药用植物代谢组学的研究进展
药用植物代谢工程
药用植物代谢工程是一种利用现代生物技术手段，对药用植物进行基因改造，以提高其药用价值的技术。
该技术利用生物学、化学、计算机等多学科知识，对药用植物的代谢途径进行调控，从而提高其有效成分的产量和质量，使其更适合用于药物制备。
一、药用植物代谢工程的意义药用植物是人类利用的一种重要的药物资源，其中许多植物含有丰富的生物活性成分，如黄酮类、生物碱类、酚酸类等。
这些成分具有广泛的药理活性，可用于治疗多种疾病。
但是，由于种植环境、气候等因素的影响，药用植物中有效成分的含量和质量存在很大的差异，这限制了药用植物的应用。
药用植物代谢工程通过对植物基因的改造，可以提高植物中有效成分的含量和质量，从而使得药用植物更适合用于药物制备。
二、药用植物代谢工程的研究进展目前，药用植物代谢工程的研究主要集中在以下几个方面：1. 基因克隆和表达药用植物代谢工程的第一步是对植物基因进行克隆和表达。
研究人员可以通过基因工程技术，将药用植物中与有效成分合成相关的基因克隆到适当的载体中，并将其转化到目标植物中。
通过这种方法，可以增加植物中有效成分的产量和质量。
例如，研究人员利用基因工程技术将紫锥菊中的紫锥菊苷合成酶基因克隆到大肠杆菌中进行表达，成功合成了紫锥菊苷。
这项研究为利用基因工程技术提高紫锥菊中有效成分含量提供了新思路。
2. 代谢通路调控药用植物中有效成分的合成通常是通过一系列代谢途径进行的。
因此，调控代谢途径是药用植物代谢工程的重要研究方向之一。
研究人员可以通过调控代谢途径中的关键酶的表达水平，来提高植物中有效成分的产量和质量。
例如，研究人员利用基因工程技术调控了大麻中的四氢大麻酚（THC）的合成途径。
通过调节关键酶的表达水平，成功地提高了THC的产量。
这项研究为利用基因工程技术提高大麻中THC含量提供了新思路。
3. 代谢工程的组合应用药用植物代谢工程通常需要对多个代谢途径进行调控，才能达到预期的效果。
因此，将多个代谢工程技术进行组合应用，可以更有效地提高药用植物中有效成分的产量和质量。
药用植物次生代谢工程研究进展
药用植物次生代谢工程研究概况摘要高等植物的次生代谢产物是许多天然药物的重要来源，随着对药用植物次生代谢合成途径日渐全面的认识，采取有效的代谢工程策略对植物次生代谢途径进行遗传改良，已经取得了诸多研究成果。
本文介绍了黄酮类化合物 ( flavonoids )、萜类化合物( terpenoids )及生物碱( alkaloid )这三种重要药用植物次生代谢产物的结构及生物合成途径，说明了次生代谢工程在提取高质量药用植物活性物质中的研究现状，为今后药用植物次生代谢产物的大规模研究和利用提供借鉴。
关键词植物药；次生代谢产物；代谢工程高等植物的次生代谢产物是许多天然药物的重要来源，植物药在国际医药市场中占有重要的地位。
由于许多植物的天然活性物质的结构特殊，很难用化学方法完全合成，因此这类物质的生产必须依赖于天然植物资源。
针对植物天然药物可持续发展问题，药用植物次生代谢产物的应用吸引了国内外众多研究者的关注。
植物次生代谢的概念最早于1891年由Kossel 明确提出。
次生代谢产物(Secondary metabolites) 是由次生代谢(Secondary metablism) 产生的一类细胞生命活动或植物生长发育正常运行的非必需的小分子有机化合物，其产生和分布通常有种属、器官、组织以及生长发育时期的特异性。
次生代谢产物可分为苯丙素类、醌类、黄酮类、单宁类、萜类、甾体及其甙、生物碱七大类。
还有人根据次生产物的生源途径分为酚类化合物、萜类化合物、含氮化合物( 如生物碱) 等三大类。
代谢工程( Metabolic engineering )是生物工程的一个新的分支，通过基因工程的方法改变细胞的代谢途径，主要是针对提高某种重要的次生代谢物或其前体的含量，以期在较广范围内改善细胞性能，满足人类对生物体的特定需求。
随着现代生物工程技术的发展，充分利用基因组学的研究成果，解析和调控植物次生代谢的生物合成途径，进而利用代谢工程的方法大幅度提高药用植物中目标产物的含量，不仅具有理论上的可行性，而且已经成为改造物种的有力工具1. 植物次生代谢产物合成途径了解植物次生代谢合成途径是实施次生代谢工程的基础。
植物在非生物胁迫下代谢组学与转录组学的研究进展
植物在非生物胁迫下代谢组学与转录组学的研究进展一、本文概述随着全球气候变化的加剧，非生物胁迫如干旱、高温、盐碱等已成为影响植物生长和产量的重要因素。
为了深入理解和应对这些环境压力，植物代谢组学和转录组学的研究逐渐受到广泛关注。
