實例(li)探(tan)討表(biao)型組學與(yu)代謝(xie)組學研(yan)究的結(jie)合(he)應(ying)用

表型組學（Phenomics）和代謝(xie)組學（Metabolomics）是系(xi)統生物學的(de)兩(liang)個重要(yao)分(fen)支(zhi)，它們(men)都(dou)致力(li)於全面(mian)理解生物體的(de)生物學特(te)性(xing)，在研(yan)究的焦(jiao)點和方法(fa)上(shang)有(you)所不同(tong)。表(biao)型組學，研(yan)究的是(shi)生物體的(de)表型，即生物體的(de)物理、生理生化(hua)特(te)征(zheng)。這(zhe)些特(te)征(zheng)是基(ji)因(yin)型和環境相(xiang)互(hu)作(zuo)用的(de)結(jie)果(guo)。代(dai)謝(xie)組學則專註於(yu)生物體在特(te)定(ding)生理或(huo)病(bing)理狀態下(xia)的代(dai)謝(xie)物變化(hua)。代謝(xie)物是細胞(bao)代謝(xie)活(huo)動(dong)的產物，反(fan)映了生物體的(de)實時(shi)生化(hua)狀態。代(dai)謝(xie)組學通(tong)過分(fen)析(xi)這(zhe)些代(dai)謝(xie)物的組成和變化(hua)，可以(yi)揭示生物體對(dui)環境變化(hua)的響(xiang)應機制。

表型的變化(hua)往往(wang)與(yu)代謝(xie)物的變化(hua)密切(qie)相(xiang)關。例(li)如，植物在受(shou)到環境(jing)脅(xie)迫時(shi)，其形(xing)態和生理特(te)征(zheng)的變化(hua)（表型變化(hua)）往往(wang)伴隨(sui)著代謝(xie)途(tu)徑(jing)的調(tiao)整(zheng)（代(dai)謝(xie)物變化(hua)）。表型組學提(ti)供(gong)了生物體宏(hong)觀層面(mian)的(de)特(te)征(zheng)信息，而代(dai)謝(xie)組學則(ze)提(ti)供(gong)了微(wei)觀層(ceng)面(mian)的(de)生化(hua)信息，為(wei)表(biao)型組學提(ti)供(gong)分(fen)子(zi)層面(mian)的(de)解(jie)釋(shi)，幫助(zhu)研究者理解觀察(cha)到的表(biao)型變化(hua)背(bei)後(hou)的生化(hua)機制，兩(liang)者相(xiang)輔(fu)相(xiang)成，互為補(bu)充(chong)。

表(biao)型組學壹(yi)般(ban)通(tong)過高(gao)通(tong)量(liang)表型技(ji)術(shu)，如成像(xiang)技(ji)術(shu)、傳(chuan)感器技(ji)術(shu)等，來測(ce)量(liang)和分(fen)析(xi)生物體的(de)形(xing)態、生理等特(te)征(zheng)。葉綠(lv)素熒光(guang)成像(xiang)技(ji)術(shu)、熒光高光譜(pu)成像(xiang)技(ji)術(shu)、RGB成像(xiang)、紅外(wai)熱(re)成像(xiang)等是(shi)表型組學研(yan)究的重要(yao)技(ji)術(shu)之壹(yi)，是(shi)檢(jian)測植(zhi)物初(chu)級(ji)代(dai)謝(xie)（光(guang)合(he)作(zuo)用）、次(ci)生代謝(xie)產(chan)物水平(ping)、形(xing)態學指(zhi)標(biao)、溫(wen)度（氣孔(kong)導(dao)度(du)與(yu)蒸騰作(zuo)用）的(de)重要(yao)手段。

易(yi)科泰(tai)擁(yong)有(you)多項表型技(ji)術(shu)及數款表型檢(jian)測設備，以(yi)下(xia)便通(tong)過4篇文(wen)章(zhang)，分(fen)享易科泰(tai)表(biao)型技(ji)術(shu)產品在植(zhi)物代謝(xie)組學研(yan)究中的(de)具(ju)體應(ying)用。

Ø PhenPlot輕便型表型分(fen)析(xi)系統(tong)

Ø PhenoTron^®植物表型成像(xiang)分(fen)析(xi)系統(tong)

Ø FluorTron動態葉(ye)綠素熒光(guang)成像(xiang)系(xi)統

Ø FluorTron^®多功(gong)能高(gao)光譜(pu)成像(xiang)系(xi)統

Ø FluorCam葉(ye)綠素熒光(guang)/多光(guang)譜(pu)熒(ying)光(guang)成像(xiang)系(xi)統

Ø PlantScreen表(biao)型成像(xiang)系(xi)統

Ø 高(gao)光(guang)譜(pu)成像(xiang)分(fen)析(xi)平(ping)臺(tai)

