1、代谢组学的研究进展,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,Data Analysis,1.代谢组学：产生和发展
2、,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,
3、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(GG)and Fragrant Cloud(FC)at different dev
4、elopmental 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）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
5、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/颜色等有差异（科学家的经验）。primary and secondary metabolism,development,transcripti
6、on,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,Microarray350 genes:Primary&2nd metabolism and organization,cell rescue,signaling,and unknown.A,B glass slides.Each slide held 3 copies of entire array.To
7、tally 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 intensities were determined and normalized after hybridization.,Reliability of microarrayCounting corre
8、lation 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 Bscatterplot(logA,logB)correlation coefficient 0.95 microarray was reliable,2.经典案例解析：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
9、）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 similarity(50%identity)to the deduced cotton(+)-cadinene synthase,which is a sesquiterpene synthase.,Figure 4
10、.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）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 ses
11、quiterpene synthaseTotal 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 analyzed 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 puta
12、tive 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 synthase,To determine whether FC0592 codes for a sesquiterpene synthase&what type sesquiterpene produced:FC0592 was cloned into a vector to
13、 obtain a active combinant enzyme.In vitro reaction:lysates of bacteria+substrate(FPP)?(examining by GC-MS)Putative Germacrene DFPP=franesyl diphosphate,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：FC059
14、2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。
15、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 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
16、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、亚细胞观测种子的寿命,3.合作的探索：种子的细胞、亚细胞观测,拟南芥种子中的油体,兰花种子发育过程中油脂积累,拟南芥种子萌发过程中细胞形态观测,拟南芥种子萌发过程中细胞形态及胞内油体积累,1 day,3 days,3.合作的探索
17、：种子的细胞、亚细胞观测,种子的细胞壁、细胞膜、细胞核、油体、淀粉粒,3.合作的探索：种子的X光检测和形态检测,白花马蔺,种子的X光检测和形态检测,草玉梅,狗尾草,3.合作的探索：种子保藏的活力预测（参考英国千年种质库）,根据种子保藏的实践经验给出的。,V，最终活力（%）；P，贮藏时间（天）；m，种子的含水量（%）；t，保藏的温度（）；Ki，初始活力%（计算时转换probits）,CH和CQ，与温度相关的物种常数；KE和CW，与种子含水量相关的物种常数。,种子保藏的活力预测,实例，莴苣种子保藏的极限预测初始活力为99.9%的莴苣种子在15%相对湿度干燥使其含水量达到4.19%，其保藏的时间为多
18、长？解答：Ki 99.9%转化为8.0902（probits概率单位）,莴苣种子参数,如果达到6%的含水量，其他条件不变，那么保存年限为：275年,Ki:种子的初始活力，与 种子的老化程度相关。种子老化程度越高，Ki值就越低,：1.不同物种在相同条件下 存在差异；2.相同物种在不同储藏 条件下存在差异，储藏 条件越好，储藏时间 越长；3.相同物种，在理想状态 储藏条件下储藏，是 一定的。,温度恒定，变化含水量，可以推算推算出 与含水量的关系：,K:回归的截距,Cw:斜率,m:含水量,含水量越低，越高，种子保藏时间越长,3.合作的探索：种子激素水平变化,3.合作的探索：种子的脂肪酸,3.合作的探索,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,