本文旨在概述植物在非生物胁迫下的代谢组学和转录组学研究的最新进展，探讨这些技术在揭示植物响应非生物胁迫机制中的应用，以及未来可能的研究方向。
文章将首先介绍代谢组学和转录组学的基本概念和研究方法，然后重点分析近年来在植物非生物胁迫响应领域的代谢组学和转录组学研究成果，最后讨论这些技术在实际应用中的挑战和前景。
二、非生物胁迫的类型及其对植物的影响非生物胁迫是植物在生长和发育过程中面临的主要环境压力之一，包括但不限于盐胁迫、干旱胁迫、冷胁迫、热胁迫、重金属胁迫以及UV辐射等。
这些胁迫条件通常会对植物的生长、发育和生理代谢产生显著影响，严重时甚至导致植物死亡。
盐胁迫主要发生在盐碱地或海水灌溉地区，过高的盐浓度会导致植物细胞内的渗透压失衡，从而影响细胞的正常功能。
干旱胁迫则常见于水资源短缺的地区，长时间的干旱会导致植物水分亏缺，影响光合作用和其他代谢过程。
冷胁迫和热胁迫则分别由低温和高温引起，它们会干扰植物细胞的膜结构和酶活性，从而影响植物的正常生长。
重金属胁迫通常发生在工业污染地区，过量的重金属会干扰植物体内酶的活性，造成代谢紊乱。
UV辐射则主要来自太阳，过量的UV辐射会损害植物细胞的DNA和蛋白质，对植物造成直接伤害。
为了应对这些非生物胁迫，植物会启动一系列的生理和分子机制。
在代谢组学层面，植物会通过调整代谢途径，合成和积累一些特定的代谢产物，如渗透调节物质、抗氧化物质等，以维持细胞的正常功能。
在转录组学层面，植物会调整基因的表达模式，表达和上调一些与胁迫响应相关的基因，如转录因子、激酶等，以响应和适应胁迫环境。
研究植物在非生物胁迫下的代谢组学和转录组学变化，有助于深入理解植物应对环境压力的机制，为植物抗逆性的遗传改良和农业生产的可持续发展提供理论依据。
药用植物代谢组学研究
药用植物代谢组学研究代谢组学是全局性研究小分子代谢物的一门科学，是系统生物学的重要组成部分，广泛应用于中医药复杂体系。
代谢物是药用植物代谢合成的产物，是中药发挥疗效的物质基础。
随着本草基因组计划的实施和中药合成生物学的发展，药用植物代谢组学研究将会迎来蓬勃发展。
该文介绍代谢组学技术近几年的研究进展，以及药用植物代谢组学研究的主要内容，包括药用植物鉴别和质量评价，品种选育和抗逆研究，代谢途径解析，代谢网络、代谢工程研究及合成生物学研究。
通过整合本草基因组，转录组和代谢组学等研究，最终为药用植物品种选育、创新药物研发和质量安全性评价奠定基础。
标签：代谢组学；药用植物；分析技术；次生代谢；代谢途径Metabolomics research of medicinal plantsDUAN Lixin1，DAI Yuntao2，SUN Chao3，CHEN Shilin2*（1.Institute of Botany，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100093，China；2.Institute of Chinese Materia Medica，China Academy of Chinese Medical Sciences，Beijing 100700，China；3.Institute of Medicinal Plant Development，Chinese Academy of Medical Sciences and Peking UnionMedical College，Beijing 100193，China）[Abstract] Metabolomics is the comprehensively study of chemical processes involving small molecule metabolites. It is an important part of systems biology，and is widely applied in complex traditional Chinese medicine（TCM）system. Metabolites biosynthesized by medicinal plants are the effective basis for TCM. Metabolomics studies of medicinal plants will usher in a new period of vigorous development with the implementation of Herb Genome Program and the