生物學(xué)研究的四個(gè)層次 　略

　　目前，還有許多經(jīng)濟作物的全基因組測序計劃尚未完成，由于代謝組學(xué)研究并不要求對基因組信息的了解，所以在與這些作物有關(guān)的研究領(lǐng)域具有更大的利用價(jià)值，這也是其與轉錄組學(xué)和蛋白組學(xué)研究相比的優(yōu)勢之一。代謝組學(xué)研究涉及與生物技術(shù)、分析化學(xué)、有機化學(xué)、化學(xué)計量學(xué)和信息學(xué)相關(guān)的大量知識，Fiehn［2］對代謝組學(xué)有關(guān)的研究方向進(jìn)行了分類(lèi)（見(jiàn)表1）。

　　1代謝組學(xué)研究的技術(shù)步驟
　　
　　代謝組學(xué)研究涉及的技術(shù)步驟主要包括植物栽培、樣本制備、衍生化、分離純化和數據分析5個(gè)方面（見(jiàn)圖2）。
　　1.1植物栽培
　　
　　對研究對象進(jìn)行培育的目的是為了對樣本的穩定性進(jìn)行控制，相對于微生物和動(dòng)物而言，植物的人工栽培需要考
　　表1代謝組學(xué)的分類(lèi)及定義　略
　　慮更多的問(wèn)題，如中藥材在不同年齡、不同發(fā)育階段、不同部位以及光照、水肥、耕作等環(huán)境因素的微小差異都可引起生理狀態(tài)的變化，而這些非可控及可控雙重因素的影響很難進(jìn)行精確的控制，從而影響藥用植物代謝組研究的重復性。為了解決以上問(wèn)題，推薦使用大容量的培養箱［3］，定時(shí)更換培養箱中栽培對象的位置，以及使用無(wú)土栽培技術(shù)等，Fukusaki E［4］利用無(wú)土栽培系統將水和養分直接引入植物根部，并且對供給量進(jìn)行精確地控制，大大提高了實(shí)驗的重復性。
　　1.2樣本制備
　　
　　為了獲得穩定的實(shí)驗結果，樣本制備需要考慮樣本的生長(cháng)、取樣的時(shí)間和地點(diǎn)、取樣量以及樣本的處理方法等問(wèn)題，并根據分析對象的分子結構、溶解性、極性等理化性質(zhì)及其相對含量大小對提取和分離的方法進(jìn)行選擇，逐一優(yōu)化試驗方案。Maharjan RP等［5］用6種方法分別對大腸桿菌中代謝產(chǎn)物進(jìn)行提取，發(fā)現用－40℃甲醇進(jìn)行提取的效果最好�，F階段代謝組學(xué)的分析對象主要集中在親水性小分子，尤其是初級代謝產(chǎn)物，氣相色譜?質(zhì)譜聯(lián)用(GC?MS)和毛細管電泳?質(zhì)譜（CE?MS）聯(lián)用都是分析親水小分子的重要技術(shù)。Fiehn O等［6］使用GC?MS對擬南芥葉片中的親水小分子進(jìn)行了分析，發(fā)現酒石酸半縮醛、檸蘋(píng)酸、別蘇氨酸、羥基乙酸等15種植物代謝物。
　　1.3衍生化處理
　　
　　對目標代謝產(chǎn)物的衍生化處理取決于所使用的分析設備，GC?MS系統只適合對揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，高效液相色譜法（HPLC）一般則使用紫外或熒光標記的方法對樣本進(jìn)行衍生處理，Blau K［7］對酯化、�；�、烷基化、硅烷化、硼烷化、環(huán)化和離子化等衍生方法進(jìn)行了詳細的說(shuō)明。然而離子化抑制常使得質(zhì)譜分析過(guò)程中目標代謝產(chǎn)物的離子化效率降低，這主要是由于分離過(guò)程中污染物與目標代謝物難以完全分離開(kāi)所引起的，優(yōu)化色譜分離時(shí)間可有效緩解離子化抑制，然而在實(shí)際操作中不可能對上百種代謝產(chǎn)物的分離時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，利用非放射性同位素稀釋法進(jìn)行相對定量可以很好的解決該問(wèn)題。Han DK等［8］應用同位素編碼的親和標記（ICAT），根據經(jīng)誘導分化的微粒蛋白及其同位素標記物的峰面積比，對該蛋白的相對含量進(jìn)行分析。Zhang R等［9］發(fā)現同位素標記技術(shù)也可用于代謝組學(xué)的研究，但是卻存在許多困難�；铙w的同位素標記方法對于同位素的洗脫是一種非常有潛力的技術(shù)，目前關(guān)于使用34 s的研究已有報道［10］。
