组学技术在葱属植物中的研究进展

薛守宇，李涛涛，李冰冰

（1长江大学生命科学学院，湖北荆州 434025；2河南城建学院生命科学与工程学院，河南平顶山 467041）

0 引言

葱属植物(Allium)是百合科多年生鳞茎草本植物，通常具有刺激性辛辣气味和催泪成分，种类繁多。根据全球生物多样性信息系统统计，目前全球葱属植物有1222 种[1]，广泛分布于北半球，中国约有100 多种，多分布于东北、西北、华北和西南等地区，主要包括青葱、洋葱、大蒜、韭等。葱属类植物多被作为蔬菜、药物和观赏植物，在农业、养殖业及医药业方面均具有重要作用，与人类生活息息相关，在世界范围内被广泛栽培和食用[2-3]。有数据表明，2020年中国韭菜及葱科蔬菜种植面积约为6338 hm2，产量约为169313 t，出口数量为170.3 t(www.chyxx.com)，具有重要经济价值。

目前，与番茄等其他蔬菜作物相比，葱属植物中存在基因组测序困难[4]、分子标记研究较少[5]和分类鉴别困难[6]等问题，阻碍了其分子育种进程。此外，葱属植物中含黄酮类化合物、多糖、有机硫化合物、挥发油和含氮化合物等多种活性成分，对人类疾病治疗大有裨益，但其合成途径、调控方式和作用机制有待进一步探索。组学是最近几十年发展起来的新学科，包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等。组学技术能够获得一个生命体、组织、器官、单细胞的全部遗传信息、转录信息、蛋白质和代谢产物，已广泛应用于植物分子标记开发、活性物质定性及定量、抗逆机制解析和器官发育等方面[7-12]，可为葱属植物药用价值开发和利用、逆境适应机制研究和优良品种选育等提供便利。笔者综述了近年来基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和多组学联合的方法在葱属植物中的应用研究，以期为葱属植物系统分类、遗传改良、加工贮藏和分子育种等提供理论参考。

1 基因组学

基因组学的概念最早于1986 年由美国遗传学家Thomas Roderick 提出。基因组学是对生物体所有基因进行集体表征、定量研究及不同基因组比较研究的一门交叉生物学学科，主要研究基因组结构、功能、进化、定位和编辑等。基因组测序是基因组学的基础，测序行业经历了一代Sanger 测序、二代高通量测序、三代单分子实时测序和HiFi 测序[13]。从二代测序开始，基因组学飞速发展，大量植物基因组得以测定。一些重要作物或园艺植物基因组的测定，如水稻、小麦、番茄、黄瓜等，加快了植物育种筛选进程[14]。而在葱属植物中，基因组学为其基因组测序、分子标记开发和亲缘关系鉴定提供了强有力的手段。

1.1 基因组测序

与其他真核生物相比，几乎所有葱属物种都有相对较大的基因组，如洋葱(2n=2x=16，1C=18.16×109bp)、分葱(2n=2x=16，1C=10.43×109bp)、藠头(2n=4x=32，1C=12.84×109bp)等[15]，相当于水稻(399.8 Mb)、小麦(4.79 Gb)等基因组的几倍甚至几十倍。大多数基因组大小的变化都可以由重复DNA数量差异来解释，如转座元件(TES)、串联重复序列和长末端重复(LTR)反转录转座子[16]。研究表明，洋葱至少95%的基因组由重复序列组成。因此，葱属植物基因组大和重复性高使其参考基因组组装面临巨大挑战。随着测序技术不断发展，洋葱、大蒜基因组测序相继完成。Finkers等[17]结合Illumina HiSeq 2500以及PacBio测序系统对洋葱进行基因组组装，最终大小为14.9 Gb，其中72.4%的基因组被鉴定为重复序列，并且在很大程度上由逆转录转座子组成。Sun等[18]结合SMRT、Nanopore等测序系统，报道了大蒜染色体级别参考基因组，大小约为16.24 Gb，组装质量较好，重复序列占比高达91.3%，是迄今为止发现重复序列比例最高的基因组，并且是葱属植物中第一个完成全基因组测序的物种。因此，测序技术发展加快了葱属植物基因组测序进程，可为韭菜、青葱等其他葱属植物的基因组测序及组装提供参考。