development of TCM synthetic biology. This manuscript introduces the recent research progresses of metabolomics technology and the main research contents of metabolomics studies for medicinal plants，including identification and quality evaluation for medicinal plants，cultivars breeding，stress resistance，metabolic pathways，metabolic network，metabolic engineering and synthetic biology researches. The integration of genomics，transcriptomics and metabolomics approaches will finally lay foundation for breeding of medicinal plants，R&D，quality and safety evaluation of innovative drug.[Key words] metabolomics；medicinal plants；analytic technology；secondarymetabolism；metabolic pathwaydoi：10.4268/cjcmm20162202植物在长期的进化过程中，产生了数量庞大、结构迥异的小分子代谢物。
代谢组学在中医药领域的应用研究
代谢组学在中医药领域的应用研究随着现代医学的发展，代谢组学作为一种新兴的研究方法开始被广泛应用在各个领域。
中医药作为我国传统的医学体系，其独特的理论和丰富的临床经验吸引了越来越多的研究者将代谢组学方法应用于中医药领域。
代谢组学的技术手段为中医药研究提供了新的思路和手段，为中医药的现代化发展提供了新的路径。
本文将系统探讨代谢组学在中医药领域的应用研究。
一、代谢组学技术概述代谢组学是一种通过分析生物体内代谢产物的全套谱图，从而研究生物体内代谢变化规律的技术。
代谢组学技术主要包括质谱、核磁共振等。
通过代谢组学技术，可以对生物体内的代谢产物进行高通量、全面、系统的检测和分析，揭示生物体内代谢的整体变化规律。
二、代谢组学在中医药研究中的应用1. 中医药研究中的代谢组学技术应用代谢组学技术在中医药研究中被广泛应用，主要体现在以下几个方面：(1) 中草药质量控制：通过代谢组学技术，可以对中草药进行成分分析和质量控制，快速鉴别真伪和评估中草药的质量。
(2) 中药药效研究：代谢组学技术可以揭示中药的药效物质和作用机制，有助于深入理解中药的药理作用和临床应用。
(3) 中医证候研究：代谢组学技术可以帮助研究者在分子水平上识别中医证候的生物标志物，为中医证候分类和辨识提供客观依据。
2. 代谢组学在中医药领域的研究案例代谢组学在中医药领域的应用已经取得了一些研究成果，例如：(1) 中草药质量控制：某研究团队利用代谢组学技术对不同来源的黄芩进行比较，鉴别出了黄芩中不同种类的化合物，为黄芩的质量控制提供了新的方法。
(2) 中药药效研究：有学者运用代谢组学技术对某种中药进行研究，发现其中含有一种新的生物活性成分，对该中药的作用机制有了更深入的理解。
(3) 中医证候研究：一些研究者利用代谢组学技术对不同中医证候的患者进行代谢物谱分析，发现了一些与中医证候相关的生物标志物，为中医证候分类和诊断提供了新的线索。
三、代谢组学在中医药领域的未来发展代谢组学技术在中医药领域的应用尚处于起步阶段，未来有望取得更多的突破，展现出更广阔的应用前景：1. 多学科融合：代谢组学在中医药领域的应用需要多学科的融合，包括中医学、现代医学、生物信息学等领域的专家共同合作，才能更好地发挥其研究优势。
代谢组学技术在药物研究中的应用与进展
代谢组学技术在药物研究中的应用与进展药物研发是一项非常复杂的工作，需要不断地进行试验和验证。
代谢组学技术作为一种新兴的技术，可以广泛应用于药物研究中，成为了药物研发领域的重要手段。
本文就代谢组学技术在药物研究中的应用与进展进行探讨。
一、代谢组学技术的概述代谢组学技术是使用高通量的分析手段，对体内代谢产物的种类和量进行定量和分析，并研究代谢产物在不同生物体系中的变化。
代谢组学技术包括代谢物谱学、代谢产物型谱学、代谢物组学等多个学科的交叉融合。
