Modern plant metabolomics: advanced natural product gene discoveries, improved technologies, and future prospects
- 作者
- Lloyd W. Sumner, Zhentian Lei, Basil J. Nikolau, Kazuki Saito
- 单位
- Samuel Roberts Noble Foundation, Plant Biology Division; Iowa State University, Center for Metabolic Biology; Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Chiba University; RIKEN Center for Sustainable Resource Science
- 杂志
- Natural Product Reports
- DOI
- 10.1039/c4np00072b
- 所属领域
- 植物代谢组学
- 关键词
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解决的核心问题
利用植物代谢组学技术加速天然产物生物合成相关基因和酶的发现与功能鉴定，并解决代谢物结构注释的技术瓶颈。
研究策略
系统综述2000-2014年植物代谢组学领域的研究进展，重点总结代谢组学与转录组学/基因组学整合进行基因挖掘的策略，以及质谱成像、NMR成像、LC-MS-SPE-NMR集成系统和计算质谱等分析技术的最新进展。
核心内容
该文系统综述了2000至2014年间植物代谢组学在天然产物基因发现与技术革新方面的进展。研究者总结了代谢组学与转录组学、基因组学整合的策略，用以加速生物合成基因的挖掘与功能鉴定，并重点介绍了空间分辨代谢组学（质谱成像和核磁共振成像）、LC-MS-SPE-NMR集成系统以及计算质谱等前沿技术。在关键结果方面，通过LC-MS在拟南芥中检测到54种黄酮类分子；质谱成像的空间分辨率由2005年约100微米提升至2010年约10微米，nanoSIMS可达50纳米；LC-MS-SPE-NMR系统仅需1至5微克样品即可完成微量代谢物的结构鉴定。利用代谢组学方法，研究还成功鉴定了甘草中催化β-amyrin两步氧化的CYP88D6以及催化C-30甲基三步氧化的CYP72A154等关键酶。这些进展表明植物代谢组学已趋成熟，与组学数据的整合显著加速了途径解析，而分析技术的突破正有效克服代谢物结构鉴定的瓶颈，为作物改良和药用植物研究提供了有力工具。
创新点
整合代谢组学与转录组学/基因组学加速基因发现；空间分辨代谢组学（MSI/MRI）实现细胞水平代谢物可视化；LC-MS-SPE-NMR自动化系统允许1–5 μg微量代谢物结构鉴定；基于多孔复合物的微克量级X射线晶体学方法；大尺度靶向MRM代谢组学和公共MS/MS数据库建设。
研究对象（39）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Arabidopsis thaliana | 黄酮类生物合成 | — | anthocyanidin reductase | 催化 | 催化花青素生成表儿茶素，参与原花青素合成 |
| Arabidopsis thaliana | 黄酮类生物合成 | — | glycosyltransferase | 催化 | 催化表儿茶素糖基化 |
| Arabidopsis thaliana | 黄酮类生物合成 | — | laccase-like protein | 催化 | 催化原花青素聚合 |
| Arabidopsis thaliana | 黄酮类生物合成 | — | dirigent protein | 催化 | 参与新木脂素形成，经代谢组学预测并验证 |
| Oryza sativa | 黄酮类生物合成 | — | — | 催化 | 通过QTL定位鉴定参与apigenin-6,8-di-C-α-L-arabinoside生物合成的基因，具体基因未命名 |
| Arabidopsis thaliana | 芥子油苷生物合成 | — | sulfotransferase | 催化 | 硫转移酶 |
| Arabidopsis thaliana | 芥子油苷生物合成 | — | MYB transcription factor | 调控 | 转录因子调控芥子油苷合成 |
| Arabidopsis thaliana | 芥子油苷生物合成 | — | flavin-monooxygenase | 催化 | 催化脂肪族芥子油苷S-氧化 |
| Arabidopsis thaliana | 芥子油苷及植保素代谢 | — | γ-glutamyl peptidase | 催化 | 参与GSH偶联物加工 |
| Glycyrrhiza uralensis | 三萜皂苷生物合成 | CYP88D6 | — | 催化 | 催化β-amyrin C-11亚甲基连续两步氧化 |
| Glycyrrhiza uralensis | 三萜皂苷生物合成 | CYP72A154 | — | 催化 | 催化β-amyrin C-30甲基三步氧化成羧酸 |
| Medicago truncatula | 三萜皂苷生物合成 | CYP72A63 | — | 催化 | 同源蛋白，更高效催化C-30氧化 |
| Medicago truncatula | 三萜皂苷生物合成 | CYP716A12 | — | 催化 | 多功能P450，催化C-28氧化 |
| Vitis vinifera | 三萜皂苷生物合成 | CYP716A15 | — | 催化 | 催化C-28氧化产生齐墩果酸、熊果酸和桦木酸 |