1.2 分子标记开发

分子标记属于遗传标记的一种，可以对不同发育时期的个体、组织器官甚至细胞做检测，数量极多，几乎覆盖整个基因组，具有较高的多态性，且稳定遗传，不受环境和基因表达限制，常见的分子标记包括简单重复序列(simple sequence repeat，SSR)、简单重复序列间区标记(inter simple sequence repeat，ISSR)、扩增片段长度多态性标记(amplified fragment length polymorphism，AFLP)、随机扩增多态性DNA(randomly amplified polymorphic DNA，RAPD)、单核苷酸多态性标记(single nucleotide polymorphisms，SNP)等[19-20]。目前，分子标记开发广泛用于植物遗传育种、基因定位、物种亲缘关系鉴定和基因库构建等。

在葱属植物中，基因组大和杂合性高等特征限制其分子标记资源开发，随着测序技术发展，大量基因组SNPs得以识别和分析。Lee等[19]利用双端(paired-end，PE)双酶切限制性酶切位点相关DNA 测序技术(double digested restriction site- associated DNA sequencing，ddRAD-seq)在洋葱中识别1904 个SNPs。Fang 等[21]基于全基因组特定长度扩增片段(specificlocus amplified fragment sequencing，SLAF)测序法对大蒜、韭菜和洋葱3 种葱属植物幼嫩叶片组织进行测序分析，共产生162321个高质量SNPs。Labate等[22]使用基因分型测序(GBS)在洋葱中共识别895 个高质量SNPs，其中有284 个SNPs 定位于遗传图谱上。类似地，Jo等[23]对来自洋葱自交系NW-001和NW-002杂交所得F2群体和多个亲本进行GBS分析，并从从头组装重叠群中严格筛选出10091 个高保真SNPs 用于构建洋葱遗传图谱，最终图谱包含8个连锁群，遗传长度为1383 cM，平均标记间距为8.08 cM，这为洋葱育种中重要农艺性状遗传作图和分子标记辅助选择提供有价值的理论指导。综上，测序技术的发展为葱属植物分子标记开发和遗传图谱构建提供了便利。

1.3 亲缘关系鉴定

叶绿体DNA(chloroplast DNA，cpDNA)具有单拷贝、分子量小、结构简单且高度保守等特点，已被广泛用于细胞质遗传、植物系统发育、遗传多样性分析、亲缘关系鉴定等多方面研究[24]。在葱属植物中，孙雨晴[25]基于高通量测序技术得到大葱、大蒜、洋葱、韭菜叶绿体基因组序列，经系统发育分析得出韭菜从它们共同祖先中起源最早，随后大蒜成为一个独立分支，大葱与洋葱起源时间相近，具有较近的亲缘关系。Li等[26]发现大花韭与粗根韭叶绿体基因组大小分别为152148、152931 bp，系统发育分析表明两者具有较近的亲缘关系。此外，杨俏俏等[27]对藠头叶绿体实行了全基因组测序，后续系统发育分析发现藠头与其他葱属植物聚为一支，其中与洋葱、大蒜的亲缘关系较太白韭和高葶韭更为相近。由此可见，葱属植物叶绿体基因组测序有助于葱属植物系统发育分析以及不同葱属植物比较基因组学研究，从而加深人们对葱属植物进化的认知。