这些技术都是通过分析组织、血清、尿液、唾液等生物样本中的代谢产物，来了解生物代谢系统的状态和调节机制，为药物研发提供关键的信息。
二、代谢组学技术在药物研究中的应用1. 药代动力学研究药代动力学研究旨在了解药物在体内的吸收、分布、代谢、排泄的过程，以及药物在体内的生物利用度、副作用等问题。
现在，代谢组学技术已被广泛应用到药代动力学研究中，可以对药物代谢的动态过程进行有效的监测，帮助研发人员确定药物的剂量和给药方案，减少药物的不良反应和副作用。
2. 新药筛选和评估新药筛选是药物研发过程中的重要环节之一。
代谢组学技术可以通过定量分析体内代谢产物的种类和量，了解新药所引起的代谢变化，发掘新药的代谢途径和可能的不良反应，从而评估新药的有效性和安全性，加速新药的研发过程。
3. 疾病诊断和监测代谢组学技术在疾病诊断和监测中也有广泛的应用。
不同的疾病会引起不同的代谢变化，代谢组学技术可以通过分析生物样本中代谢产物的种类和量，来评估疾病患者体内的代谢差异。
这种方法可以避免传统诊断技术的不足，为疾病的诊断和监测提供了更多的有效手段。
三、代谢组学技术在药物研究中的进展随着代谢组学技术的不断发展，药物研发领域对代谢组学技术的需求也越来越大，代谢组学技术在药物研究中的应用也越来越广泛。
在未来的发展过程中，代谢组学技术还将面临以下几个问题：1. 技术标准化代谢组学技术是一种多学科交叉融合的技术，不同的实验室、不同的研究群体使用的技术和方法并不相同。
植物代谢组学的研究现状
植物代谢组学的研究现状植物是自然界中最复杂的生物之一，其代谢网络的结构和功能亦是非常复杂的。
植物代谢组学是近年来发展起来的一种研究手段，可以在不同的代谢水平上，从整体和系统角度研究植物的代谢变化，可以揭示植物适应环境变化、生长发育、应对外界刺激等方面的机制。
本文将介绍植物代谢组学的研究现状。
一、代谢组学的发展历程代谢组学是指通过分析某一生物在特定时间和空间范围内的代谢物(中小分子有机化合物)组成，建立其代谢组的定量和定性描述，进而揭示代谢物的变化规律、代谢途径和相关代谢物的生物学功能等。
代谢组学是基于高通量分析技术、多元数据统一分析平台及功能基因组孪生的技术体系，与基因组学、蛋白质组学、转录组学等一样，是系统生物学研究的重要组成部分。
植物代谢组学的发展历程大致可以分为以下三个阶段。
首先是代谢成分分析，其通过物质色谱技术鉴定分离出的化合物，采用质谱、原子吸收光谱、量热法等技术对这些成分进行分析和鉴定。
接着是代谢物质谱学，其采用高通量手段将大量的代谢物质量分析并联通化，以获得高质量有机代谢物组分析和定量。
最后是代谢物通量分析，其是一种基于生物再生与代谢通量调节分析的方法，可以研究生物体内的化学反应速率和反应物的转化关系，从而揭示代谢路径和途径及其调节机制。
代谢物通量分析十分复杂，需要结合多种分析技术，并进行生物学验证。
二、现代植物代谢组学的主要技术和应用近年来，随着高通量技术(如NMR、质谱、GC-MS、LC-MS 等)、生物信息学平台与蛋白质组学、转录组学以及细胞代谢组学等的发展完善，植物代谢组学的应用逐渐扩展，涉及生物发育、生物节律、逆境响应、物种系统发育、次生代谢产物合成、植物适应性及环境辐射等多个生物学和生态学领域。
1. 生物发育与生物节律领域生物节律对植物生长发育和适应性调节具有十分重要的作用，代谢组学的应用在这一领域的研究取得了一系列有意义的研究成果。
在经过时间系列的代谢组学分析后，人们发现，代谢调节在生物发育和时间节律方面起着十分重要的作用。
代谢物组学在中药研究中的应用前景展望
代谢物组学在中药研究中的应用前景展望随着现代科技的不断发展，代谢物组学（Metabolomics）已成为生物医学等领域中最具前沿的研究技术之一。
在保持人类健康和抗病能力方面，中草药一直以来都扮演着重要的角色。
而代谢物组学技术的发展也为中药研究带来了新的突破和机遇。
在这篇文章中，我将从代谢物组学技术的应用背景、代谢物组学在中药研究中的现状以及代谢物组学在中药研究中的未来前景三个方面进行探讨，并展望代谢物组学在中药研究中的应用前景。
一、代谢物组学技术的应用背景代谢物组学技术是指在一定时间内对生物体内全部代谢产物进行综合性的鉴定、定量和分析，并对其进行系统的解释、整合和虚拟重建的技术。
它的应用范围广泛，可以帮助我们深入了解生物体内的相关代谢物并探究它们之间的相互作用，为疾病的早期诊断、药物治疗和健康维护等方面提供新的手段和思路。
二、代谢物组学在中药研究中的现状1.代谢物组学在中药药效评价中的应用中药复方加工成药治疗疾病的药效常常依赖于主要成分和次生代谢产物等的共同作用，并且其作用机制相对复杂。
