植物代谢专题 | 如何利用多组学技术找出植物研究突破口

植物在时空和/或环境中产生大量的代谢产物，这不仅给植物代谢多样性研究带来了挑战，也使植物成为识别代谢产物和解剖代谢途径的理想模型。植物代谢产物在生长、细胞补充和整个植物资源分配以及植物适应不断变化的环境中起着至关重要的作用。因此，代谢组通常被视为植物生理状态的“读数”以及基因型和表型之间的桥梁。越来越多的学者采用基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学等分析方法去探索植物代谢的多样性以及植物细胞控制自身化学成分的潜在分子机制（Fang C et al.,2019）。下面就汇总几篇植物代谢多组学研究案例思路，供老师们参考。
 

1. 植物代谢组

【文章题目】The metabolomic landscape of rice heterosis highlights pathway biomarkers for predicting complex phenotypes
水稻杂种优势的代谢组学景观突出了代谢通路生物标志物在预测复杂表型中的作用
【影响因子】8.005
【发表期刊】Plant Physiology
【发表时间】2021
【实验路线】
步骤1：分别鉴定六个农艺性状杂种优势相关代谢分析物；
步骤2：性状间杂种优势代谢物相关性分析；
步骤3：杂种优势富集的代谢通路分析，绘制水稻生殖性状和营养性状杂种优势的代谢组学景观；
步骤4：富集通路预测产量杂种优势。
【总结】文章使用植物代谢组和机器学习算法，绘制了水稻杂种优势的代谢组学景观，并探索了代谢通路生物标志物在实现复杂表型的准确预测方面的应用潜力，进而为辅助育种提供新思路。
 

1. 植物代谢组+转录组

【文章题目】Occurrence of antibiotics in Lettuce (Lactuca sativa L.) and Radish (Raphanus sativus L.) following organic soil fertilisation under plot-scale conditions: Crop and human health implications
大田条件下有机土壤施肥后生菜和萝卜中抗生素的发生:作物和人类健康的影响【影响因子】10.588
【发表期刊】Journal of Hazardous Materials
【发表时间】2022
【实验路线】
步骤1：施肥产品中抗生素的分析；
步骤2：植物对 ABs 的吸收研究；
步骤3：植物农艺变化研究；
步骤4：植物代谢组研究；
步骤5：植物基因表达研究；
步骤6：人类健康影响研究。
【总结】该文使用不同施肥产品处理两种蔬菜（生菜和萝卜），并在两个生产周期中测量了肥料和农作物中 的ABs和 AB 转化产物 (TPs)。此外，还使用植物代谢组和转录组方法研究了不同施肥产品处理对作物的影响，并评估了人类健康风险。结果发现在田间规模使用不同的施肥产品会导致植物吸收 ABs，吸收量取决于化合物种类和植物品种，但不影响植物农艺学、代谢组学和转录组学，且不会对人类健康构成威胁。另外植物多巴胺含量可作为有机肥的示踪剂。
 

1. 植物代谢组+蛋白组

【文章题目】Integrating proteomics and metabolomics approaches to elucidate the ripening process in white Psidium guajava
整合蛋白质组学和代谢组学方法以阐明白番石榴的成熟过程
【影响因子】9.231
【发表期刊】Journal of Hazardous Materials
【发表时间】2022
【实验路线】
步骤1：蛋白组学分析；
步骤2：非靶标代谢组学及靶标代谢组学分析；
步骤3：蛋白组学及代谢组学联合分析；
【总结】该文通过对白番石榴两个成熟阶段的不同果实组织使用蛋白质组学和代谢组学技术研究了白番石榴成熟过程中未描述的代谢途径的调节。结果发现脱落酸（ABA）信号对白番石榴成熟过程中生化变化的调节有积极作用。该研究初步了解白番石榴成熟过程中外部感应和信号转导所涉及的分子机制，其中生长调节剂可以微调果实性状的生化变化。


