隨著代謝組學的發展與應用，其相關技術和理論已被用於多個領域。尤其是農業領域，已經形成了一套完整的研究思路與體系。
小鹿這次來向大家介紹代謝組學在農業方向的應用及相關實驗設計。代謝組在農業領域的主要應用可簡要概括為三大類。（見下圖）
第一類為生物標誌物篩選：以動植物細胞組織為樣本，比對農業生產中動植物重要差異性狀代謝表徵，找出潛在的生物標誌物，用於農產品真假鑑定、風味或安全性檢測及動植物疾病診斷等領域；
第二類為代謝機理研究：一般與其他組學包括基因組、轉錄組、蛋白組，表觀組在內進行聯合性分析，多用以探究樣本代謝組變化的分子機制和遺傳基礎，為農業動植物的遺傳育種提供借鑑；
第三大類為代謝流研究：結合數學建模手段對生物代謝網絡進行挖掘分析，展現生物代謝的動態變化，用以定向改良提高作物生產力。具體案例如下。
一、生物標誌物篩選
從生命中心法則來看，代謝位於生命活動調控的終端，是最接近表型的組學，更能直觀反映機體被外界刺激或基因修飾後產生的響應變化。因此，將代謝物本身作為標誌物，往往可以更直觀地體現樣本間差異。目前，利用代謝組檢測生物標誌物，已廣泛用於農產品質檢、病理分析及成分分析領域。
示例1
案例來源：《Food Chemistry》
原文連結：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308814620309390
研究目的：利用代謝組分析不同飼料類型和煮熟對蛋黃及蛋清的影響
樣本來源：源自玉米或大米飼餵的雞生產的生雞蛋和煮雞蛋
研究手段：定量分析兩種飼餵方式產生的生雞蛋和煮熟後雞蛋中，水溶性代謝物的含量差異，發現造成口感差異的標誌性代謝物。
使用技術：水溶性代謝物的靶向代謝組學檢測，其中使用了LC-MS/MS技術定量游離的糖類化合物，CE-MS技術定量游離的胺基酸、有機酸和生物鹼等化合物。
實驗設計和關鍵結論展示：
圖1 | 實驗流程
結論1：
通過對不同類型樣本的代謝組數據進行主成分分析
發現雞蛋中水溶性代謝物的含量變化，按高到低取決於下列因素：蛋黃與蛋清的差異（PC1:70.3%），煮熟對雞蛋的影響（PC2:7.86%，PC3:3.22%），飼料類型對蛋黃的影響（PC4:2.55%）；而僅針對蛋黃樣本進行PCA分析時，可以發現飼料類型對蛋黃的影響更大（PC3:11.6%）；僅針對蛋清樣本進行PCA分析，同樣可以發現飼料類型對蛋清的影響更大（PC2:10.5%）。
結論2：
評估生雞蛋和煮熟後雞蛋中各種水溶性代謝物濃度之間的相關性，發現相對於蛋黃，煮熟對蛋清中的代謝物含量影響更大，而受影響的代謝物會隨飼料類型而異。
結論3：
評估玉米和大米飼餵得到的雞蛋中代謝物濃度之間的相關性，發現在飼餵大米得到的熟蛋清中賴氨酸、穀氨酸，天冬氨酸含量比飼餵玉米的要低，因此，不同飼餵方式得到的雞蛋中的代謝物含量也會被雞蛋的生熟顯著影響。
小鹿簡評
本文的研究過程和使用技術並不複雜，但切入點比較新穎，前人研究發現味道的來源多為水溶性物質，文章從靶向檢測這些水溶性代謝物入手，展示了在不水解的條件下，用代謝組評估不同飼料類型和加熱條件下的雞蛋不同部位成分差異的可行性。並發現了煮熟過程會影響雞蛋白中水溶性代謝物的濃度，但對蛋黃影響小。相比於玉米飼餵雞，水稻飼餵會使雞蛋中甜菜鹼和尿苷酸含量增加。
小鹿物語
這篇文章做的東西並不複雜，但卻可以發表在一區的Food Chemistry上，關鍵在於其構思精巧、解釋合理，分析精細，藉助靶向代謝組學檢測手段，找出差異代謝物，成功用代謝組手段揭示了，不同飼餵方式產生的雞蛋，在生或熟時蛋清和蛋黃的口感差異可能來源於哪些代謝物的變異。
二、代謝機理研究
單一的代謝組學分析只能揭示機體代謝的動態變化。定性定量代謝物，並不能說明代謝變化的分子與遺傳基礎。多組學聯合分析的手段，則可以幫助研究人員更好地挖掘表型變化背後的形成機制。目前，代謝組聯合其他組學，如「代謝組」+「轉錄組」等聯合分析已廣泛用於分子機制研究中。
示例2
案例來源：《The Plant Journal》
原文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/tpj.14899