（溫(wen)馨提(ti)示，參考(kao)文獻附(fu)後，可(ke)檢(jian)索(suo)原文詳(xiang)細閱讀）

案(an)例(li)1：表型組學和代謝(xie)組學數(shu)據結(jie)合(he)揭示了(le)基(ji)於蛋白(bai)質(zhi)水解(jie)物的生物刺激劑(ji)在鹽(yan)脅(xie)迫處理的萵(wo)苣和番(fan)茄中(zhong)的(de)不同(tong)作(zuo)用模(mo)式(shi)（Frontiers in Plant Science,2022）

植物表型組學正(zheng)成為表征(zheng)生物刺激劑(ji)作(zuo)用模(mo)式(shi)的(de)常(chang)用工(gong)具(ju)。將這(zhe)種技(ji)術(shu)與(yu)其他(ta)組學，如代謝(xie)組學相(xiang)結(jie)合(he)，可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)對(dui)植物中的(de)生物刺激效(xiao)應的(de)更(geng)深入的理解。然而，數(shu)據分(fen)析(xi)和組學數(shu)據集的(de)解(jie)釋(shi)具(ju)有壹(yi)定(ding)的(de)難度。本(ben)研(yan)究便是(shi)基於(yu)此(ci)做(zuo)的(de)壹(yi)次(ci)嘗(chang)試(shi)和示例(li)。

研究者使用(yong)植物表型組學和代謝(xie)組學的(de)方法(fa)，研(yan)究了不同(tong)來源的蛋白(bai)質(zhi)水解(jie)物（PH）生物刺激劑(ji)對(dui)生菜和番(fan)茄在控(kong)制條件和鹽脅(xie)迫下(xia)的影(ying)響(xiang)。結(jie)果(guo)表明，生菜和番(fan)茄植(zhi)物在鹽(yan)脅(xie)迫下(xia)的生理響應不同(tong)，鹽(yan)脅(xie)迫主(zhu)要(yao)在實(shi)驗(yan)的後期(qi)階(jie)段影(ying)響(xiang)了(le)生菜的(de)生長和光合(he)作(zuo)用。另外(wai)，PHs改(gai)善了鹽(yan)脅(xie)迫條件下(xia)植物的生長和光合(he)作(zuo)用性(xing)能，尤其在生菜中(zhong)作(zuo)用更(geng)明顯(xian)。代謝(xie)組分(fen)析(xi)則揭示了(le)PH處理在番(fan)茄和生菜植(zhi)物中激活(huo)了(le)不同(tong)的(de)代(dai)謝(xie)途(tu)徑(jing)，包括次(ci)級(ji)代(dai)謝(xie)、輔(fu)因子(zi)/電(dian)子(zi)載體和植物激素的生物合(he)成。

通(tong)過高級(ji)統計工(gong)具(ju)處理大(da)量(liang)數據集分(fen)析(xi)發現(xian)，在生菜中(zhong)，與(yu)生物量(liang)相(xiang)關的性狀（如體積(ji)）是(shi)與(yu)PH生物刺激劑(ji)相(xiang)關性最(zui)高(gao)的(de)性(xing)狀，而在番(fan)茄中(zhong)，與(yu)光合(he)作(zuo)用相(xiang)關的表(biao)型參數(shu)更為重要(yao)。研(yan)究表明，結(jie)合(he)植(zhi)物表型組學和代謝(xie)組學的(de)數(shu)據，可(ke)以(yi)更(geng)深入地理解生物刺激劑(ji)的(de)作(zuo)用機(ji)制，並(bing)為植(zhi)物生長促(cu)進劑(ji)和減輕脅(xie)迫的(de)生物刺激劑(ji)的(de)開(kai)發提(ti)供(gong)了新(xin)的見(jian)解(jie)。

案例(li)2：汙(wu)泥衍(yan)生的營(ying)養(yang)物質(zhi)和生物刺激劑(ji)刺激水稻(dao)葉(ye)片(pian)光(guang)合(he)作(zuo)用和根(gen)系(xi)代(dai)謝(xie)，增強碳(tan)水(shui)化(hua)合(he)物、氮(dan)和抗氧(yang)化(hua)劑(ji)的(de)積(ji)累(lei)（Chemosphere,2024）