　　圖2代謝組學(xué)研究技術(shù)步驟　略
　　1.4分離和定量
　　
　　分離是代謝組學(xué)研究中的重要步驟，與質(zhì)譜聯(lián)用的色譜和電泳分析技術(shù)都是使用紫外或電化學(xué)檢測的方法進(jìn)行定量，其對代謝組數據的分辨率與定量能力都有一定的影響。Tomita M等［11］總結了各種色譜分離法中經(jīng)常遇到的技術(shù)問(wèn)題，認為毛細管電泳和氣相色譜法由于具有較高的分辨率，已成為代謝組學(xué)研究的常規技術(shù)手段之一，液相色譜因其適用范圍廣，應用也相當廣泛。
　　
　　Tanaka N等［12］用高效液相色譜對樣品進(jìn)行分離，認為使用硅膠基質(zhì)填充毛細管整體柱的高效液相色譜系統具有用量少、靈敏性高、低壓降高速分離等優(yōu)勢；同時(shí)，Tolstikov V等［13］也使用硅膠填充的毛細管液相色譜方法對聚戊烯醇類(lèi)異構體進(jìn)行了有效分離，獲得了很好的分辨率。Tanaka N等［14］發(fā)現二維毛細管液相色譜法的分辨率比傳統的高效液相法高10倍。相對于其他色譜方法而言，超臨界流體色譜（SFC）是分離疏水代謝物最具潛力的技術(shù)之一，特別適用于分離那些傳統HPLC難以分析的疏水聚合物，Bamba T等［15］通過(guò)SFC對聚戊烯醇進(jìn)行分析，證明其具有較好的分離能力。針對質(zhì)譜中存在的共洗脫現象，Halket JM等［16］發(fā)明了一種適用于GC?MS的反褶積系統，對共洗脫的代謝產(chǎn)物進(jìn)行分離與識別。Aharoni A等［17］使用傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（FT?ICR?MS）對非目標代謝物進(jìn)行分析，快速掃描植物突變樣品，獲得了一定量的代謝成分。
　　
　　與分離一樣，定量能力也是代謝組學(xué)研究中的重要因素，其取決于各分析系統的線(xiàn)性范圍。傅立葉轉換核磁共振（FT?NMR)、傅立葉紅外光譜（FT?IR）以及近場(chǎng)紅外光譜法（NIR）等技術(shù)由于敏感性低，重復性受共洗脫現象影響較小也被用于檢測中。近年來(lái)，FT?NMR技術(shù)常被用于植物代謝組的指紋圖譜研究 ［18］，但由于NMR分析需要樣品量較大，分析結果易受污染，Griffin J L ［19］發(fā)現將統計模式識別與FT?NMR相結合可以對代謝物進(jìn)行全面分析。除FT?NMR之外，FT?IR通過(guò)對有機成分的結構進(jìn)行常規光譜測定，也可適用于代謝組學(xué)的研究，特別是應用于構建代謝組學(xué)的指紋

【藥用植物代謝組學(xué)的研究進(jìn)展】相關(guān)文章：

運動(dòng)干預代謝綜合征的機制研究進(jìn)展03-08

近年來(lái)藥用植物抗寒生理研究進(jìn)展綜述11-29

關(guān)于脂聯(lián)素與代謝綜合征的研究進(jìn)展03-20

小頭畸形的病因學(xué)研究進(jìn)展03-18

瘧原蟲(chóng)抗藥性的遺傳學(xué)研究進(jìn)展03-18

分子生物學(xué)中鉀離子通道研究進(jìn)展03-06

紅花的現代研究進(jìn)展03-18

降脂中藥研究進(jìn)展03-19

干細胞的研究進(jìn)展03-18