植物在非生物胁迫下代谢组学与转录组学的研究进展

张菡倩，秦玉莹，黄 凯，陈建军

（云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650201）

0 引言

非生物胁迫是所有不利于植物生长的非生物条件的总称，它指与植物的正常生长和发育的条件相比，会破坏植物体内稳态平衡现象的条件。如盐分、紫外线辐射、水分、重金属、极端温度等［1］。当植物处于逆境条件下，非生物胁迫会阻碍植物的生长发育，因此，植物必须根据当前的应激条件对代谢网络进行配置，维持必要的代谢，采用新的稳态来适应逆境［2］。植物对环境胁迫的细胞和分子反应已经得到了广泛的研究［3］。理解植物感知环境信号并将信号传递给细胞以产生适应性反应的机制，对生物学具有基础的重要性［4］。

植物细胞产生不同的胁迫诱导的自卫机制，以减少胁迫的影响。这些防御机制是通过改变基因表达模式来发展的，造成蛋白质合成的定性和定量偏差，从而影响某些代谢和防御途径的调节［5］。目前代谢组学发展迅速，已经被应用于植物［6］、动物［7］和医学［8］等研究领域。新的代谢分析技术为生物学家了解植物在胁迫条件下的防御机制提供了支撑［9］。代谢组学技术目前能够使用不同的多变量分析，这些分析来自各种联用和色谱发现系统，例如气相色谱或液相色谱与质谱联用系统，或以核磁共振（NMR）为基础的系统［3］。转录组学的研究对于理解基因组的功能成分和揭示细胞的分子组成是必不可少的［10］；转录组学是基于DNA微阵列技术的mRNA表达水平的高通量测序技术［11］。转录组学提供了定性定量分析多种mRNA基因表达差异的能力［12］。其主要目标是精确全面地描述转录组，包括所有种类转录本的注释、基因转录结构的测定以及不同条件下每个转录本差异表达水平的量化［13］。目前转录组学已广泛应用于植物学［14］、生物学［15］和医学［16］等基础研究领域。

1 代谢组学

1.1 代谢组学的概念

代谢组学（Metabolomics或Metabonomics）是全面了解生物体代谢网络调控的有力工具，为我们提供了植物关键成分对非生物胁迫的代谢反应的全面概述［17］。代谢组学可以对一定时空下植物的特定组织或细胞进行代谢产物的定性定量分析，可以从宏观角度研究植物的胁迫机制，更有利于揭示各种胁迫下植物代谢的复杂性［18］。

1.2 代谢组学的技术平台

由于生物体内小分子代谢物的化学结构和特性种类繁多，因此至今仍没有单一的技术可以对所有这些分子进行鉴定和定量。即使是最全面的方法，也只能检测到1 000~2 000个分子特征［19-20］。代谢组学的各种检测手段通常结合使用，因为它们在很大程度上与每个独立的方法互补，优先覆盖不同类型的代谢物［21］。其常用方法的优点和局限性如表1。

表1 代谢组学的主要技术平台及其特点［22］

1.3 代谢组学在植物抗逆性研究中的应用

随着技术的发展，各种组学技术被应用于植物研究中［23］。长期以来，初级和次级代谢产物被认为是基因和蛋白质活性的最终产物，与其他组学技术相比，代谢组学可以更全面地了解代谢网络是如何调控的，可以直接反映出生物体的生理生化功能［24］。目前代谢组学已广泛应用于植物［25］、食品［26］、微生物［27］和医学［28］等相关领域。

