前言
2020年10月黑龍江省八一農墾大學課題組在Scientific Reports期刊發表的題為 「Analysis of metabolites and metabolic pathways in three maize (Zea mays L.) varieties from the same origin using GC–MS」的研究成果，通過氣相-色譜質譜聯用技術（GC-MS代謝組學），對三種玉米品種進行了代謝組學分析，初步比較並分析了三個玉米品種的具體代謝物和代謝機制，確定了三個品種的特異性代謝物和代謝途徑。表明不同玉米品種之間不同的代謝機制是導致玉米品種表現出不同特性和品質的主要因素。
中文標題：使用GC-MS分析來自同源的三種玉米品種的代謝物和代謝途徑
研究對象：玉米
發表期刊：Scientific Reports
影響因子：3.998
運用生物技術：氣相-色譜質譜聯用技術（GC-MS代謝組學）
研究背景
玉米（Zea Mays L.）是世界上最廣泛種植和產量最高的穀物作物，在三種主要糧食作物（玉米、小麥和水稻）中排名第一，玉米是中國重要的糧食作物、飼料作物和經濟作物，在中國農業生產中起著重要的作用。
黑龍江省是中國耕地面積最大的省份，是我國有名的三個黑土地產區之一。三個玉米品種，即金玉88號（金玉88）、華農18號（華農18）和德美亞9號（德美亞9），是黑龍江省種植的主要玉米品種。這三個品種的抗旱能力強，適合在黑龍江省種植。然而，不同品種玉米的代謝物組成和含量可能不同，因為不同品種玉米生長發育過程中產生的代謝產物和代謝機制不同。因此本文作者研究了同一產地三個不同品種玉米的代謝產物和代謝機制，發現了玉米代謝物的自然差異，總結了不同品種玉米代謝物的相似性和差異性，並介紹了這些結果的可能原因。
代謝組學系統研究所有分子量小於1000的小分子內源代謝物。目前，氣相色譜-質譜聯用技術（GC-MS代謝組學）由於其優異的色譜分離度、高靈敏度和高解析度，在代謝組學中常被用作分析方法。研究者們通常使用GC-MS代謝組學技術來區分兩種植物的代謝物，並確定它們之間存在顯著差異。由於代謝組學的具體特性，需要建立標準品資料庫，為數據分析提供依據。目前，我國還沒有完整的玉米資料庫分析系統；因此，這篇文章進行了進一步研究，為後續分析提供依據。
研究思路
研究方法
1.實驗材料：
所研究的傳統非轉基因玉米品種（Zea mays L.）是從黑龍江省肇州縣獲得的。三個品種的玉米，即金玉88（JY88）、華農18（HN18）和德美亞9（DM9），在保護範圍內按照代表性的抽樣原則，採用棋盤抽樣法隨機採集。
研究結果
1、使用GC-MS對提取的代謝物進行分析
在金玉88中檢測到33種代謝物和3種未知結構代謝物，而在華農18中檢測到34種代謝物和2種未知結構代謝物。在德美亞9樣品中檢測到42種代謝物，其中5種代謝物的結構未知。在三個玉米品種的代謝產物中，通過GC-MS代謝組學和標準品檢測共檢測到59種代謝產物，有5種未知結構的代謝產物，且代謝產物的相對含量均在0.1％以上。
圖1 | 玉米代謝物的GC-MS總離子色譜圖
（a） 金玉88玉米代謝物的GC-MS總離子色譜圖；
（b） 華農18玉米代謝物的GC-MS總離子色譜圖；
（c）德美亞9 玉米代謝物的GC-MS總離子色譜圖。
已知結構的代謝物可分為糖及其衍生物，脂肪酸及其衍生物，醇，有機酸和中間體。
初級糖及其衍生物是塔呋喃呋喃糖、阿拉伯糖、蘇糖、山梨糖、D-半乳糖、D-木糖、D-葡萄糖、塔格糖、果糖、塔洛糖、艾洛糖、D-半乳糖苷、木吡喃糖、lyxofuranose、呋喃果糖、蔗糖、甘露二糖和麥芽糖。
脂肪酸及其衍生物主要是棕櫚酸、10、13-十八碳二烯酸、7-十八碳烯酸、環丙烷十四烷酸、十四烷酸、亞油酸、十八烷酸、13-十八烯酸和α-亞麻酸。
醇主要包括甘油、鼠李糖醇、四甘醇、赤蘚糖醇、甘露糖醇、D-葡萄糖醇和核糖醇。
有機酸包括丙酸、丙酮酸、抗壞血酸和二氯乙酸。
中間體由十二烷、丁烷、乙醯胺、N-乙醯吲哚、茴香腦、苯基膦酸、葡萄糖醛酸、肌醇、尿苷、順式-13-二十二醯胺、24-甲基-5-膽固醇-3-醇、菜油酚、β-谷甾醇、stigmast-5-ene-3β和ergostane組成。
另外，相對少量的多種物質，例如甘露吡喃糖苷、丁烷三醇、丁酸、脫氧核糖、呋喃核糖和苯甲酸。由於這些物質的相對含量小於0.1％，因此無法在總離子流圖中顯示。
2、不同玉米品種代謝途徑及機制分析
在差異代謝產物中，主要代謝產物12種和其他中間產物。與KEGG資料庫相比，發現實驗中的特定代謝產物主要涉及碳水化合物代謝，能量代謝和脂質代謝。
