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1、代谢组介绍173909561661;.1. 1.背景知背景知识1.1代代谢组学与系学与系统生物学生物学21. 1.背景知背景知识1.1代代谢组学与系学与系统生物学生物学l代代谢组是生物体表型的基是生物体表型的基础和直接体和直接体现者。者。代谢组与基因组、转录组、 蛋白组相比更接近生物体的表型， 基因组和蛋白组的微小变化可以在代谢组层面得以体现和放大 。代谢产物作为生物体在内外因素作用下基因转录和蛋白表达的最终结果， 是生物体表型的物质基础。l代代谢组是基因是基因组与表型与表型组的的桥梁。梁。通过代谢组学与其他组学技术（如转录组学、基因组学）的整合，植物代谢组学在功能基因鉴定、代谢途径解析及自然
2、变异的遗传分析等方面都取得了较大的进展。代谢组学技术与基因组学和蛋白质组学数据结合时将会成为一种有力的分析工具，并具有广阔的应用前景。31. 1.背景知背景知识AB Sciex QTRAP 6500 LC-MS/MS 液质联用仪（迈维主要应用该平台）Agilent 7890A-5975C GC-MS气质联用仪Agilent 600 MHz DD2 NMR 核磁共振仪1.2代代谢组学研究技学研究技术41. 1.背景知背景知识1代代谢组学研究技学研究技术l传统的液相色谱-质谱方法有靶向代谢组学（Targeted metabolomics）和非靶向（Non-targeted/Untargeted m
3、etabolomics） 两种。l靶向代谢组学方法只能对少数已知代少数已知代谢物物进行定性和定量行定性和定量检测，但其具有灵敏度高、定灵敏度高、定量准确的特点量准确的特点。l与之相反，非靶向代谢组学方法能能够同同时检测数百乃至数千种代数百乃至数千种代谢物物（包括已知和未知代谢物） ，但其灵敏度灵敏度较之前者减低 1-2 个数量级，定性定量准确性也相定性定量准确性也相对较差差 。针对上述两种方法的优缺点，近年来相继发展出能够同时定性、定量数百种已知代谢物和定量近千种已知及未知代谢物的广泛靶向代谢组学分析方法（Widely-targeted metabolomics） 罗杰，2014，植物代谢组学
4、技术及研究进展51. 1.背景知背景知识1.2代代谢组学研究技学研究技术6提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Services广泛靶向代广泛靶向代谢组技技术非靶向代非靶向代谢组技技术一次可以检测1000种以上物质 高通量高通量可以检测pg级以下物质 高灵敏高灵敏一般3次生物学重复 重复好重复好利用QTRAP先天优势 定量准定量准拥有自建MVDB V2.0数据库 数据数据库低通量低通量 一次可以检测100-200种物质低灵敏低灵敏 主要检测初生代谢物
5、重复差重复差 一般至少6次生物学重复定量差定量差 QTOF先天不足数据数据库 公用普通数据库信息72. 2.产品特点品特点广泛靶向代谢组：建库数据库建立MRM检测数据分析非靶向代谢组：全扫数据分析全扫挑选含量高的采集二级谱数据分析2.1广靶与非靶流程比广靶与非靶流程比较82. 2.产品特点品特点广泛靶向代谢组：建建库数据库建立MRM检测数据分析建库：基于MIM-EPI的方法，对其进行进一步方法优化，发现更多潜在的代谢物离子，发掘更多有生物学功能的代谢物，建立物种特异质谱代谢数据库的过程。意义：发掘物种特异代谢物，检测低含量代谢物。 Chen et al，MP，2013 92. 2.产品品优势广
6、泛靶向代谢组：建库数据数据库建立建立MRM检测数据分析数据库建立：通过标准品、人工解谱、文献资料和数据库匹配等手段，鉴定物质，建立代谢组数据库。102. 2.产品特点品特点广泛靶向代谢组：建库数据库建立MRM检测数据分析MRM扫描：利用物质检测相关参数（Q1，Q3，RT，DP，CE）检测不同样本中物质的相对含量，获得物质的定性定量数据。112. 2.产品特点品特点广泛靶向代谢组：建库数据库建立MRM检测数据分析数据分析数据分析（定性）：利用MRM检测到的信息（RT，Q1，Q3）在MWDB3.0数据库中匹配物质信息。122. 2.产品特点品特点广泛靶向代谢组：建库数据库建立MRM检测数据分析数据