2 转录组学

转录组学是指一门在整体水平上研究细胞中基因转录情况及转录调控规律的学科，能反映生物个体在特定器官组织或某一特定发育生理阶段所有基因表达水平，可用于比较不同组织或生理状况下基因表达差异，是研究细胞表型和功能的重要手段。转录组通常是狭义上的转录组，指细胞中所有参与蛋白质翻译的信使RNA(mRNA)总和[28]。转录组学研究技术主要分为微阵列技术和转录组测序技术2类，转录组测序技术包括表达序列标签技术、基因表达序列分析技术、大规模平行测序技术、RNA-Seq、纳米孔单分子测序技术和单分子实时测序。其中RNA-Seq技术应用最为广泛。目前，转录组学已被用于葱属植物胁迫响应、分子标记开发、雄性不育机制解析、组织器官发育等方面研究。

2.1 胁迫响应

葱属植物如洋葱、大蒜、韭菜等，由于环境或气候条件变化，常常遭受各种胁迫，导致作物减产并造成巨大经济损失[29]，其在逆境复杂分子机制下对培育优良抗逆品种具有重大意义。植物生长过程受到生物胁迫和非生物胁迫，非生物胁迫包括光照、温度、干旱、盐碱化、机械损伤等，生物胁迫包括虫害、病原菌侵染等。转录组学技术在揭示葱属植物非生物胁迫分子机制中发挥着重要作用（见表1）。Han 等[30]对耐冷及冷敏感型洋葱进行转录组测序分析，发现2 种类型洋葱在冷冻温度和对照温度下差异表达基因主要富集于碳水化合物、能量、核酸、维生素等代谢相关途径，表明这些基因表达水平变化可能在分子水平影响洋葱抗寒性。与冷胁迫相反，Galsurker 等[31]对热处理下的洋葱内部鳞片进行转录组分析，发现与信号转导、激素信号、热休克蛋白激活、转录因子作用、活性氧清除活性和渗透保护剂代谢等相关的基因在热胁迫处理后高度表达，参与洋葱鳞片防御。因此，转录组学在洋葱低温、高温胁迫下的应用可为鉴定候选耐热、耐寒基因提供宝贵资源，有助于阐明葱属植物响应温度胁迫机制。另外，洋葱是一种浅根植物，也极易受到干旱胁迫，Ghodke等[32]测定干旱胁迫下洋葱转录组，发现耐旱和干旱敏感型洋葱中转录因子、细胞色素P450、膜转运蛋白和类黄酮基因以及与碳水化合物代谢相关基因差异表达，有助于理解其干旱胁迫响应机制。干旱同样限制了大蒜的生长发育，造成产量损失。王紫彤等[33]通过转录组测序发现大蒜AsHEMA、AsHEMB、AsGSA、AsCHLD、AsCHLI、AsCAO基因家族在响应干旱胁迫中发挥重要作用，表明叶绿素生物合成对大蒜抗旱至关重要，进一步解析了葱属植物抗旱机制。大蒜产量也常受土壤盐碱化制约，解析大蒜盐分响应机制对于提高其耐盐性尤为必要。Kong 等[34]基于转录组测序发现盐敏感品种苯丙烷类化合物生物合成途径以及编码油菜素类固醇(BR)生物合成途径相关转录本显著下调，最终使得木质素含量显著降低，表明BR介导的木质素积累可能在大蒜对盐胁迫的适应中起重要作用。Wang 等[35-36]基于转录组的分析表明，盐胁迫诱导的差异基因显著富集在淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导、黄酮和黄酮醇生物合成等通路，并在大蒜中识别了46 个响应盐胁迫的AsNAC基因。这些研究为耐盐大蒜品种开发提供了宝贵资源。在所有非生物胁迫中，利用转录组学技术手段可以筛选到与葱属植物胁迫响应的相关代谢通路和候选基因，但后续基因功能以及基因互作等还需要分子实验进一步验证。