金玉88的代謝途徑及機理分析
金玉88的特定代謝物被確定為苯基膦酸、13-十八碳烯酸和13-二十二碳二烯醯胺。在這些代謝產物中，磷在鹼性條件下通常以磷酸鹽形式和磷酸氫鹽形式存在於自然界中，並且在實驗過程中衍生試劑為鹼性。苯膦酸是一種化學試劑。通常用於諸如配位聚合物、催化劑和雜環聚合物的材料中。推測玉米中苯基膦酸的檢測可能歸因於苯環與游離磷和羥基結合的反應。
華農18的代謝途徑和機制分析
華農18的特定代謝物以十二烷、甘油、半乳糖、甘露醇、巖藻糖、蔗糖、麥芽糖、谷甾醇、豆甾醇和麥角固醇的形式呈現。特定的代謝物可以主要分為糖、植物固醇和中間體，它們主要參與脂肪酸的合成和分解以及糖的代謝。
華農18的特定代謝產物主要是糖和植物固醇。這種玉米具有良好的適口性，易於咀嚼，消化和吸收。華農18玉米可以減少血液中的膽汁酒精並軟化血管，預防和治療冠心病。因此華農18玉米具有較高的經濟價值。
德美亞9的代謝途徑和機制分析
該品種的特定代謝物為丙酸、乙醯胺、四甘醇、D-葡萄糖、木糖吡喃糖、木呋喃糖、環丙烷十四烷酸二氯乙酸、海藻糖和尿苷。這些特定的代謝物是糖、脂肪酸、有機酸和中間體，被確定主要參與脂肪酸的合成和分解以及糖的代謝。
當代謝途徑涉及代謝物時，要表達的最終物質會導致玉米品種不同。例如，華農18中的甘油參與三醯基甘油的生物合成途徑，而三醯甘油是脂蛋白的重要組成部分，並在新陳代謝中起重要作用，成為食物中能量和脂肪的媒介。三醯甘油的能量密度是糖和蛋白質的兩倍，其含量也與動脈硬化有關。
德美亞9的特定代謝產物確定為糖、脂肪酸和有機酸。因此這種玉米比其他兩個品種具有更好的質量和更高的產量。
不同的玉米品種具有特定的代謝產物。儘管三個玉米品種來自同一起源，但它們具有各自的特徵，它們的代謝途徑和機制仍然不同。在這三個品種中，華農18是主要的抗病品種，且具有較大的籽粒產量。通過對三個玉米品種的比較分析，發現德美亞9和華農18之間的差異主要在植物甾醇中。據推測，植物固醇的差異使華農18比德美亞9對疾病的抵抗力更強，並且穀物的堆積密度高於德美亞9。金玉88與其他兩個品種最大的不同。因此，它的外觀和抗病性都比其他兩個品種差。還發現華農18的營養價值最高，而金玉88的營養價值最低。面對同一環境的變化，這三個玉米品種表現出不同的代謝機理和對不同代謝產物的反應，玉米的營養和價值也發生了變化，這也可能歸因於不同玉米品種中基因表達譜的不同。
相關討論
綜上所述，通過基於GC-MS的非目標代謝譜分析，開發了三種不同玉米品種（Zea mays L.）的代謝組學，並對玉米中的代謝物進行了分離和鑑定。
1.發現在金玉88中存在三種特定的代謝物（脂肪酸），主要參與脂肪代謝。
2.發現了華農18的11種特定代謝產物，在這11種代謝物中，糖含量最高，其次是植物固醇，並且只有一種脂肪酸和一種中間產物。在KEGG資料庫中找到了植物固醇的代謝途徑，它也參與了脂肪和糖的代謝。
3.發現了德美亞9的十種特定代謝產物，其中糖類含量最高，其次是脂肪酸，中間產物和有機酸。這些代謝物參與脂肪和糖的代謝。
華農18具有抗病能力，並且具有較大的穀粒產量。華農18對疾病的抵抗力比德美亞9高，並且穀物的堆積密度高於德美亞9。金玉88的性能比其他兩個品種差。華農18具有最高的營養價值，而金玉88具有最低的營養價值。這些結果表明，三個玉米品種的代謝產物和代謝機理不同，導致三個玉米品種表現出不同的特性。玉米不同品種表現出的不同特性可能與不同代謝產物的多樣性和含量有關。
小鹿推薦
這項研究旨在比較三個同源的玉米品種間的代謝物組成差異，進一步分析了三個品種間代謝機制和代謝途徑的不同。此研究使用GC-MS代謝組學分析了提取得到的三品種玉米的全部代謝物，氣相色譜-質譜分析確定了在各玉米品種中的數種涵蓋脂肪酸、糖類和固醇類的特殊代謝物。這些分析結果的證明了三個品種的玉米由於代謝產物和代謝機理不同，從而導致了不同品種中表現出了不同的特性。
文末看點
鹿明生物建立了GC-MS/LC-MS代謝組、靶向代謝組、擬靶向代謝組、脂質組等代謝組學技術平臺以及相應的數據整合分析平臺，並建立了科學完整的服務流程和精細規範的操作標準。及雲計算分析平臺等大型檢測設備以及完整的樣品前處理系統和GCMS-LUG資料庫—GC-MS廣靶篩選、LC-MS 500+資料庫—LCMS廣靶篩選、LC-MS-物種定性庫-定性等數據分析系統（擁有各類分析軟體及資料庫）。
參考文獻：
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文章來源於鹿明生物