7、分析132. 2.产品特点品特点广泛靶向代谢组：建库数据库建立MRM检测数据分析数据分析数据分析（定量）：利用定量软件Multiquant自动积分校正软件计算Q3峰面积，人工积分查看（根据RT和峰型等），转换成Excel表数值，即特定物质在样本中的相对含量。142. 2.产品特点品特点非靶向代谢组：全扫数据分析全扫挑选含量高的采集二级谱数据分析全扫（定性定量）：利用色谱柱分离样本中代谢物，1s内Q1全扫，通过TOF获得母离子精确分子量，搜库定性物质（只参考了Q1分子量）。同时，利用Q1丰度获得物质在样本中的相对含量。全扫挑选含量高的采集二级谱数据分析：利用色谱柱分离样本中代谢物，1s内Q1全扫
8、，采集相对含量高的Q1采集二级谱信息，用于物质定性，（速度慢）。非靶目前通常做法用Q1检测后，筛选差异代谢物，然后挑选差异代谢物采集二级谱，用于物质准确定性。15提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Services产品品1 1：广泛靶向：广泛靶向代代谢组+ +重重测序（序（mGWASmGWAS）u产品介绍u定位与价格u应用与案例16提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic Servic
9、esProviding Advanced Metabolomic Services利用自然群体、人工群体作为研究材料，基于重测序的信息，结合代谢组结果，进行代谢组的全基因组关联分析（metabolome Genome-Wide Association Study, mGWAS），批量、精准定位候选基因，挖掘代谢生理、表型相关的功能基因，阐释相关pathway分子、生化机理。umGWASmGWAS产品介绍17提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Ser
10、vicesumGWASmGWAS产品应用与案例l题 目： Metabolite-based genome-wide association studies in plantsl期 刊 名：Current Opinion in Plant Biologyl发表时间：2015，24:31-38l技术平台：广泛靶向代谢组，二代测序l文章内容：The plant metabolome is the readout of plant physiological status and is regarded as the bridge between the genome and the phenome
11、of plants. Unraveling the natural variation and the underlying genetic basis of plant metabolism has received increasing interest from plant biologists. The work-flow of mGWAS in plants18提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Services广靶广靶+ +重重测序（序
12、（mGWASmGWAS）l题 目： Genome-wide association analyses provide genetic and biochemical insights into natural variation in rice metabolisml期 刊 名：Nature Geneticsl发表时间：2014，46:714-721l技术平台：广泛靶向代谢组，二代测序l材 料：529份水稻自然群体，选取水稻五叶期剑叶l方案设计：通过广泛靶向代谢组检测技术，获得水稻剑叶的代谢组数据，利用重测序获得材料SNP信息。基于代谢组数据和重测序SNP信息，开展mGWAS（代谢组全基因组关
13、联分析）研究。l文章内容：Here we report comprehensive profiling of 840 metabolites and a further mGWAS based on 6.4 million SNPs obtained from 529 diverse accessions of Oryza sativa. We identified 36 candidate genes modulating levels of metabolites that are of potential physiological and nutritional importance.