植物的正常生长发育和繁殖需要阳光、氧气、水分和矿质元素等条件，但当这些条件超过了植物的需求时，就会对植物产生胁迫，同时植物也会对这些胁迫条件作出相应的响应，这些响应便是植物的抗逆性。Rabara等［29］对烟草和大豆进行了代谢组学研究，证明了4-羟基2-酮戊二酸和香豆雌酚分别可以作为茄科植物和豆科植物响应干旱胁迫的代谢标记物。Yang等［30］对两个品种的大豆进行代谢组学的研究，发现普通野生大豆主要通过刺激柠檬酸循环从而产生更多的ATP来忍耐盐胁迫，而耐盐性的大豆主要是通过调控氨基酸和有机酸的代谢来产生更多的可溶性物质从而忍耐盐胁迫。Cevallos等［31］通过对柑橘叶片在患黄龙病和缺锌条件下的差异代谢组学研究发现，柑橘叶片在黄龙病下具有区别于缺锌条件下的生物标志物，如α-草烯、β-榄香烯、脯氨酸和反-丁香油烃等，这些物质可以作为柑橘叶片黄龙病的重要诊断依据。Wang Y等［32］分别对镉、铅胁迫下的萝卜根进行代谢组学研究，结果表明铅或镉胁迫会引起糖、氨基酸和有机酸等代谢物的改变；通过KEGG对代谢通路的富集研究表明，在铅胁迫下碳水化合物代谢、能量代谢和谷胱甘肽代谢发生了显著变化，而在镉胁迫下能量代谢、氨基酸代谢及氧化磷酸化相关途径发生了变化。对逆境下植物的代谢组学的研究，扩展了植物对逆境的分子响应机制，有助于进一步剖析植物在逆境下的耐受机制。

2 转录组学

2.1 转录组学的概念

转录组是生物体及细胞在特定时空下完整的RNA转录本，代表了表型与DNA编码信息之间的重要联系，可以揭示生物过程中的分子机理［33］。自提出以来，转录组学在各学科研究领域中发展迅速，如植物育种［34］、食品安全工程［35］、环境与微生物的相互作用［36］等。转录组方法对于理解应激响应中发生的分子和细胞变化非常重要。这些方法主要依靠采用Northern blot / RNA blot和逆转录PCR（RT-PCR）等传统方法，可以研究不同组织和细胞中基因的表达情况，而其表达程度的确认可通过定量PCR或实时PCR来实现［37］。此外，全基因组表达谱分析工具，如微阵列分析、下一代测序和RNA测序等，在这方面提供了巨大的帮助。

2.2 转录组学的技术平台

转录组学技术都是开放平台，旨在以高通量、低成本的方式直接对核酸进行测序［38］。每个平台都采用了不同的方法，但都保持了3个主要策略：模板准备、测序和成像以及序列的对齐和组装。目前转录组学所用的主要技术及其特点如表2所示。

表2 转录组学的主要技术平台及其特点

2.3 转录组学在植物抗逆性中的应用

在分子水平上，基因表达的调节对于植物的调节过程非常重要，决定了植物的生长发育进程。随着现代生物技术的不断发展，对植物的逆境响应研究已经从表观形态结构的适应发展到微观的内在生理适应、生理适应网络及转录水平、翻译水平等分子层面上。目前转录组被广泛应用在大豆［42］、小麦［43］等粮食作物，草坪草［44］等园艺植物及药用植物［45］等上。

在非生物胁迫下，植物通过改变自身形态、生理生化水平从而适应不利的生存环境。Kovalchuk等［46］对长期暴露于镉和铅胁迫的植物的全球基因组表达分析表明，Cd胁迫下分别有65个基因上调和338个基因下调，Pb胁迫下有19上调基因和76个下调基因；其中，在经过Pb处理的植物中，半数改变其表达的基因在经过Cd处理的植物中也发生了改变；与Pb相比，Cd调控的基因数量越多，说明植株的基因组不稳定性越高，吸收能力也越强。张国儒等［47］对盐胁迫下的番茄叶片进行转录组学研究，测序样品中共4367个基因在样品间表达出显著差异，经过通路富集分析，认为Solyc02g014190.2、Solyc03g083420.2、Solyc08g 066270.1、Solyc09g082890.1和Solyc10g018530.1为番茄的耐盐相关基因。Wang等［48］使用实时逆转录q-PCR技术对铁缺乏条件下的拟南芥进行研究，结 果 表 明BHLH038、BHLH039、BHLH100和BHLH101可能参与介导缺铁诱导的应激反应或与植物体内铁稳态相关的信号传导。