汙(wu)泥衍(yan)生的的(de)營(ying)養(yang)物質(zhi)和生物刺激劑(ji)（SS-NB）含有(you)腐(fu)殖(zhi)酸和蛋白(bai)質(zhi)水解(jie)物，以(yi)及(ji)植(zhi)物激素和化(hua)感物質(zhi)，這(zhe)些外(wai)源物質(zhi)可以(yi)促(cu)進植物光合(he)作(zuo)用，提(ti)高(gao)植(zhi)物抗逆(ni)能力(li)，另外(wai)還可(ke)以(yi)影(ying)響(xiang)土(tu)壤生態和根(gen)系(xi)發育，從(cong)而刺激植物生長。

江(jiang)南大(da)學等單(dan)位(wei)發表的這(zhe)篇文(wen)章(zhang)中，研究了SS-NB對(dui)水稻(dao)葉(ye)片(pian)光(guang)合(he)作(zuo)用和根(gen)系(xi)代(dai)謝(xie)的(de)影(ying)響(xiang)，以(yi)及(ji)它們(men)如何增強碳(tan)水(shui)化(hua)合(he)物、氮(dan)和抗氧(yang)化(hua)劑(ji)的(de)積(ji)累(lei)。研(yan)究發現(xian)，與(yu)氮(dan)肥(fei)（NF）處理相(xiang)比(bi)，SS-NB 通(tong)過提(ti)高(gao)光(guang)合(he)效(xiao)率(lv)、葉(ye)綠(lv)素含量(liang)、ATP合(he)酶(mei)活(huo)性(xing)、Rubisco和NADPH產生來增強水(shui)稻(dao)葉(ye)片(pian)的(de)光(guang)合(he)作(zuo)用。同(tong)時(shi)，SS-NB 還(hai)增加(jia)了(le)水(shui)稻(dao)葉(ye)片(pian)和根(gen)系(xi)中(zhong)的(de)抗氧(yang)化(hua)能力(li)。代謝(xie)組學分(fen)析(xi)顯示，SS-NB 應用增加(jia)了(le)水(shui)稻(dao)根(gen)和葉組織中(zhong)的代(dai)謝(xie)物表達(da)水平(ping)，包(bao)括碳(tan)水(shui)化(hua)合(he)物、氮(dan)和硫代謝(xie)、氨(an)基(ji)酸(suan)代(dai)謝(xie)、抗(kang)氧(yang)化(hua)劑(ji)和植物激素。研究結(jie)果(guo)表明，SS-NB 在作(zuo)物生長和逆(ni)境抗(kang)性(xing)改(gai)善方面(mian)具(ju)有很(hen)大(da)的應(ying)用潛(qian)力(li)。未來的(de)研(yan)究應該關註SS-NB對(dui)作(zuo)物品質(zhi)和安(an)全性(xing)的(de)影(ying)響(xiang)，以(yi)及(ji)它如何可能抵(di)消長期(qi)施用化(hua)學肥(fei)料(liao)對(dui)作(zuo)物生產和農業(ye)系(xi)統(tong)中(zhong)根(gen)系(xi)-微(wei)生物相(xiang)互(hu)作(zuo)用的(de)不利(li)影(ying)響(xiang)。

案例(li)3：基於(yu)LC-MS的代(dai)謝(xie)組學研(yan)究，揭示了(le)鹽(yan)脅(xie)迫下(xia)蓖麻幼(you)苗(miao)早(zao)期(qi)子(zi)葉和根(gen)的(de)特(te)定(ding)代謝(xie)變化(hua)（Plant Physiology and Biochemistry,2021）

幼(you)苗發育早期是(shi)植(zhi)物生命周期中(zhong)最(zui)關鍵的時期(qi)之(zhi)壹(yi)，它極(ji)易(yi)受(shou)到不利(li)環(huan)境條件的(de)影(ying)響(xiang)，特(te)別(bie)是鹽(yan)脅(xie)迫的(de)影(ying)響(xiang)。蓖麻是(shi)著(zhu)名(ming)的(de)非食(shi)用(yong)油料(liao)作(zuo)物和耐(nai)鹽(yan)作(zuo)物，但其幼(you)苗發育過程(cheng)中(zhong)耐(nai)鹽(yan)的(de)機(ji)制和代謝(xie)反(fan)應尚不清(qing)楚(chu)，本(ben)研(yan)究中，對(dui)16天大(da)的蓖麻幼(you)苗(miao)進行6天的(de)鹽(yan)脅(xie)迫，使(shi)用(yong)液(ye)相(xiang)色(se)譜(pu)-電(dian)噴霧離子(zi)化(hua)飛(fei)行時(shi)間(jian)質(zhi)譜(pu)（LC-ESI-TOF-MS）進行代謝(xie)物分(fen)析(xi)，並(bing)結(jie)合(he)生物量(liang)測量(liang)、葉綠(lv)素熒光(guang)成像(xiang)測(ce)量(liang)、化(hua)學分(fen)析(xi)等方法(fa)，綜(zong)合(he)分(fen)析(xi)在鹽(yan)脅(xie)迫下(xia)，蓖麻種子(zi)幼苗(miao)期(qi)的(de)子(zi)葉和根(gen)系(xi)的(de)特(te)定(ding)代謝(xie)反(fan)應。