14、 As a proof of concept, wefunctionally identified or annotated five candidate genes influencing metabolic traits. 19提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Services1.对529份水稻群体材料通过广靶检测，检测到840个物质，最终鉴定了277个物质。2.基于测定代谢物的群体分层分析能够将529份水稻分为indica和japonica
15、两个亚群（C-糖基化黄酮）。20提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic ServicesKenji Yano et al, Nat Genet, 20163.基于重测序640万个SNP和代谢组数据开展mGWAS关联分析，最后得到161个loci对应鉴定物质，195个loci对应未知物质，并筛选出36个重要代谢物合成调控的候选基因。21提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic Service
16、sProviding Advanced Metabolomic Services22提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Services4.通过遗传转化及生化分析，鉴定了其中5个基因的功能，并进一步重构了水稻逆境抗性及营养成分相关的重要代谢途径。23提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Servicesl
17、题 目：Spatiotemporal Distribution of Phenolamides and the Genetics of Natural Variation of Hydroxycinnamoyl Spermidine in Ricel期 刊 名：Molecular Plantl发表时间：2015, 8:111-121l技术平台：广泛靶向代谢组，二代测序l材 料：156份水稻自然群体，选取水稻剑叶l方案设计：基于广泛靶向代谢组技术检测水稻不同时期、不同样本的酚胺代谢物。基于代谢组数据和重测序SNP信息，开展mGWAS研究。l文章内容： In this study, we repo
18、rt the comprehensive metabolic profiling and natural variation analysis of phenolamides in a collection of rice germplasm using a LC-MS based targeted metabolomics method. Further mGWAS in rice leaf and in vivo metabolic analysis of the transgenic plants identified Os12g27220 and Os12g27254 as two s
19、permidine hydroxycinnamoyl transferases that might underlie the natural variation of levels of spermidine conjugates in rice.24提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic ServicesumGWASmGWAS产品应用与案例JournalIFTimePopulationsNature Genetics32.12014-06-0852
20、9JIPB 3.12014-04-15156Molecular Plant 6.32014-12-10156Plant Cell 8.52016-06-27480Nature Communications11.32016-10-04502Molecular Plant 7.12016-10-10221Nature Communications11.02014-3-17702PNAS10.72013-12-10210TOTAL90.125提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced
21、Metabolomic Services产品品2 2：广泛靶向：广泛靶向代代谢组+ +转录组（广靶（广靶+ +转录）u产品介绍u定位与价格u应用与案例26提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Servicesu广靶+转录组产品介绍l植物生植物生长发育、抗逆机制研究育、抗逆机制研究l药用植物用植物资源保源保护、药物代物代谢研究研究l农作物作物农艺性状性状遗传改良研究改良研究l蔬果花卉的色蔬果花卉的色泽营养代养代谢研究研究APPLICATIONSAPPL
22、ICATIONS27提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Servicesu广靶+转录组产品应用与案例l植物生植物生长发育、抗逆机制研究育、抗逆机制研究l药用植物用植物资源保源保护、药物代物代谢研究研究l农作物作物农艺性状性状遗传改良研究改良研究l蔬果花卉的色蔬果花卉的色泽营养代养代谢研究研究APPLICATIONSAPPLICATIONS植物抗逆性研究植物抗逆性研究在非生物逆境下植物的适在非生物逆境下植物的适应能力称能力称为抗逆性，抗逆性，这一性状
23、是植物在一性状是植物在对外界自然外界自然环境境长期适期适应过程中程中驯化形成的，植物抗逆性一般分化形成的，植物抗逆性一般分为三种：耐逆性（三种：耐逆性（stress tolerancestress tolerance）、御逆性（）、御逆性（stress stress avoidanceavoidance）和避逆性（）和避逆性（stress escapestress escape）耐逆性：耐逆性：植物在非生物逆境胁迫下，通过调控基因表达和代谢物积累变化适应逆境。如干旱条件下诱导 水稻转录因子bZIP和植物激素ABA的积累，适应干旱的环境。御逆性：御逆性：植物通过特定形态结构的特殊变异降低非生物逆