3 植物对不同非生物胁迫的响应

当植物面临不利的生长条件时，非生物胁迫会阻碍植物的生长和生产力。植物会根据当前的压力状况重新配置代谢网络，以维持必需的代谢并通过采用新的稳态来适应环境［49］。植物对逆境的响应涉及到不同的信号感受、信号传导以及基因的表达与调控，具有庞大的调控网络［50］。温度、水分及重金属等是对植物生长和作物生产有不利影响的常见胁迫条件。

3.1 植物在温度胁迫下的代谢与转录组学研究

温度胁迫几乎可对植物生长的所有阶段造成严重损害，温度胁迫不仅使植物的生长发育受阻，还会造成细胞内稳态的不可逆损害、代谢途径的破坏、结构和功能蛋白质的降解以及细胞膜脂过氧化，造成细胞死亡，甚至可能导致植物的死亡［51］。

在高温胁迫下，植物主要通过调节抗氧化系统、热激蛋白、渗透调节物质这四部分来适应高温环境［52］。李川等［53］的研究结果表明热激转录因子（Hsfs）、热激蛋白（Psps）、磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸基因家族（PIP2）和生长素（IAA）基因在花粒期玉米对高温胁迫的响应过程中起重要作用。Rizhsky等［54］对高温胁迫下拟南芥进行GC-MS研究，结果表明丙氨酸、甘油、麦芽糖、蔗糖和海藻糖含量均增加。除此之外，植物激素如脱落酸（ABA）、水杨酸（SA）和乙烯等，也与不同植物中的HS信号有关［55］。Larkindale等［56］的研究表明，在豌豆和匍匐草本植物从热胁迫处理恢复过程中，ABA水平出现峰值；同时，测量到了对高温胁迫的响应而升高的SA水平［57］。Liu等［58］的研究表明，SA作用于ABA下游和磷脂酰肌醇4，5二磷酸特异性磷脂酶。HSPs是植物中一种热休克蛋白，所有主要SHSP的转录本在热胁迫期间均大量积累，并且特定的SHSP也在发育和其他一些胁迫下表达［59］。Sanmiya等［60］研究表明线粒体HSPs的过表达增强了烟草的耐热性。高温胁迫诱导了植物体内的多种分子和离子进行传感和信号传递，细胞内Ca2+浓度的升高是温度胁迫下的主要信号［61］。钙离子浓度和钙依赖性蛋白（CDPK）可以调节热休克蛋白的表达［62］。此外，胞浆中的Ca2+浓度的增加有助于植物细胞在热损伤期间更好地存活，这是通过增加抗氧化剂的活性来保护细胞的渗透平衡［63］。

3.2 植物在水分胁迫下代谢与转录组学研究

水分是生命中不可缺少的物质，水分亏缺对植物造成的影响最大，且植物对水分亏缺较敏感。在水分胁迫下植物体内氨基酸的水平会有不同程度的上升，氨基酸不仅是植物的组成部分，也是植物的重要代谢物，具有信号传导、细胞渗透调节、矿物质营养吸收和重金属解毒等多种功能［64］。Deluc等［65］的研究表明氨基酸的水平会在水分胁迫下发生变化。王征宏等［66］研究表明，经NaCl处理后的玉米叶片的游离氨基酸总量急剧上升，与对照相比，处理后第4天游离氨基酸含量的提高了两倍，达到峰值。

植物对水分胁迫的响应范围非常广，除抗氧化系统、渗透调节物质等普遍适应逆境的响应外，光合作用、氮代谢也是响应水分胁迫的重要环节。王晓娇等［67］对水分胁迫下的苗期马铃薯根系进行了转录组学研究，结果表明在中度水分胁迫及重度水分胁迫下分别有1488、5241个显著表达差异的基因，在两个水分胁迫条件下共同出现的差异基因有369个，通过KEGG代谢富集分析，这些基因富集在谷胱甘肽代谢、植物激素信号转导等途径。刘永红等［68］研究发现，干旱胁迫会导致花期玉米叶片的叶绿素含量降低，光化学效率和光系统潜在活性大大降低。Hsiao［69］研究发现，水分亏缺可诱导蛋白质水解酶性大大增强，导致蛋白质大量分解并增加可溶活性氮含量。棉花在水分胁迫下的转录组共有519个差异表达基因，这些基因与胁迫、防御、代谢有关，同时与热休克蛋白和活性氧有关的途径也受到影响［70］。Padmalatha等［71］对干旱胁迫下纤维伸长过程中的棉花进行转录组学研究，结果表明编码转录因子、渗透调节剂、离子转运蛋白、热休克蛋白和激素生物合成的基因也高度上调，参与苯丙酸合成、类黄酮生物合成、戊糖和葡萄糖醛酸盐的相互转化、淀粉和蔗糖代谢途径的基因下调等过程。