研究揭示了(le)蓖麻幼(you)苗(miao)在鹽(yan)脅(xie)迫下(xia)子(zi)葉和根(gen)系(xi)的(de)代(dai)謝(xie)變化(hua)，表明蓖麻能夠(gou)通(tong)過調(tiao)整(zheng)碳(tan)分(fen)配策略(lve)、重新編(bian)程(cheng)多種代謝(xie)途(tu)徑(jing)以(yi)及(ji)在子(zi)葉和根(gen)系(xi)中(zhong)積(ji)累(lei)不飽(bao)和脂(zhi)肪酸(suan)來提(ti)高(gao)鹽(yan)耐(nai)受(shou)性(xing)。研究結(jie)果(guo)為理解蓖麻在鹽(yan)脅(xie)迫下(xia)的生理變化(hua)提(ti)供(gong)了新(xin)的見(jian)解(jie)，並(bing)為培育更(geng)具(ju)鹽耐(nai)受(shou)性(xing)的(de)作(zuo)物品種提(ti)供(gong)了基(ji)礎。

表：鹽(yan)脅(xie)迫條件下(xia)蓖麻子(zi)葉和根(gen)系(xi)的(de)生理參數(shu)（其中(zhong)框選(xuan)部(bu)分(fen)為使(shi)用(yong)FluorCam葉綠(lv)素熒光(guang)成像(xiang)獲(huo)得的光合(he)參數(shu)）

案例(li)4：單(dan)壹(yi)和組合(he)環(huan)境脅(xie)迫對(dui)擬南芥(jie)（Arabidopsis thaliana）代謝(xie)組學和光合(he)作(zuo)用水(shui)平(ping)的(de)影(ying)響(xiang)（bioRxiv,2024）

土(tu)壤(rang)鹽(yan)度(du)水平(ping)的(de)增加(jia)、幹(gan)旱(han)、高溫(wen)和低溫(wen)嚴重威脅(xie)著作(zuo)物生長，而這(zhe)些環(huan)境(jing)脅(xie)迫經(jing)常(chang)在作(zuo)物生長過程(cheng)中(zhong)組合(he)發生。這(zhe)項研究旨在深入了解單(dan)壹(yi)和聯合(he)非(fei)生物脅(xie)迫對(dui)擬南芥(jie)代謝(xie)組水平(ping)和光合(he)水(shui)平(ping)的(de)影(ying)響(xiang)，以(yi)及(ji)脅(xie)迫的(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用和協同(tong)效(xiao)應。研(yan)究揭示了(le)，組合(he)脅(xie)迫相(xiang)比(bi)於(yu)單(dan)壹(yi)脅(xie)迫在擬(ni)南芥(jie)次(ci)級(ji)代(dai)謝(xie)、氧(yang)化(hua)還原(yuan)失衡(heng)和光合(he)作(zuo)用表(biao)現(xian)上(shang)產(chan)生了更(geng)強的(de)協同(tong)效(xiao)應和影(ying)響(xiang)。鹽(yan)脅(xie)迫及(ji)其組合(he)對(dui)植物生化(hua)的影(ying)響(xiang)最(zui)為(wei)顯(xian)著(zhu)。

研究中，在播(bo)種38天後(hou)將擬南芥(jie)幼苗(miao)分(fen)為9組作(zuo)並(bing)不同(tong)處理，每(mei)組4個生物學重復(fu)。在播(bo)種後的(de)38,40,43,44,47天即(ji)T0,T1,T2,T3,T4，使(shi)用PlantScreen高通(tong)量(liang)表型分(fen)析(xi)系統(tong)對(dui)擬南芥(jie)進行RGB成像(xiang)、葉(ye)綠素熒光(guang)成像(xiang)，以(yi)檢(jian)測不同(tong)處理對(dui)擬南芥(jie)形(xing)態學特(te)征(zheng)和光合(he)特(te)性(xing)的影(ying)響(xiang)。另(ling)外，還(hai)通(tong)過脂(zhi)質(zhi)過氧(yang)化(hua)、電解(jie)質(zhi)泄露(lu)、非靶(ba)向(xiang)代(dai)謝(xie)物分(fen)析(xi)、靶向(xiang)代(dai)謝(xie)物分(fen)析(xi)等方法(fa)進行代謝(xie)組分(fen)析(xi)。