表1 转录组学在葱属植物胁迫响应中的应用

转录组学技术同样为葱属植物生物胁迫研究提供便利。在洋葱栽培和储藏过程中，灰霉属的多种真菌会引起病害，造成经济损失，使用杀菌剂和栽培防治方法来控制灰霉病种类是短期和费力的，并且增加了病原菌的抗药性，更严重还会污染环境以及危害人类健康。对此，Lee 等[37]基于RNA 测序分析发现茉莉酸酰胺合成酶(JAR1)、冠菌素不敏感蛋白1(COI1)和转录因子MYC2基因与洋葱灰霉病抗性显著相关。相似地，Kim等[38]基于转录组分析发现灰霉病抗性品系中高表达醛酮还原酶(AKR)基因，并在此基础上开发出筛选灰霉病抗性品系的SNP 标记。这为洋葱灰霉病抗性品种的培育提供基因资源，有助于从根源上解决洋葱灰霉属病原菌侵染问题。洋葱紫斑病是由葱链格孢菌引起的一种叶部病害，普遍存在于世界各地，严重影响洋葱产量和品质，但洋葱防御葱链格孢菌分子机制仍未可知。Khandagale 等[39]通过转录组学分析发现，洋葱中与发病原相关(PR)蛋白、受体样激酶、植物激素信号、细胞壁完整性、细胞色素P450单加氧酶和转录因子相关基因在感染病原菌前后差异表达，且基因GAT-1、ANKRD、XET、PR-5只在抗性系洋葱中过表达，进而构建了洋葱响应紫斑病转录图谱，为阐明洋葱抗病分子机制提供了宝贵资源。除病原菌侵染外，病虫害也是影响葱属植物产量的关键因素。韭菜迟眼蕈蚊是葱蒜类蔬菜的重要害虫，尤喜食韭菜，可以造成一半以上葱蒜类作物损失，且由于隐蔽的生活方式和快速进化的能力，韭菜迟眼蕈蚊很难控制，因此培育迟眼蕈蚊抗性韭菜品种至关重要，但有关其响应迟眼蕈蚊分子机制仍不清楚。对于该虫害防治相关研究主要从迟眼蕈蚊本身入手[40-41]。基于上述洋葱生物胁迫相关研究，转录组学研究方法在分析韭菜等葱属植物对迟眼蕈蚊胁迫响应分子机制以及培育迟眼蕈蚊抗性品种中有巨大潜力。

2.2 分子标记开发

表达序列标签(expressed sequence tag，EST)是由一个随机选择的cDNA克隆，进行5’端和3’端单一次测序挑选出来获得的短的cDNA 部分序列，代表一个完整基因的一小部分，在数据库中其长度一般20～7000 bp 不等。EST 作为表达基因所在区域的分子标签，因编码DNA 序列高度保守而具有自身的特殊性质，基于EST 开发的EST-SSRs 和EST-SNPs 与基因组SSRs和SNPs相比，具有不同物种间通用性较好、开发方法简便、成本低廉、基因表达信息获取更为容易等优点，可以作为基因定位分析的可靠标记[42]。

在大蒜中已经开发出较多的EST-SSRs标记。Liu等[43]利用Illumina 双端测序得到135360 个ESTs，从中识别2446个EST-SSRs，具有较高的种间可转移性，其中三核苷酸重复基序类型最丰富。Chand 等[44]从21694 个大蒜EST 序列中鉴定出642 个非冗余ESTSSRs，单核苷酸重复基序类型最为丰富，遗传多样性分析表明其具有良好的种间转移性。Barboza 等[45]从大蒜EST中开发110个EST-SSRs标记，三核苷酸频率最低，二核苷酸和四核苷酸频率最高。除芦笋目外，与亲缘关系较远的单子叶植物相比，葱属物种EST 在SSR密度、频率分布、序列基序和GC含量方面有明显共同之处，许多EST-SSRs标记已成功在葱属植物间转移，包括尚未开发出SSRs 标记的作物，如韭菜、大葱等。这些EST-SSRs 标记的开发有助于确定大蒜转录本特征，协助绘制和完善大蒜遗传图谱以及加快大蒜和其他葱属植物遗传研究和育种进程。