4.植物代谢组+转录组+蛋白组+microRNA测序

【文章题目】Multi-omics analysis reveals the molecular responses of Torreya grandis shoots to nanoplastic pollutant
多组学分析揭示香榧幼苗对纳米塑料污染物的分子响应机制
【影响因子】10.588
【发表期刊】Journal of Hazardous Materials
【发表时间】2022
【实验路线】
步骤1：PSNPs处理对香榧幼苗生理生化指标的影响；
步骤2：PSNPs处理对香榧幼苗microRNAomic的影响；
步骤3：PSNPs处理对香榧幼苗蛋白组的影响；
步骤4：PSNPs处理对香榧幼苗代谢组的影响；
步骤5：PSNPs处理对萜类、苯丙素和类黄酮生物合成的影响。
【总结】该文使用植物代谢组、蛋白组、转录组、microRNA测序等技术系统地研究了PSNPs对香榧（中国特有经济树种）幼苗的潜在毒性机制，研究表明PSNPs处理对香榧幼苗一系列化学和遗传指标均有重要影响。比如PSNPs促进了TBARS含量和CAT、POD活性，降低了铁、硫和锌的浓度，PSNPs通过调节小RNA表达和蛋白水平来调节萜类和类黄酮的生物合成途径，该研究为纳米塑料对森林植物生长的影响提供了新的见解。


5.植物代谢组+微生物组+转录组

【文章题目】Plant flavones enrich rhizosphere Oxalobacteraceae to improve maize performance under nitrogen deprivation
植物黄酮类分泌物通过在根际富集草酸杆菌以改善玉米的缺氮性状
【影响因子】17.352
【发表期刊】Nature Plants
【发表时间】2021
【实验路线】
步骤1：沿纵向根轴的发育梯度在其转录组学结果中有所不同；
步骤2：根际细菌群落组成沿根纵轴移动，而真菌群落组成则不移动；
步骤3：沿纵向根区的根系转录组与根际微生物组的关联分析；
步骤4：根转录组和根际微生物组的基因型依赖性变化与植物性能同步；
步骤5：类黄酮成分与根际微生物群组成和玉米生长特性一致；
步骤6：植物黄酮介导根际细菌类群的特异性变化，影响土壤中氮的捕获
步骤7：黄酮条件下的根际微生物群足以恢复 lrt1 性能
步骤8：草杆菌科分离株对侧根形成和植株生长的影响依赖于LRT1
【总结】该文使用多组学技术研究了缺氮条件下玉米根系结构与特定的功能微生物群落之间的反馈调节机制。研究发现玉米根系纵向发育区域的功能特性与特定的微生物多样性相关；黄酮类根系分泌物可驱动玉米根际富集草酸杆菌，从而促进玉米生长与氮素吸收；在缺氮条件下，协调玉米根系与黄酮依赖性根际微生物—草酸杆菌之间相互作用的是突变体LRT1。研究揭示了玉米通过根系结构与根际特定微生物类群间的相互作用，从而改善玉米植株在缺氮下的性状。这一发现可能为通过调节作物与有益土壤微生物间的相互作用来开发高产高营养的作物开辟新的途径。

6.植物代谢组+空间代谢组+宏转录组

【文章题目】Novel metabolic interactions and environmental conditions mediate the boreal peatmoss-cyanobacteria mutualism 
新的代谢相互作用和环境条件介导泥炭-蓝藻共生
【影响因子】11.217
【发表期刊】ISME Journal
【发表时间】2022
【实验路线】
步骤1：不同pH条件对泥炭藓-念珠藻共生关系的影响；
步骤2：代谢交叉喂养研究；
步骤3：空间代谢组学研究;
步骤4：宏转录组学研究。
【总结】该文使用交叉喂养的方法，通过空间代谢组、植物代谢组和宏转录组学来表征泥炭藓（Sphagnum）和念珠藻属蓝藻（Nostoc cyanobacteria）之间的共生关系，阐明了广泛存在的植物-蓝藻共生的环境、代谢和生理基础。研究发现海藻糖是泥炭藓释放的主要碳水化合物来源，而念珠藻与牛磺酸和磺乙酸等一起消耗了海藻糖。作为交换，念珠藻增加了嘌呤和氨基酸的分泌。该研究对预测泥炭地生态系统的碳和氮循环以及一般宿主-微生物相互作用的基础具有重要意义。