研究目的：探究常綠植物耐寒性的分子機制
樣本來源：常綠杜鵑花「Elsie Lee」的葉片
研究手段：通過靶向代謝組學和轉錄組學技術對比常綠杜鵑花在自然冷馴化和人工冷馴化處理的植物代謝和轉錄水平的差異，尋找與植物冷馴化機制相關的代謝途徑與基因，嘗試揭示常綠植物冷馴化的遺傳基礎。
使用技術：生理生化實驗、轉錄組分析、靶向代謝組分析（由鹿明生物提供技術支持）。
實驗設計和關鍵結論展示：
圖2 | 實驗設計
結論1：
通過轉錄組學分析發現，實驗I，II和III分別富集到23、26和31條KEGG通路。實驗I特有的8條途徑涉及光合作用或保護作用，以及脂肪酸代謝途徑。在三個實驗共有的11條通路，包括涉及碳水化合物代謝的5條途徑、次級代謝的3條途徑、胺基酸代謝1條途徑，脂質代謝和晝夜節律相關途徑各1條，上述富集到的通路為探索完整冷馴化機制提供了充足的組學信息。
結論2：
在實驗I，II和III中，有5條碳水化合物代謝途徑富集了大量差異基因，分別是抗壞血酸和糖代謝、碳代謝和乙醛酸和二羧酸代謝途徑。途徑中大多數差異基因在實驗I中上調，而在實驗II和III中下調。在實驗I中，葉片葡萄糖和果糖濃度增加程度遠高於實驗II和III，而蔗糖在實驗I、II和III增加的程度接近，表明對於冷馴化而言葡萄糖和果糖比蔗糖更重要。
結論3：
常綠植物「Elsie Lee」，在初秋可能因為對光信號的響應而積累脫落酸（ABA）和茉莉酸（JA）從而導致植物在冬季到來後完成冷馴化。冬季到來後，ABA和JA含量下降，這可能與多不飽和脂肪酸的積累和玉米黃質被用於光保護作用有關。相比於人工冷馴化，自然冷馴化葉片中會積累更多的花青素，葡萄糖和果糖，從而表現出更強的耐寒性。
小鹿點評
耐寒性一直是植物抗脅迫（逆）研究的關注熱點之一，作者使用常綠植物「Elsie Lee」比較田間和人工冷馴化的轉錄組學與代謝組學差異，結合植株冷馴化過程中的生理生化數據，揭示了利用人工馴化機制理解自然冷馴化機制存在著局限性，秋季低溫前的光信號是植物自然冷馴化所必需的。
小鹿物語
對於探究複雜的生理表型的遺傳機制，單一的代謝組分析並不能詳細解釋其生物學原理，多組學聯合的手段往往更為有效。
三、代謝流分析
隨著代謝組研究的不斷深入，單一時間點的代謝物檢測，並不能直接向我們展示樣本在外界刺激或者基因修飾下的動態響應變化過程。結合數學建模與代謝組實驗的代謝通量（流）分析，利用同位素標記前體物質培養植物，通過連續取樣檢測的方式，使得動態監測代謝變化成功實現。目前，代謝流分析已廣泛用於作物光合研究中。
實例三
案例來源：《PNAS》
原文連結：
https://www.pnas.org/content/111/47/16967
研究目的：基於13C標記的代謝流分析高光適應對擬南芥葉片的代謝影響
樣本來源：溫室中生長的擬南芥葉片
研究手段：選取13CO2標記的不同光強下處理後的28天擬南芥葉片，用LC-MS/MS和GC-MS靶向代謝組等技術，來檢測葉片中光合作用終產物和中間產物的動態代謝變化。
使用技術：LC-MS/MS靶向代謝組，GC-MS靶向代謝組，Enzymatic assay，Western blot，GC-FID技術
實驗設計和關鍵結論展示：
圖3 | 實驗設計
結論：
本文成功構建了一套綜合的代謝流分析模型，包括卡爾文循環、光呼吸、分叉三羧酸循環途徑和澱粉、蔗糖和胺基酸等生物合成途徑。研究結果全面地描述了葉片適應強光後，發育過程中碳分配和總光合量的變化。儘管羧化速率增加了一倍，但在高光適應後，葉片的光呼吸通量從淨二氧化碳吸收量的17%增加到了28%，說明光合碳通量會適應強光而發生改變。
小鹿推薦
作為第一篇將13C同位素標記的代謝流分析成功應用於描述陸生植物系統光合通量動態變化的文章，成功定量描述了植物葉片在適應強光後的代謝動態變化，並詳細說明了一種描繪植物中碳代謝網絡動態變化的方法，為後續提高植物生產率提供了新的思路與見解。
小鹿推薦
文章研究方法新穎，成功將數學建模與代謝組檢測相結合，結合了不同學科手段，展現了代謝組廣闊的應用領域。
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END
文章來源於鹿明生物