关键词：代谢组学;药用植物;分析技术;次生代谢;代谢途径
引言
随着系统生物学的发展,生命科学研究跨入了后基因组时代,人们更加注重功能基因的研究。代谢组学是继基因组学和蛋白质组学之后出现的一门新学科,已成为后基因组学时代的一个非常重要的分支。20世纪90年代末,代谢组学的概念就已经在微生物领域出现,随后Trethewey提出了代谢组学在植物领域的重要性。代谢组是指某一组织或者细胞在一特定生理时期内所有低分子量的代谢产物(基因表达终产物),植物代谢组学则是对植物的某一组织或细胞在一特定生理时期内所有低分子量代谢产物同时进行定性和定量分析。它是以组群指标分析为基础,以高通量检测和数据处理为手段,以信息建模与系统整合为目标,从宏观角度研究生物机体的生化变化,从而监控或者评价基因功能。与微生物和动物相比,植物代谢物种类繁多,其中大部分次生代谢产物具有重要的生物学功能和商业价值,因而大量应用在药品、食品、抗氧化剂、香味剂和天然色素等方面。目前已知植物代谢产物达20万种之多,仅拟南芥Ar-abidopsisthaliana就预测有超过5000种初级和次生代谢产物。相比之下,微生物仅有1500种代谢物,动物也只有2500种代谢物。当然海量的植物代谢产物也为科学研究带来了一定的困难。
1代谢组学的产生
代谢组学的概念最早源于20世纪70年代提出的代谢轮廓分析，这类代谢轮廓分析通常采用气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)对患者体液中代谢物进行定性、定量分析及对疾病进行筛选和诊断．90年代后期，于1997年首次提出了代谢组学(metabolomics)的概念，将代谢物和生物基因的功能联系起来．1999年，Nicholson等提出metabonomics的概念，并将其定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生的代谢物质动态应答的定量测定;同时重点指出其分析对象是生物本身，是一个动态的整体，并在疾病诊断、药物筛选等方面取得了较大的成果．2000年，又提出了metabolomics的概念，但是与Nicholson提出的metabonomics不同，他将代谢组学定位为一个静态过程，即对限定条件下的特定生物样品中所有代谢物的定性定量分析．两者在本质上都是指从整体上研究生物体的代谢产物，都可称为代谢组学．如今该定义已无明显区分，国内学术界一般以“metabonomics”表示代谢组学．2药用植物鉴别和质量控制的代谢组学研究我国药材种类繁多，资源丰富，然而来源复杂，品种混淆厉害。仅《中国药典》2000年版收载的534种中药材，即有143种中药为多基原(二基原以上)。中药材基原品种的真伪、正宗与否，关系到该味中药的确切疗效和疗效的重现性，进而直接影响到中药制剂的质量。即使是同种药材，由于自然条件的不同，药材产量和质量也不相同，临床疗效也有相当大的差异，由此产生了“道地药材”。同时，野生与栽培药材以及不同生长年限的药材也都表现出了质和量上的差异。DNA分子标记技术，如RAPD，RFLP，很好地用于遗传多样性研究以及正品与伪品等种以上分类单元的鉴定。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆同时，由于DNA分子标记不受生物体发育阶段的影响，无法鉴别不同生长年限的药材，对同基原(基因型)的野生与栽培药材的鉴别也存在一定困难。植物代谢组学主要是对特定条件下代谢表型(metabolicphenotypes或metabotypes)以及这些表型与基因型之间联系的研究。植物次生代谢过程及代谢物的积累受到自身和环境中各种生物和非生物因素的调控，通过代谢组学研究不仅能够深入理解植物与环境的相互作用，了解植物自身基因的功能，植物代谢网络与代谢调控，还能揭示植物表型与植物生长、发育及生物多样性之间的关系。笔者将DNA分子标记技术及代谢组学技术相结合，用来鉴别中药材蒙古黄芪和膜荚黄芪。这2种黄芪植物形态非常相似，仅存在荚果有毛无毛的细微差别，它们的分类学地位仍然存在一些争议。DNA分子标记AFLP技术显示蒙古黄芪和甘肃的膜荚黄芪聚在一起，说明蒙古黄芪与甘肃的膜荚黄芪亲缘关系较近，结果支持蒙古黄芪是膜荚黄芪变种这一分类结果。
3基于核磁共振波谱技术的分析平台
近年来随着高兆数核磁共振仪,超低温、微量探头技术,高通量技术以及相关联用技术的出现促进了NMR技术的发展。NMR技术重现性好;可同时检测多种代谢物,并对所有化合物的灵敏度一致;图谱中的信号峰强度与其浓度成正比,可直接比较相应浓度,进行定量分析。它的最大优势在于能提供丰富的结构信息,用于化合物结构鉴定。NMR技术能够测试多种类型的谱图,从最简单的1D-NMR谱(one-dimensionalNMRspectroscopy)中可以获得大量化合物信息,包括1H谱中获得氢信号的化学位移和偶合常数关系,13C谱和DEPT谱中可以发现碳信号个数和类型,此外还有31P、15N、19F谱等。代谢组学中常用的水峰压制氢谱,能够除掉水峰信号的干扰,显示水峰周围的化合物信号。同时一系列2D-NMR谱,包括同核相关谱(COSY)、总相关谱(TOCSY)、二维NOE谱(NOESY)、异核单量子相关谱(HSQC)、异核多键相关谱(HMBC)等,可以提供化合物各官能团间的连接关系并结合文献或数据库进行结构确证。2D-NMR谱应用非常广泛,最近有研究将类叶升麻属植物中三萜成分的HMBC谱总结分析建成数据库,每种萜类成分都有相应的谱图即形成一个“条形码”,采用这种“条形码”即可快速鉴定类叶升麻属植物中三萜类成分。此外,1H与15N形成的二维谱主要是应用于含氮代谢物如氨基酸类的鉴定。植物代谢物复杂多样,需要依靠1D与2DNMR技术相结合共同进行结构鉴定。随着NMR技术的发展,基于NMR的代谢流技术也应用广泛,生物体内的代谢网络复杂多样,重叠相关,研究代谢通路关键在于理清初始主干成分是如何逐级代谢直到最后的形态,代谢流分析即是通过对组织或细胞前期进行同位素标记的碳源饲喂,然后采用NMR技术进行含同位素物质的碳谱与二维谱的检测,鉴定被标记主成分的代谢物,从而确定主成分的代谢途径。
结语
代谢组学是以整体生物和功能状态的终末代谢物为特征，来研究复杂生命现象的新兴学科，更是系统生物学研究不可或缺的部分．但是目前的局限和不足也显而易见，尚不能较全面地分析样品内代谢物的组成成分，分析技术平台、方法手段和应用策略等方面相对于其他组学技术仍需要进一步发展和完善;并且需要将代谢组学和其他学科有机结合．
参考文献
［1］陈士林，姚辉，宋经元，等.基于DNAbarcoding(条形码)技术的中药材鉴定［J］.世界科学技术———中医药现代化，2007，19(3):7.
［2］肖小河，陈士林，黄璐琦，等.中国道地药材研究20年概论［J］.中国中药杂志，2009，34(5):519.
论文作者:安曼云
论文发表刊物:《科学与技术》2019年14期
论文发表时间:2019/12/5
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