摘要：代谢组学是一门新兴的交叉学科，是系统生物学的重要分支，目前已被广泛应用于动物、植物、微生物等研究领域。本文简要介绍了代谢组學的检测技术及数据处理方法，概述了代谢组学在植物代谢途径以及代谢组遗传基础研究中的进展，包括不同植物材料、不同环境条件尤其是逆境胁迫下的代谢谱分析以及代谢相关QTL定位、功能基因鉴定等，分析了代谢组学发展过程中的问题，并对其应用前景进行了展望。
关键词：植物；代谢组学；研究方法；代谢谱；遗传基础；进展
中图分类号：S188：Q781文献标识号：A文章编号：1001-4942（2017）12-0154-09
Abstract Metabolomics is an important branch of system biology and has been widely used in studies of plants， animals and microorganism. In this article， the detection technologies and data processing methods of metabolomics were introduced briefly. The research progresses of metabolomics in understanding plant metabolic pathways and genetics of metabolome were summarized， including metabolic profiling of different plant materials under different environmental conditions especially the stress conditions， mQTL mapping and identification of functional genes. The problems present in the metabolomics studies were also discussed， and the prospective application metabolomics was previewed.
Keywords Plant； Metabolomics； Research method； Metabolic profiling； Genetic basis； Progress
近年来，组学技术成为探索生命奥秘的重要手段，继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后，代谢组学也迅速发展起来，成为系统生物学的一个重要组成部分。它旨在对生物体组织或细胞特定时期下的全部小分子代谢物质进行定性和定量分析，主要反映生物体的生理和生化状态[1]。传统的代谢概念包括合成代谢和分解代谢，代谢产物也包括中间代谢产物和最终代谢产物，因此广义上的代谢物应包括所有参与生物体内生命活动的分子。但为了有别于基因组、转录组和蛋白质组，代谢组目前只涉及相对分子质量约小于1 000 D的小分子代谢物质[2]。
随着现代分析技术的不断改进、数据库的积累和生物信息学的发展，代谢组学得到快速发展，已被广泛应用于动物、植物和微生物等诸多研究领域[3]。植物内源代谢物种类繁多，总数有20万～100万种[4]，对生命过程中这些代谢物进行全面的定性定量研究，对于后基因组时代全面认识植物生命活动十分必要[5]。代谢组学旨在发掘生命现象的分子结果，丰富组学研究内容，通过与其他组学技术整合，将生命过程和结果有机结合分析，在功能基因鉴定、代谢途径解析及自然变异的遗传结构分析等方面发挥着越来越重要的作用。本文简要综述了代谢组学研究方法及在植物代谢规律和遗传基础研究中的进展。
1 植物代谢组学研究方法
植物代谢组学分析一般包括试验设计、植物栽培及取样、样品制备和预处理、代谢产物的分离和鉴定、数据的分析和解释。由于植物代谢物尤其是次生代谢物种类繁多、结构迥异，根据研究对象及目的不同，代谢组学分析的具体步骤会有所不同，采用的分离鉴定手段及数据分析方法也会各不相同。
植物代谢物的种类和含量除受遗传及环境因素影响外，还与样品的提取制备过程关系紧密。为了获得稳定的试验结果，样品制备需要考虑试验材料的生长、取样的时间和地点、取样量及样品的处理方法等问题。为真实反映代谢产物在植物体内的存在信息，采集样品后需立即阻断材料内在酶的活性，通常采用冷冻/液氮降温法保存材料，抑制代谢反应的进一步发生，待使用时取出均质粉末[6]。代谢产物提取和分离的方法要根据目标组分的分子结构、溶解性、极性等理化性质以及所选用的分析技术进行选择，通常选用的萃取溶剂为水或甲醇、乙醇、异丙醇、氯仿、乙腈、己烷等溶剂。在代谢物分析之前，通常先用固相萃取、固相微萃取、亲和色谱等方法进行预处理[7]。
代谢组分析技术包括代谢物的分离、检测及鉴定。目前，代谢产物的分离技术主要有气相色谱（gas chromatography， GC）、液相色谱（liquid chromatography， LC）和毛细管电泳（capillary electrophoresis， CE）等。检测及鉴定技术主要有质谱（mass spectrometry， MS）、核磁共振（nuclear magnetic resonance， NMR）、库仑分析、傅立叶变换-红外光谱（FT-IR）、紫外吸收、荧光散射、发射性检测和光散射等。分离技术与检测技术的不同组合就形成了不同的代谢组学分析技术。目前，常用分析手段是核磁共振，气相色谱、液相色谱、毛细管电泳与质谱联用等。
针对代谢物组学分析技术，2010年之前主要瓶颈在于可以鉴定的代谢物种类较少，通常在100种以内，这就使组学价值大打折扣。随着技术发展，现在的代谢组学实测可以达到300种代谢物以上。迄今，还没有一种代谢组学分析方法能够涵盖所有的代谢物，多种分析平台联合使用是对单一分析技术的补充，以达到对不同极性代谢物的广谱分析。
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