治疗白癜风的医院 http://www.xftobacco.com/m/基于代谢组解析菊芋幼苗对干旱胁迫的响应机制
期刊：InternationalJournalofMolecularScience
发表时间：.03.24
IF:4.
年3月，青海大学赵孟良副研究员为第一作者，钟启文副研究员和李征教授为通讯作者在InternationalJournalofMolecularScience发表了题目为“MetaboliteAnalysisofJerusalemArtichoke(HelianthustuberosusL.)SeedlingsinResponsetoPolyethyleneGlycol-SimulatedDroughtStress.”的研究论文。本研究基于广泛靶向代谢组对干旱胁迫后不同时间点的菊芋幼苗叶片进行检测，解析耐旱植物菊芋的抗性机制。迈维代谢提供了广泛靶向代谢组检测服务。
干旱胁迫会降低农业作物生产力、造成经济损失。菊芋是一种多年生作物，具有较高的耐旱性，可作为生产生物燃料、功能性饲料和食品的原料。已发现植物会通过调节自身代谢来响应干旱胁迫，然而对干旱条件下菊芋的代谢组学研究还很少。本研究建立了干旱胁迫下菊芋叶片的代谢网络。这些结果将有助于进一步了解菊芋代谢产物对干旱胁迫的响应，并为培育抗旱品种奠定基础。
1、生理指标检测——生物量/含水率/存活率：菊芋对干旱胁迫的生理响应
本研究对PEG模拟干旱胁迫下0、18、24、36、48h的菊芋茎叶干重/鲜重、茎叶鲜重/根鲜重以及茎叶含水量进行了检测记录(图1a-c)。发现随着处理时间的增加，茎叶干重/鲜重呈上升趋势，而茎叶鲜重/根鲜重、茎叶含水量则随处理时间的增加呈下降趋势。同时，对干旱胁迫下18、24、36、48h的菊芋幼苗进行复水处理，统计其存活率(图1d)。结果表明,从0-24h存活率是%,然而在36h和48h减少到53.3%和21.1%。基于生理数据,选择对照和3个处理时间(0,18、24和36h)进行后续的代谢组检测。
图1.菊芋对干旱胁迫的生理响应。(a)0-48h内茎叶干重/鲜重的变化；(b)0-48h内茎叶鲜重/根鲜重的变化；(c)0-48h茎叶含水量变化；(d)0-48h菊芋成活率的变化
图2.干旱胁迫下菊芋的形态特征，以及不同干旱处理与质控(QC)样品之间的相关热图和主成分分析(PCA)。(a)0h；(b)18h；(c)24h；(d)36h的表型;(e)主成分分析；(f)相关性热图
2、代谢组——定性定量分析：解析不同组样本的代谢物组成及含量
QC样本的总离子流图（TIC）叠加图显示质谱仪器检测的稳定性较高。
基于KEGG数据库、迈维自建数据库(MWDB)和多反应监测模式(MRM)对不同干旱胁迫样品的代谢产物进行定性和定量分析。通过广泛靶向代谢组技术检测分析共获得个代谢产物，包括个酚酸、77个氨基酸及其衍生物、60个有机酸、45个核苷酸及其衍生物、41个游离脂肪酸、41个*酮、37糖类和醇等。
3、代谢组——PCA和OPLS-DA分析：解析样本间的差异性
对样本(包括QC样本)进行主成分分析(PCA)，了解样本间总体代谢差异及组内变异情况。不同干旱胁迫处理和QC样品的主成分分析可看出各干旱胁迫处理组内重复样本变化不大，而不同处理时期组间存在明显的分离趋势，这些数据表明，不同干旱胁迫时期的处理组间的代谢差异显著(图2e)。对干旱处理之间的代谢差异进行了两两分析，发现在第一主成分(PC1)中，不同时间的干旱处理之间明显分离，表明干旱胁迫处理显著影响了菊芋的代谢。OPLS-DA分析展示了一样的结果。
图3.正交偏最小二乘-判别分析(OPLS-DA)。(a-c)OPLS-DA分析图，依次为0vs.18h，18vs.24h，24vs.36h，（d-f）S-plot图，依次是0vs.18h，18vs.24h；24vs.36h。
4、代谢组——差异代谢物分析：解析不同组差异物质上下调情况
综合VIP值和FC（差异倍数）值筛选差异代谢物，共筛选到到个差异代谢物。结果表明在0vs.18h比较组中，有95个差异物质(70个上调，25个下调)；在18vs.24h比较组中，有55个差异物质(31个上调，24个下调)；在24vs.36h比较组中，有46个差异物质(20个上调，26个下调)；在0vs.24h比较组中，有个差异物质(个上调，66个下调)；在0vs.36h比较组中，有个差异物质(86个上调，26个下调)；在18vs.36h比较组中，有27个差异物质(10个上调，17个下调)。图4a-f为不同两两比较组的差异代谢物火山图。