2.3 雄性不育机制解析

植物细胞质雄性不育(cytoplasmic male sterility，CMS)是由线粒体基因重排产生不育基因，引起植株自身不能产生或释放功能性花粉粒，但可接受外来花粉完成受精并产生后代的现象[46]，是利用作物杂种优势的重要途径，也是研究核质互作的重要模式。葱属植物中洋葱是世界上最早利用杂种优势的蔬菜作物之一，洋葱CMS 是洋葱核基因与细胞质相互作用的结果，是洋葱育种中常用的雄性不育类型，然而，洋葱CMS 形成分子调控机理尚不清楚。Kim 等[47]基于RNA-seq表明参与DNA错配修复基因AcPMS1为洋葱育性恢复候选基因。Yuan 等[48]对洋葱细胞质雄性不育系SA2 和保持系SB2 四分体阶段花药RNA 进行测序，基因差异表达分析表明细胞质基因（线粒体能量代谢相关基因cox1和atp9）和核基因（绒毡层发育相关基因AG、AMS和SERK1）可能参与洋葱CMS。类似的，杜敏霞等[49]基于RNA-Seq分析发现核酸内切酶活性、果胶酯酶活性等与洋葱雄性不育植株的花器官败育有一定的联系，而碳水化合物代谢和能量代谢可能与洋葱育性有关，这为洋葱CMS 相关基因研究提供重要信息，有助于进一步了解洋葱CMS分子机制。此外，Liu等[50]利用转录组测序技术比较大葱不育系和保持系之间的差异，差异基因主要与F 型ATPase、NADH 脱氢酶、细胞色素c 氧化酶等相关，表明大葱CMS 调控基因和途径可能也与线粒体和细胞核相关；Shemesh-Mayer等[51]对大蒜雄性可育及不育系进行转录组比较分析，鉴定影响大蒜育性候选基因包括AP3、MMD1、MS2、GPAT2、nad7、ccmC、18SrRNA，表明大蒜中呼吸限制或绒毡层非调节性程序性细胞死亡可能导致能量缺乏和随后的花粉败育。总之，转录组学为洋葱、大葱、大蒜等葱属植物雄性不育系在其杂种优势中的利用提供了理论依据（见表2）。

表2 转录组学在葱属植物雄性不育机制解析中的应用

2.4 组织器官发育

已知大蒜商业品种和地方品种不会产生花朵或种子，只能进行无性繁殖，阻碍其遗传研究和常规育种。已有研究发现，许多大蒜品种已经实现育性恢复，主要来自中亚地方品种，通过环境控制诱导开花和种子生产，从而为深入研究这种植物生理和遗传以及常规和分子育种开辟道路[52]。但目前有关大蒜花发育分子机制仍未阐明，Kamenetsky 等[53]在大蒜转录组中识别出大量与花发育相关基因(FT、AP2、SEP1、AG)的同源基因序列，其中FT同源基因序列在大蒜花和花序、根和蒜瓣中显著过表达。类似地，Lee等[54]通过转录组分析表明洋葱开花与AcFT2上调有关。此外，FT也参与洋葱鳞茎形成，其中AcFT1促进鳞茎形成，而AcFT4阻止AcFT1上调并抑制洋葱鳞茎形成，Zhang 等[55]通过RNA-Seq 表明蔗糖转运蛋白相关基因在洋葱鳞茎早期发育阶段起重要作用。Khosa等[56]基于转录组分析发现PISTILLATA、AGAMOUS、SEPALLATA3、APETALLA3和AGAMOUSLIKE6参与洋葱花发育，这为葱属植物花发育、鳞茎发育相关研究提供宝贵资源。Sun 等[57]分析大蒜茎端转录图谱，表明ENHYDROUS、DAG1、DAM、DTH8等基因在茎尖萌发过程中起关键作用，可以作为葱属植物茎端萌发调控相关候选基因。Liu 等[58]基于转录组数据发现外源应用GA3可下调AsGA20ox的表达，同时上调AsCyP735和AsAHK表达，从而激活腋生分生组织，进而促进大蒜鳞芽形成。葱属植物中大葱和洋葱都为瘘管叶物种，研究发现，瘘管叶形成过程涉及PCD[59]，PCD 是一种自发的、程序化的、自毁的细胞过程，在组织分化、动态平衡和器官形态发生中发挥关键作用。然而，由于可利用遗传资源有限，目前还没有分子证据证明PCD参与大葱瘘管叶形成。Zhu 等[60]通过比较6 种管状叶和3 种实心叶葱属植物转录本，发现许多与植物PCD 有关的线粒体、叶绿体和核基因只在管状叶植物中表现正向选择，或者在管状叶植物中表现中性选择，但在实叶植物中表现净化选择，揭示出PCD相关基因可能在大葱管状叶内腔形成中起重要作用，且物种管状叶和实心叶不同选择模式可能是导致管状叶进化的原因。在葱属植物组织、器官发育过程中，转录组组学分析一方面从分子水平揭示不同器官形成机理或相同组织器官差异机制（见表3）。另一方面，通过相关基因的筛选，如大蒜鳞芽形成相关基因筛选，后续可以基于基因工程手段提高关键基因表达，继而提高大蒜产量和品质。

