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1、内 容,1 代谢组学简介 2 经典案例解析 3 合作的探索,1.代谢组学简介, 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,1.代谢组学简介,1.代谢组学简介：生物大分子与小分子,核酸 蛋白 碳水化合物 脂类,1.代谢组学简介：生物大分子与小分子,1.代谢组学简介：检测手段,代谢组的关键技术：高通量、高灵敏度各类质谱，NMR,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. 代谢组学：工作流程,Biological or Tissue Samples,Extraction,Biofluids or Extracts,Chemical Analysis,Dat
2、a Analysis,1. 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：,1. 代谢组学：应用,疾病诊断和发病机制研究 药物毒理学、新药筛选、药物安全评价 中药研究及中医结合 植物和农业研究 微生物与发酵研究 食品健康、食品安全和保健品研究 新能源发掘,1.代谢组学：种子萌发过程中的代谢,科学问题：膜脂变化？质体/叶绿体的生成？,吸胀,萌动,1.代谢组学简介：分析方法,数
3、据分析：海量数据，生物信息学方法,1.代谢组学简介：研究策略,研究思路 发现生理差异 检测代谢配置，找到代谢差异 找到代谢差异的原因 调控代谢差异的机制，应用,1. 代谢组学简介：代谢配置差异，定位化合物,内 容,1 代谢组学简介 2 经典案例解析 结合思考，运用到烟草种子相关的研究 3 合作的探索,2.经典案例解析：与玫瑰花香气有关的基因,2.经典案例解析：与玫瑰花香气有关的基因,问题的提出（生理） 历史上玫瑰有浓郁香味 现代玫瑰消失了香味 代谢上的差异 查找导致代谢不同的原因 找到相关的基因 潜在的运用,Fig1. Rose flowers of cultivars Golden Gate
4、 (GG) and Fragrant Cloud (FC) at different developmental stages.,比较: FC vs GG & FC1 vs FC4,2.经典案例解析：与玫瑰花香气有关的基因,黄玫瑰有香气，从第四阶段开始。,2.经典案例解析：与玫瑰花香气有关的基因,问题的提出（生理） 代谢上的差异 与香气有关的化合物的差异 查找导致代谢不同的原因 找到相关的基因 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。,2.经典案例解析：与玫瑰花香气有关的基因, 收集挥发物 GC-MS 分析,2.经典案例解析：与玫瑰花香气有关的基因,问题的提出（生理）
5、 代谢上的差异 查找导致代谢不同的原因 基因表达差异 差异基因中，有与挥发物合成相关的 找到相关的基因 潜在的运用,2.经典案例解析：与玫瑰花香气有关的基因,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,2.经典案例解析：与玫瑰花香气有关的基因,没有商业化的芯片（非模式植物） 已经的基因组信息很少（非模式植物） 自己制作芯片 利用已经数据库注释（推测基因功能）作为探针 经过几个步骤。,微阵列实验A：基因功能/探针,FC/EST文库 1834克隆 功能注释 分类 选出350基因做芯片探针,350探针putative functions: 因为两种花瓣在大小/颜色等有差
6、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 with unknown function.,微阵列实验B：FC和GG、FC1和FC4中350基因的表达水平检测,Microarray 350 genes: Primary & 2nd metabolism and organization, cell rescue, si
7、gnaling, and unknown. A, B glass slides. Each slide held 3 copies of entire array. 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 inten
8、sities were determined and normalized after hybridization.,Reliability of microarray Counting 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 B scatterplot (logA, logB) correlation coefficient 0.95 microarray was reliable,2.经典
9、案例解析：与玫瑰花香气有关的基因,结果：找到40个基因，既在FC中表达高，又在FC4中表达高。,比较：FC4和GG4，FC1和FC4,2.经典案例解析：与玫瑰花香气有关的基因,40个基因中，部分基因注释（推测）功能和表达样式,挑选有代表性的基因（FC0592）做下一步实验。,FC0592功能验证1：,序列比对： 与已知功能的基因，相似性高。,FC0592 is 2092 bp and bears an open reading frame coding for 565 amino acid. The deduced protein sequence exhibited the high sim
10、ilarity (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 (+)-cadinene synthase and tomato germacrene C synthase. 大根香叶烯（一种倍半萜烯）
11、合酶.,FC0592功能验证2: Northern 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,Figure 5. RNA gel blot analysis of the putative sesquiterpene synthase Total RNA was extracted 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 analyze
12、d for FC0592 expression,FC0592: a cultivar-specific and mature-petal-specific expression.,FC0592功能验证3: 离体证据 体外实验证明能催化香气合成反应,The putative 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 sy
13、nthase,To determine whether FC0592 codes for a sesquiterpene synthase & what type sesquiterpene produced: FC0592 was cloned into a vector to obtain a active combinant enzyme. In vitro reaction: lysates of bacteria + substrate (FPP) ? ( examining by GC-MS) Putative Germacrene D FPP = franesyl diphosp
14、hate, a substrate in sesquiterpene synthesis,FC0592功能验证5：FC中大根香叶烯产生的时空与基因表达已知,Figure 7. Germacrene D emission from rose petals during development,结论：FC0592编码的蛋白是大根香叶烯合酶，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。,FC0592功能验证4：FC挥发物中有大根香叶烯,2.经典案例解析：膜脂代谢,核酸 蛋白 碳水化合物 脂类,2.经典案例解析：膜脂代谢,膜，区室化,2.经典案例解析：膜脂代谢,三酰甘油， 中性
15、能量与C源贮 种子和花粉,磷脂,Buchanan et al,2.经典案例解析： 膜脂代谢,检测膜脂组成 分析膜性质变化 生理功能 膜相变/渗漏/流动性,2.经典案例解析：膜脂代谢,2002年，引用率230多次。,2.经典案例解析：膜脂代谢,2004 “自然 生物技术”,2.经典案例解析：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研究成果。,2.经典案例解析：膜脂代谢,高山流石滩 海拔4500m,2.经典案例解析：膜脂代谢,2.经典案例解析：膜脂代谢,待发表论文（重要种子生理现象机制解析） 吸胀冷害，表型 基因型差异 组学解析 机制验证 顽拗型种子，表型 组学解析
16、突变体 基因 蛋白表达/细胞定位变化 应用,内 容,1 代谢组学简介 2 经典案例解析 3 合作的探索 结合思考，运用到烟草种子相关的研究,3. 合作的探索：层次,战术合作 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） 战略合作 长期的科研伙伴 种子生物学的研发和保藏管理,3.合作的探索：研究组的领域和技术介绍,研究领域“植物分子生理与功能基因组学” 研究方向包括： 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； 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。,3.合作的探索：研究组的领域和技术介绍,研究组课题和技术介绍 遗传操作 蛋白检测 基因组和转录组分析,基因表达检测 常见五种激素检测 脂类组学、脂肪酸检测 种子的生理生化 种子的细胞、亚