3.3 植物在重金属胁迫下代谢与转录组学研究

通常，重金属会抑制植物细胞酶的活性，诱导细胞氧化和代谢紊乱，从而导致植物生长发育迟缓，甚至在极端情况下导致植物死亡［72］。重金属胁迫会影响植物细胞分裂、光合作用、蒸腾作用、种子萌发及根系生长等多种生理过程［73］；还会使植物产生氧化胁迫，催化苔腾反应产生羟基自由基，导致脂类、蛋白质和DNA受到损害［74］；同时，在重金属胁迫下，植物可合成各种代谢物及信号分子，如抗氧化物质、渗透调节物质、有机酸、酚类物质等［75］。

玉米在镉、铜、铅等胁迫处理下，绿原酸、芦丁等酚类物质的含量均上升［76］。由于酚类化合物中羟基与羧基的存在，这些羟基和羧基可以与金属离子结合，所以在重金属胁迫条件下，酚类化合物可以螯合重金属离子，从而抑制苔腾反应［77］。除此以外，氨基酸及其衍生物可以螯合重金属离子，从而提高植物对重金属的耐受性，其中脯氨酸与组氨酸可以螯合细胞和木质部汁液中的金属离子［78］。Bhagyawan等［79］研究表明在重金属胁迫下鹰嘴豆幼苗体内脯氨酸含量增加。在重金属胁迫下脯氨酸含量的增加可以减少自由基的形成，并通过提高谷胱甘肽的水平维持氧化还原环境［80］。Ahmad等［81］研究发现，高浓度的铅胁迫会降低玉米的光合速率和水分利用效率，增强蒸腾效率。Norton等［82］对砷有不同耐性的两个水稻品种进行了转录组学研究，发现大量转录因子、应激蛋白和转运蛋白的表达出现差异，其中参与谷胱甘肽合成、代谢和转运的基因反应表明，谷胱甘肽结合和砷酸盐甲基化可能是水稻对砷的重要应激反应。植物受到重金属胁迫下，MAPK级联对激素合成中的信号转导通路具有重要意义［83］。Jonak等［84］研究表明，紫花苜蓿在铜或镉胁迫下4种MAPK亚型均被激活，且MAPK级联对激素合成中的信号转导通路具有重要意义。

4 总结与展望

综上所述，迄今为止的试验使我们能够对非生物胁迫下的大量代谢物变化进行分类研究。应激反应的代谢变化可分为3个阶段：环境变化的直接影响、对应激条件的短暂适应和在长期应激条件下建立的新的稳态。但由于上游反应的上调和下游反应的下调都会导致代谢物的累积，代谢物的分布并不能准确地揭示相关代谢途径是上调还是下调，因此，代谢组学与转录组学的联用可以揭示有关植物在非生物胁迫下的各种变化，对植物非生物胁迫的耐受性有一个清晰的认识。转录组学分析广泛应用于比较作物的亲缘关系，有助于改善驯化作物［85］。将已经获得的结果、同位素试验和全面的植物测量进一步与转录组学研究相结合，可以进一步加深我们对这些关键过程的理解。

目前对于植物在胁迫下的应答机制的认识还十分有限。未来试验的设计可以采用多学科的方法，将不同组学技术整合到一起，将分子信息与植物表征变化联系到一起，可以在一定程度上揭示植物的抗逆综合生化网络，进而应用到基因工程中，为植物抗逆境基因的挖掘提供理论依据，增强经济作物对各种非生物胁迫的耐受性，同时对粮食作物的食品安全也有重要意义。