表3 转录组学在葱属植物组织器官发育中的应用

3 蛋白质组学

蛋白质组学是一种可以在特定时刻和环境条件下对细胞、组织或生物体中蛋白质进行高通量分析的技术，主要涉及蛋白质鉴定、定位和定量，以及蛋白质修饰分析和蛋白质-蛋白质互作网络阐明[61]。由于存在翻译后修饰、易位等事件，mRNA 转录本丰度并不总是代表其同源蛋白质水平，蛋白质作为最终基因产物，能提供更为全面的图景。蛋白质组学技术包括双向凝胶电泳、等电聚焦、生物质谱分析等。

在葱属植物中，一些非生物胁迫会导致葱属植物体内蛋白质含量发生变化，进而抵御逆境，通过蛋白组学技术手段可以深入研究这些变化。Lyu等[62]在洋葱对照组和铅处理组识别出17 个差异表达蛋白质。Karasinski 等[63]采用液相色谱-高分辨质谱仪(LC-MS)发现硒(IV)处理前后导致洋葱根部8 个蛋白丰度发生变化，包括热休克蛋白、病原菌相关蛋白等。Chen等[64]发现冷冻诱导洋葱鳞片中抗氧化剂、应激蛋白、分子伴侣等蛋白质积累，一部分在解冻后下降，恢复期间并无积累，另一部分只表达在冻融损伤期间。类似的，Dufoo等[65]发现大蒜种子经低温处理后，细胞生长、抗氧化/氧化状态、大分子运输、蛋白质折叠和转录调控等不同生理过程中蛋白质积累发生变化，以使植物适应当前胁迫环境。腊八蒜是大蒜经过醋腌制过的食品，由于其中含有多种抗氧化成分，深受人们喜爱，但其绿变前后蛋白成分变化仍未可知。Li等[66]通过蛋白组学分析发现大蒜在经过腌制后其中重要的蒜氨酸酶失活，蒜氨酸酶可以催化蒜氨酸转化为大蒜素，该酶的失活或许有助于腊八蒜独特风味形成。除逆境胁迫外，Wu等[67]分析了红、黄洋葱上表皮蛋白组差异，表明查尔酮-黄酮异构酶和类黄O-甲基转移酶1 含量的差异可能是导致红洋葱和黄洋葱鳞片颜色差异的原因。蛋白组学为葱属植物响应逆境胁迫提供新见解，但仅局限于不同处理下差异蛋白识别，多数蛋白质翻译后经磷酸化、糖基化等修饰后才具有生物学功能，对于蛋白质功能研究在葱属植物中还未见报道。