图4.干旱条件下菊芋的差异代谢物分析。（a-f）不同比较组的火山图。按顺序依次是：0vs.18、18vs.24、24vs.36、0vs.24、0vs.36和18vs.36h；(g-f)不同比较组的韦恩图；(i)干旱胁迫0~36h处理过程中差异代谢产物的k-means分析
在0vs.18、18vs.24和24vs.36h这三个比较组中共得到个差异物质，在三个比较组中都属于差异物质的有7个（图4g）。个差异物质可分为11类：氨基酸及其衍生物、酚酸、脂质、有机酸、核苷及其衍生物、木酚素、香豆素、*酮类、生物碱、萜类、单宁等。在0vs.18、0vs.24和0vs.36h这3个比较组中共有的差异物质有56个（图4h），总共个物质被鉴定为差异物质，差异物质同样被分为11类，包括氨基酸及其衍生物、酚酸、脂类、有机酸、核苷酸及其衍生物、木脂素和香豆素、*酮类、生物碱、萜类、单宁等。
为了确定不同代谢物与干旱胁迫不同时期的相关趋势，我们进行了k-means分析。结果表明，该趋势可分为9个簇。从簇1到簇9，分别包括15、23、6、9、14、14、4、36和25个代谢物(图4i)。在簇2和簇8中,从0到24h代谢物增加，从24到36h代谢物减少。在簇5中,从0到24h代谢物的含量降低了,从24到36h。代谢物含量增加。在簇6中,代谢物的变化从0到18h增加，从18到36h表达量降低。
KEGG通路注释及富集分析显示，差异代谢物涉及的通路包括：代谢途径、次生代谢产物的生物合成、氨基酸的生物合成以及ATP结合盒式(ABC)转运蛋白。
6、代谢组——氨基酸类物质分析：解析干旱诱导的氨基酸及其衍生物变化
氨基酸及其衍生物是菊芋幼苗叶片在PEG模拟干旱胁迫下不同时期最具差异的代谢产物类型之一。除N-乙酰-L-谷氨酸、N-乙酰-L-色氨酸和L-鸟氨酸外，其他氨基酸及其衍生物(L-丝氨酸、L-缬氨酸、L-苏氨酸、L-苯丙氨酸、L-天冬酰胺、L-谷氨酸、L-赖氨酸、S-烯丙基-L-半胱氨酸、丙氨酸、L-乙酰丙氨酸、L-精氨酸、高精氨酸、2,6-二氨基庚二酸和氧化型谷胱甘肽等物质均在干旱胁迫下上调表达。反式-4-羟基-L-脯氨酸和甘酰-L-脯氨酸这2种脯氨酸衍生物在胁迫后18h积累不显著，而在24h显著积累。
7、代谢组——次生物质分析：解析干旱诱导的次生代谢产物的积累情况
酚酸是一类含酚环的次生代谢物。本研究鉴定了18个在干旱胁迫中显著积累的酚酸,包括4-羟基苯乙酮、肉桂酸、2-甲氧基苯甲酸、咖啡酸、葡萄糖基丁香酸。这些代谢产物大多参与苯丙素代谢的酚酸合成与代谢，进而参与类*酮的生物合成。在菊芋旱胁迫叶片中发现了三种类*酮化合物，即chrysoeriol-6,8-di-C-glucoside,quercetin-3-O-(6”-O-malonyl)-galactoside,和6-hydroxykaempferol-7,6-O-diglucoside。这些*酮类化合物在菊芋叶片中的积累可能是植物在干旱胁迫下防御机制中的内源性抗氧化剂。
8、代谢组——代谢通路：干旱胁迫下的综合代谢网络分析
为了全面了解PEG模拟干旱胁迫下代谢产物的变化，本研究基于文献和代谢通路数据库构建了胁迫相关的整体代谢途径网络。已知的主要途径包括糖酵解、酚类代谢、三羧酸(TCA)循环、谷氨酸酯介导的脯氨酸生物合成、尿素循环、氨基酸代谢、不饱和脂肪酸的生物合成以及metsalvage通路(图5)。
本研究鉴定了9种与糖酵解途径相关的代谢产物，包括蔗糖、葡萄糖、葡萄糖-6-磷酸、葡萄糖-1,6-二磷酸、果糖-6-磷酸等。与0h（对照组）相比,果糖-6-磷酸在18和24h显著上调,甘油醛-3-磷酸双酯在24h显著上调,磷酸丙酮酸在18h，24h和36h显著积累。相反,在干旱胁迫18至24h，葡萄糖的含量显著降低。磷酸丙酮酸分别转化为乙酰辅酶A和莽草酯。乙酰辅酶A进入了三羧酸循环。参与TCA循环的代谢产物有柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、富马酸和苹果酸，其中富马酸在干旱胁迫下显著增加。脯氨酸和氨基丁酸是通过谷氨酸介导的α-酮戊二酸途径合成的，在干旱胁迫24h时，α-酮戊二酸含量显著高于18h，说明处理24h可以有效地刺激脯氨酸对PEG模拟干旱胁迫的响应。莽草酸可以转化为苯丙氨酸，进入酚类代谢。在PEG模拟的干旱胁迫下后18、24和36h，苯丙氨酸含量显著增加。同样,在18和24h肉桂酸含量显著增加,在18h咖啡酸含量显著增加,在24h时
