植物代謝組學案例分析：大豆幼苗葉片對鹽脅迫的響應
植物組學：大豆幼苗葉片對鹽脅迫的響應
研究對象：大豆
分析檢測平臺：GC-TOF／MS （BIOTREE）
期刊：PLoS ONE
影響因子：3.057
發表時間：2016
摘要：
Clarification of the metabolic mechanisms underlying salt stress responses in plants will allow further optimization of crop breeding and cultivation to obtain high yields in salinealkali land. Here, we characterized 68 differential metabolites of cultivated soybean (Glycine max) and wild soybean (Glycine soja) under neutral-salt and alkali-salt stresses using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)-based metabolomics, to reveal the physiological
and molecular differences in salt tolerance. According to comparisons of growth parameters under the two kinds of salt stresses, the level of inhibition in wild soybean was lower than in cultivated soybean, especially under alkali-salt stress. Moreover, wild soybean contained significantly higher amounts of phenylalanine, asparagine, citraconic acid, citramalic acid, citric acid and α-ketoglutaric acid under neutral-salt stress, and higher amounts of palmitic acid, lignoceric acid, glucose, citric acid and α-ketoglutaric acid under alkali-salt stress, than cultivated soybean. Further investigations demonstrated that the ability of wild soybean to salt tolerance was mainly based on the synthesis of organic and amino acids, and the more active tricarboxylic acid cycle under neutral-salt stress. In addition, the metabolite profiling analysis suggested that the energy generation from β-oxidation, glycolysis and the citric acid cycle plays important roles under alkali-salt stress. Our results extend the understanding of mechanisms involved in wild soybean salt tolerance and provide an important reference for increasing yields and developing salt-tolerant soybean cultivars.
一、研究背景：
大豆是重要的重要的經濟和油料作物，然而培育過程中其耐鹽能力逐漸下降，嚴重影響植株生長和產品質量。野生大豆與培育大豆親緣關系緊密，但常表現出更強的耐鹽能力。通過對野生株研究，Na+、抗氧化酶和次級代謝途徑等在植株不同部位的表達均對耐鹽過程有影響。在應激過程中，野生株中有更高的氨基酸、二糖類物質積累，而不飽和脂肪酸、羧酸和單糖類物質低于培育植物。代謝物組學可更全面揭示植株對環境的響應過程，包括植物機能、代謝網絡、代謝調控機制和表型等均可通過對代謝物的考察進行研究。此前代謝組學這一研究工具在植物應激過程的分析研究中已得到廣泛使用。本文嘗試從耐受能力不同的植株出發，嘗試通過比較發現大豆耐鹽能力相關代謝途徑并為后續代謝工程改造提供基礎。
二、方法流程：
三、研究結果與討論：
1 生長狀態的區別：
1）W（野生株）在鹽壓力或鹽堿壓力下生長狀態明顯優于M（培育株）
2）鹽堿壓力比中性鹽壓力造成更嚴重的生長下降
圖1不同植株在鹽堿壓力下的生長表現
2 大豆在不同條件下的代謝物組差異分析
1）主成分分析（PCA）表明植株在不同條件下的代謝物出現整體變化；
2）正常條件：W中TCA循環和產能途徑活躍,M中氨基酸等合成較活躍；
3）鹽壓力：W中TCA循環、有機酸和氨基酸合成加強
4）鹽堿壓力：W中硬脂酸、壬酸、木蠟酸出現積累，M中下降；W中糖酵解和TCA循環加強，M中減弱。
圖2 多元變量統計分析建立PCA A模型的得分圖和上樣圖
3 野生大豆在鹽堿壓力下的耐受機制
1）通過積累小分子代謝物，如有機酸、氨基酸等降低胞質內水勢；
2）通過信號分子，如水楊酸（SA）、鯊烯等，激活抗氧化途徑，降低細胞膜脂質過氧化程度；
3）鹽壓力：W中TCA循環、有機酸、氨基酸和脂肪酸合成加強
四、亮點和展望:
通過設置不同強度鹽壓力條件，考察野生大豆（W耐受株）逐級遞增的應激策略。
通過與培育大豆（M敏感株）比較，排除與耐受能力不相關的代謝變化，獲得關鍵響應途徑；
通過代謝組學分析提出野生大豆的應激策略：提高相容性溶質積累量和產能途徑活性；
展望：可將已發現的耐受性相關途徑與轉錄組學、蛋白組學結合考察，確定關鍵的應激響應途徑；
展望：代謝組學發現了相對宏觀的鹽堿耐受機制，還需通過對關鍵基因的考察獲得更具體的代謝工程改造靶點
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