4 代谢组学

代谢组学是通过对生物体内所有代谢物进行定量分析，寻找代谢物与生物生理或病理方面变化关系的一门新学科，分析手段包括气相色谱-质谱联用(GCMS)、液相色谱-质谱联用(LC-MS)、超高效液相色谱-质谱联用(UPLC-MS)、毛细管电泳-质谱联用(CE-MS)及核磁共振(NMR)等[68]，相比于其他组学，代谢组受环境影响最大，代谢物变化直接导致表型变化，与表型最为接近。在葱属植物中，洋葱作为一种调味品，具有较高经济价值，但其采收后储藏往往影响品质变化，因此，明确洋葱贮藏期间关键代谢成分变化非常必要。Saviano 等[69]基于核磁共振(NMR)发现不同洋葱品种在贮藏后其糖类、氨基酸含量有不同程度的增加或降低，风味前体物质大部分表现为升高趋势，且丙酮酸含量降低，从而减少洋葱气味刺激性。Pérez等[70]提出因呼吸作用和能量需求导致冷藏洋葱果聚糖含量减少，单糖含量增加，并改变其氨基酸浓度进而对香气前体生成产生影响。这些研究为贮藏性优良的洋葱品种筛选提供理论参考。

相比于洋葱，大蒜在国内种植更为广泛，且品种繁多，这就给大蒜种植资源构建和优良品种培育带来困难。孙亚丽[71]利用LC-MS 和GC-MS 测定南欧蒜、金乡大蒜和苍山大蒜的差异代谢物为亮氨酸、半乳糖、葡萄糖、2,3-二羟基丁二酸、6-磷酸葡萄糖等，为国内大蒜种质资源创新提供一定依据。刘平香[72]采用超高相液相色谱串联质谱(UHPLC-MS/MS)靶向检测方法对国内6个省份242份大蒜样品中大蒜素、7种风味前体物质和21种游离氨基酸的含量水平及差异进行研究，为大蒜品种选育提供评价依据和材料基础。Abdelrahman等[73]采用LC/MS技术对30份不同地理区域大蒜种质的叶片组织代谢谱进行研究，并对供试大蒜种质的根和蒜瓣中总皂苷和果聚糖的含量进行分析，为大蒜种质资源选择和培育具有胁迫适应特性的新品种提供有用信息。黑蒜是新鲜大蒜在一定温度和湿度条件下加工而成的大蒜深加工产品，外观呈现黑色、质地软弹、风味独特，具有杀菌消炎、调节血糖血脂、抗氧化等功能[74]，作为保健食品深受人们喜爱，但在黑蒜加工过程中相关成分变化及其抗病机制仍不清楚。Molina等[75]采用高效液相色谱-电喷雾离子化-四级杆串联飞行时间质谱法(HPLC-ESI-QTOF-MS)对3个大蒜品种的新鲜大蒜和黑蒜提取物进行分析，发现热处理显著改变了大蒜中氨基酸家族组成和有机硫化合物。相似地，William 等[76]利用超高效液相色谱-四级杆-静电场轨道阱高分辨质谱(UHPLC-Q-Orbitrap HRMS)对黑蒜进行比较代谢组学分析，发现在热处理过程中，大蒜素、二烯丙基二硫等有机硫化合物的表达下调，大量甘油磷脂、莽草酸、芳香族氨基酸含量显著增加；Zhang等[77]基于液相色谱-四级杆-飞行时间质谱(LC-Q/TOF)分析发现正常大蒜与黑蒜中糖类、氨基酸和糖胺化合物等物质含量显著差异，并表明黑蒜对疾病治疗作用主要归功于其中的糖胺化合物。这些发现扩大了黑蒜加工的已知代谢组空间，更好地阐明关键代谢物的反应性，为理解黑蒜生化变化提供更深入的见解。