24、境造成的影响。如仙人掌叶片退化成刺，降低 蒸腾作用。避逆性：避逆性：植物通过调整生长发育特点，逃避季节性或气候性逆境的干扰。持续轻度的干旱条件下诱导水 稻减少营养生长，加速生殖生长提前完成生殖周期。28提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Servicesl题 目：Combined transcriptome and metabolome analyses to understand the dynamic responses of rice pla
25、nts to attack by the rice stem borer Chilo suppressalis (Lepidoptera: Crambidae)l期 刊 名：BMC Plant Biology (2016)l技术平台： UPLC-MS和GC-MS ，二代测序l材 料：水稻l方案设计： 饲虫试验：盆栽水稻放到小屋中，24h后用2h未喂食的水稻螟虫处理，取被水稻螟虫侵染 位置4cm以上的水稻茎杆用于样本制备。 取样时间：0，24，48，72和96h 转录组：0，24，48，72h；4个生物学重复 代谢组：0，48，72，96h；10个生物学重复 （因为水稻受到水稻螟虫处理后，转录组
26、比代谢组反应更快）29提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Servicesl期 刊 名：Plant Celll发表时间： 2016 , doi:10.1105l技术平台：非靶向代谢组，Medicinal Plant Genomics Resource（MPGR）,分子生物学l材 料：喜树根、茎杆、茎尖、幼叶、成熟叶子l方案设计：基于non-targeted UPLC/MS/MS检测到camptothecin（喜树碱）代谢通路19种代谢物，通过MPG
27、R中蛇根木和长春花的转录组数据共表达分析筛选到喜树中喜树碱合成基因，包括TDC1和CYC1，最后构建出喜树中喜树碱合成代谢途径，为抗癌药物喜树碱合成和代谢生物工程提供基础。半合成抗癌半合成抗癌药物喜物喜树碱代碱代谢途径研究途径研究30提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Services代代谢组+ +转录组解析白葡萄抗旱机制（正常和旱解析白葡萄抗旱机制（正常和旱胁迫，迫，3 3个个时期）期）代谢组代谢组-苯丙烷类（ phenylpropanoids）
28、、单萜类（monoterpenes）和生育（ tocopherols）等物质含量明显增加，而类胡萝卜素（ carotenoid）和黄酮类（ flavonoid ）等物质含量呈现差异的积累模式；转录组转录组-旱胁迫诱导18个苯丙烷类、16个黄酮类、9个类胡萝卜素类和16个萜类物质合成结构基因表达；31提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Servicesu广靶+转录组产品应用与案例代代谢组检测转录组分析分析共表达分析共表达分析筛选靶基因靶基因重构代重构
29、代谢途径途径基因功能基因功能验证不同品种取样不同时期取样不同组织取样不同处理取样植物生长发育植物抗逆境药用植物资源保护农作物农艺性状蔬果花卉营养色泽32提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Services植物激素植物激素l题 目：Expression of Vitis amurensis NAC26 in Arabidopsis enhances drought tolerance by modulating jasmonic acid synth
30、esisl期 刊 名：Journal of Experimental Botanyl发表时间：2016, 67: 28292845l技术平台：芯片技术、分子生物学、LC-MS/MSl材 料：山葡萄、拟南芥野生型和转基因材料。l研究背景：The growth and fruit quality of grapevines are widely affected by abnormal climatic conditions such as water deficits, but many of the precise mechanisms by which grapevines respond
31、to drought stress are still largely unknown.33提供领先的代谢组学服务提供领先的代谢组学服务Providing Advanced Metabolomic ServicesProviding Advanced Metabolomic Services黄黄酮代代谢组之分子生物学方向之分子生物学方向l题 目：Enhancement of oxidative and drought tolerance in Arabidopsis by overaccumulation of antioxidant flavonoidsl期 刊 名：Plant Jl发表时间
32、：2014, 77: 367379l技术平台：芯片技术、分子生物学、 LCPDAMS (光电二极管)，QTOFMSl材 料：Col-0Col-0，MYB12OX ，pap1-D，WOX1 (double overexpressor)l研究背景： The notion that plants use specialized metabolism to protect against environmental stresses needs to be experimentally proven by addressing the question of whether stress tolerance by specialized metabolism is directly due to metabolites such as flavonoids.34 谢谢35