表(biao)型檢(jian)測結(jie)果(guo)顯示，鹽(yan)脅(xie)迫顯(xian)著(zhu)減(jian)少了(le)擬南芥(jie)的生長面(mian)積(ji)，而其他(ta)脅(xie)迫（高(gao)溫(wen)、低溫(wen)、幹旱(han)）在實(shi)驗(yan)期間(jian)對(dui)生長面(mian)積(ji)影(ying)響(xiang)不顯(xian)著(zhu)。鹽脅(xie)迫從(cong)實驗(yan)初(chu)期(qi)就(jiu)影(ying)響(xiang)了(le)光系(xi)統II（PSII）的(de)效(xiao)率(lv)，導(dao)致代表光(guang)合(he)作(zuo)用效(xiao)率(lv)的(de)葉(ye)綠素熒光(guang)參數(shu)如Fv’/Fm’等下(xia)降。高溫(wen)脅(xie)迫在T4顯著(zhu)增加(jia)了(le)非(fei)光(guang)化(hua)學淬滅（NPQ），表明熱(re)應力(li)下(xia)植物通(tong)過增加(jia)熱(re)耗散來保(bao)護(hu)光合(he)機(ji)構(gou)。高溫(wen)和低溫(wen)脅(xie)迫，都(dou)沒(mei)有影(ying)響(xiang)Fv/Fm，可(ke)能是(shi)由於(yu)處理時間(jian)較短。幹(gan)旱(han)脅(xie)迫的(de)單(dan)壹(yi)及(ji)組合(he)處理均在9天的(de)處理期內未(wei)對(dui)光合(he)作(zuo)用機(ji)構(gou)造(zao)成顯著(zhu)影(ying)響(xiang)，可(ke)能是(shi)短時(shi)間(jian)的脅(xie)迫未(wei)損傷(shang)PSII。

代謝(xie)組分(fen)析(xi)的結(jie)果(guo)顯示，脅(xie)迫及(ji)其組合(he)顯(xian)著(zhu)增加(jia)了(le)過氧(yang)化(hua)氫(qing)（H2O2）和丙(bing)二醛(quan)（MDA）的(de)積(ji)累(lei)，表(biao)明這(zhe)些脅(xie)迫條件下(xia)植物經(jing)歷(li)了(le)更(geng)高(gao)的氧(yang)化(hua)應激。非(fei)靶向(xiang)代(dai)謝(xie)組分(fen)析(xi)顯示，不同(tong)的(de)單(dan)壹(yi)和組合(he)脅(xie)迫對(dui)擬南芥(jie)的代(dai)謝(xie)組有顯(xian)著(zhu)影(ying)響(xiang)，導(dao)致代(dai)謝(xie)物的差異表(biao)達(da)。通(tong)過OPLS-DA模型和VIP分(fen)析(xi)，識別(bie)了在脅(xie)迫條件下(xia)具(ju)有區(qu)分(fen)潛力(li)的代(dai)謝(xie)物，包括多酚(fen)類(lei)、萜(tie)類、核苷類(lei)、生物堿(jian)和硫苷類化(hua)合(he)物。鹽脅(xie)迫及(ji)其組合(he)顯(xian)著(zhu)增加(jia)了(le)脯(pu)氨(an)酸(suan)的(de)積(ji)累(lei)，而甜(tian)菜堿(jian)水(shui)平(ping)在大(da)多數(shu)脅(xie)迫條件下(xia)降低(di)。

參考(kao)文獻：

[1] Sorrentino M, Panzarová K, Spyroglou I, et al. Integration of phenomics and metabolomics datasets reveals different mode of action of biostimulants based on protein hydrolysates in Lactuca sativa L. and Solanum lycopersicum L. under salinity[J]. Frontiers in Plant Science, 2022, 12: 808711.

[2] Hao J, Tan J, Zhang Y, et al. Sewage sludge-derived nutrients and biostimulants stimulate rice leaf photosynthesis and root metabolism to enhance carbohydrate, nitrogen and antioxidants accumulation[J]. Chemosphere, 2024, 352: 141335.

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