由此可见，代谢组学为葱属植物优良品种选育以及葱属植物资源在食品、医疗领域的应用提供有力的研究手段，但多数研究集中于洋葱和大蒜，对于韭菜、大葱和其他野生葱属植物研究颇少。霍冬敖等[78]利用UPLC-MS/MS对2种韭籽化学成分进行广泛靶向代谢组学分析，在韭籽中发现多种甾体皂苷，可以作为甾体皂苷提取的新植物来源，有助于解决甾体皂苷植物资源短缺的问题，构建的韭籽甾体皂苷生物合成途径也有助于了解不同种类药用植物中甾体皂苷代谢途径差异。因此，对韭菜、大葱及其他野生葱属植物资源进行代谢组学分析将有助于葱属植物资源更为广泛的开发和利用。

5 多组学

多组学也称为集成组学、泛组学和跨组学，旨在整合2个或多个组学数据集，进行数据分析、可视化和解析，以明确某种生物过程的机制。在中心法则中，DNA水平的基因组学处于最上游，但由于存在表观遗传修饰、转录后修饰、环境影响等因素，基因并不能完全决定最后的表型，单一组学数据难以系统全面地解析复杂生理过程的调控机制，相对而言，多组学联合分析可以共同探究生物体内潜在的调控网络机制，为生物体作用机制提供更多证据。在葱属植物中，转录组学与蛋白组学联合分析已被用于大蒜绿变机制解析等[79]。相似地，转录组学与代谢组学联合分析被应用于胁迫响应[80]、类黄酮生物合成[81]、韭葱气味变化[82]等研究。苯丙烷代谢途径是重要的植物次生代谢途径之一，研究植物中苯丙烷代谢物的合成及其调控的分子机制对于发展分子设计育种至关重要。Wu 等[79]对大蒜进行转录组学与蛋白组学关联分析，转录组分析发现苯丙烷代谢途径是差异基因最重要的富集途径，蛋白组学分析发现与苯丙烷生物合成相关的10 个差异蛋白表达上调，与转录组相互验证揭示出低温可能通过苯丙烷代谢途径导致大蒜绿变的发生。赵亚平[83]对大蒜进行转录组与代谢组联合分析，发现大蒜苯丙烷合成途径差异最显著，该通路中有202 个差异基因和10 个差异代谢物，其中有131 个基因和8 个代谢物高度相关，表明其在大蒜的休眠萌发中发挥重要作用。因此，多组学的应用有助于同时从多个层面更精准、全面分析葱属植物相关分子机制。反之，出于对葱属植物相关分子机制解析的需求，相对于单组学而言，多组学联合分析势必会成为一种更加强有力的手段。

6 结论和展望

组学技术的应用在葱属植物分子标记开发、雄性不育机制解析、系统发育分析、胁迫响应、组织和器官发育、优良品种选育等方面起重要作用，为其他基因组较大的非模式植物研究提供思路，推动了葱属植物分子和遗传研究进程。葱属植物含有多种挥发性物质赋予其独特香味，常被用作调味品，较多的研究集中在挥发性风味物质的鉴定和分析，缺乏对关键香气成分在贮藏、加工过程中的形成机理和变化规律研究[84]。基于全二维气相色谱-飞行时间质谱(GC×GC-TOFMS)、气相色谱-离子迁移质谱(GC-IMS)、高效液相色谱-二极管阵列检测器(HPLC-PDA)等具有高灵敏度、高分辨率的代谢组学技术将有利于精准快速鉴别葱属植物挥发性成分以及分析其生成和调控机制。除风味物质外，葱属植物还含有甾体化合物、黄酮类化合物、多糖类化合物、含氮化合物等多种活性物质，具有抗菌、抗氧化、抗肿瘤等多种功效，对人体健康起着重要生理作用，组学技术可以分析这些成分在葱属植物中的含量、分布、生物合成机制等，在活性物质提取以及培育特定高含量活性物质品种方面具有巨大潜力。目前，有关葱属植物组学研究多数集中于洋葱、大蒜这些具有重要经济价值的葱属作物，对于野生葱属植物资源研究较少，组学技术在野生葱属植物中的应用将有助于种质资源库的构建，从而为优良品种选育提供基因材料。