| Vitis vinifera | 三萜皂苷生物合成 | CYP716A17 | — | 催化 | 与CYP716A15同工，催化C-28氧化 |
| Medicago truncatula | 三萜皂苷生物合成 | UGT73F3 | — | 催化 | 在C-28位糖基化常春藤皂苷元 |
| Barbarea vulgaris | 三萜皂苷生物合成 | UGT73C10 | — | 催化 | 催化皂苷3-O-葡萄糖基化 |
| Barbarea vulgaris | 三萜皂苷生物合成 | UGT73C11 | — | 催化 | 与UGT73C10同源，催化3-O-葡萄糖基化 |
| Glycine max | 三萜皂苷生物合成 | UGT73F2 | — | 催化 | 大豆皂苷元A C-22位葡萄糖基转移酶 |
| Glycine max | 三萜皂苷生物合成 | UGT73F4 | — | 催化 | 大豆皂苷元A C-22位木糖基转移酶 |
| Avena strigosa | 三萜皂苷生物合成 | avenacin biosynthesis gene cluster | — | 催化 | 燕麦皂苷生物合成基因簇 |
| Arabidopsis thaliana | 三萜衍生物生物合成 | thalianol gene cluster | — | 催化 | 参与thalianol生物合成 |
| Arabidopsis thaliana | 三萜衍生物生物合成 | marmeral gene cluster | — | 催化 | 参与marmeral生物合成 |
| Solanum lycopersicum | 甾体糖苷生物碱生物合成 | sterol side chain reductase 2 | — | 催化 | 参与甾体生物碱合成，独立于基因簇 |
| Solanum tuberosum | 甾体糖苷生物碱生物合成 | sterol side chain reductase 2 | — | 催化 | 参与甾体生物碱合成，独立于基因簇 |
| Papaver somniferum | 吗啡生物碱生物合成 | morphine biosynthetic genes | — | 催化 | 多数基因已鉴定，存在基因簇 |
| Catharanthus roseus | 单萜吲哚生物碱生物合成 | — | NAD(P)H-dependent oxido-reductase-like enzyme | 催化 | 催化iridoid骨架形成 |
| Catharanthus roseus | 单萜吲哚生物碱生物合成 | — | 7-deoxy-loganetic acid glucosyltransferase | 催化 | 参与secologanin生物合成 |
| Catharanthus roseus | 单萜吲哚生物碱生物合成 | seco-iridoid pathway genes | — | 催化 | 通过转录组和代谢组整合，异源表达验证 |
| Ophiorrhiza pumila | 喜树碱生物碱生物合成 | tryptophan decarboxylase | — | 催化 | 色氨酸脱羧酶 |
| Ophiorrhiza pumila | 喜树碱生物碱生物合成 | secologanin synthase | — | 催化 | 裂环马钱子苷合酶 |
| Lupinus angustifolius | 赖氨酸衍生生物碱生物合成 | lysine decarboxylase | — | 催化 | 催化赖氨酸生成尸胺 |
| Digitalis purpurea | 强心苷生物合成 | C4 sterol methyloxidase | — | 催化 | 强心苷生物合成相关基因 |
| Digitalis purpurea | 强心苷生物合成 | progesterone 5β-reductase | — | 催化 | 强心苷生物合成相关基因 |
| Digitalis purpurea | 强心苷生物合成 | cardenolide synthase | — | 催化 | 强心苷生物合成相关基因 |
| Valeriana officinalis | 倍半萜生物合成 | valerena-1,10-diene synthase | — | 催化 | 参与合成新倍半萜 |
| Catharanthus roseus | 生物碱生物合成 | cytochrome P450 | — | 催化 | 参与19-O-乙酰异阿玛碱生物合成 |
| Echinacea purpurea | 聚酮生物合成 | — | — | 催化 | 通过组学鉴定编码聚酮合成相关酶的基因 |
| Hypericum perforatum | 聚酮生物合成 | — | — | 催化 | 参与金丝桃素等聚酮生物合成 |
关键发现
- 在拟南芥中通过LC-MS检测到54种黄酮类分子（35种黄酮、11种花青素、8种原花青素）
- 质谱成像空间分辨率从2005年的约100 μm提升到2010年的约10 μm，nanoSIMS达50 nm，nanoDESI达约12 μm，扫描微探针MALDI达数微米
- MRI三维分辨率达到3.7×3.3×3.3 μm³
- LC-MS-SPE-NMR系统只需1–5 μg样品即可用600 MHz NMR（1.7 mm TCI cryoprobe）获得结构信息
- MassBank包含超过40000张质谱图（来自28个机构）
- 通过代谢组学鉴定了甘草CYP88D6（催化β-amyrin两步氧化）和CYP72A154（三步氧化C-30甲基）等关键酶。
研究结论
现代植物代谢组学已经成熟，与基因组学/转录组学整合显著加速了天然产物生物合成基因的发现和途径解析；技术进步（如MSI、MRI、LC-MS-SPE-NMR、计算MS）正在克服代谢物鉴定的瓶颈；未来在作物改良、药用植物研究和草药质量评价中具有广阔应用前景。