传统的中药药效评价方法在分析病理生理机制上受到很大的限制。
而代谢物组学能够通过对中药活性代谢物进行定量测定和综合分析来揭示中药复方的有效成分，为中药的药效评价提供了新的手段。
2.代谢物组学在中药质量控制中的应用中草药因其来源广泛、生长环境不稳定等原因存在成分多、来源杂、学名模糊等问题。
这种不稳定性对中草药的质量控制和药效评价造成了极大的困难。
代谢物组学技术在中药质量控制中发挥了重要的作用。
通过分析中药中的代谢物组成，可以对中药药材的质量进行鉴别、检查和质量管理，从而实现对中药质量控制的有效监测和评价。
3.代谢物组学在中药新品种研发中的应用代谢物组学技术可以全面、细致、高效地解析药材中的代谢产物，用以鉴定新品种的质量和属性。
此外，在新品种的研发过程中，代谢物组学技术可以评估不同品种之间的代谢差异，并提供中药新品种的研发和优化方案。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
药用植物代谢组学的研究进展【摘要】从技术步骤、分析方法以及实际应用三个方面对当前药用植物代谢组学研究领域的一些理论问题和实践中面临的挑战进行综述。
【关键词】药用植物;代谢组学;功能基因组学代谢组学是对生物体内代谢物进行大规模分析的一项技术[1],它是系统生物学的重要组成部分(如图1所示),药用植物代谢组学主要研究外界因素变化对植物所造成的影响,如气候变化、营养胁迫、生物胁迫,以及基因的突变和重组等引起的微小变化,是物种表型分析最强有力的工具之一。
在现代中药研究中,代谢组学在药物有效性和安全性、中药资源和质量控制研究等方面具有重要理论意义和应用价值。
另外,在对模式植物突变体文库或转基因文库进行分析之前,代谢组学往往是首先考虑采用的研究方法之一。
目前,国外已有成功利用代谢组学技术对拟南芥突变株进行大规模基因筛选的例子,这为与重要性状相关基因功能的阐明和选育可供商业化利用的转基因作物奠定了基础目前,还有许多经济作物的全基因组测序计划尚未完成,由于代谢组学研究并不要求对基因组信息的了解,所以在与这些作物有关的研究领域具有更大的利用价值,这也是其与转录组学和蛋白组学研究相比的优势之一。
代谢组学研究涉及与生物技术、分析化学、有机化学、化学计量学和信息学相关的大量知识,Fiehn[2]对代谢组学有关的研究方向进行了分类(见表1)。
1代谢组学研究的技术步骤代谢组学研究涉及的技术步骤主要包括植物栽培、样本制备、衍生化、分离纯化和数据分析5个方面(见图2)。
1.1植物栽培对研究对象进行培育的目的是为了对样本的稳定性进行控制,相对于微生物和动物而言,植物的人工栽培需要考表1代谢组学的分类及定义略虑更多的问题,如中药材在不同年龄、不同发育阶段、不同部位以及光照、水肥、耕作等环境因素的微小差异都可引起生理状态的变化,而这些非可控及可控双重因素的影响很难进行精确的控制,从而影响药用植物代谢组研究的重复性。
为了解决以上问题,推荐使用大容量的培养箱[3],定时更换培养箱中栽培对象的位置,以及使用无土栽培技术等,Fukusaki E[4]利用无土栽培系统将水和养分直接引入植物根部,并且对供给量进行精确地控制,大大提高了实验的重复性。
1.2样本制备为了获得稳定的实验结果,样本制备需要考虑样本的生长、取样的时间和地点、取样量以及样本的处理方法等问题,并根据分析对象的分子结构、溶解性、极性等理化性质及其相对含量大小对提取和分离的方法进行选择,逐一优化试验方案。
Maharjan RP等[5]用6种方法分别对大肠杆菌中代谢产物进行提取,发现用-40℃甲醇进行提取的效果最好。
现阶段代谢组学的分析对象主要集中在亲水性小分子,尤其是初级代谢产物,气相色谱 质谱联用(GC MS)和毛细管电泳 质谱(CE MS)联用都是分析亲水小分子的重要技术。
Fiehn O等[6]使用GC MS 对拟南芥叶片中的亲水小分子进行了分析,发现酒石酸半缩醛、柠苹酸、别苏氨酸、羟基乙酸等15种植物代谢物。
1.3衍生化处理对目标代谢产物的衍生化处理取决于所使用的分析设备,GC MS系统只适合对挥发性成分进行分析,高效液相色谱法(HPLC)一般则使用紫外或荧光标记的方法对样本进行衍生处理,Blau K[7]对酯化、酰化、烷基化、硅烷化、硼烷化、环化和离子化等衍生方法进行了详细的说明。
然而离子化抑制常使得质谱分析过程中目标代谢产物的离子化效率降低,这主要是由于分离过程中污染物与目标代谢物难以完全分离开所引起的,优化色谱分离时间可有效缓解离子化抑制,然而在实际操作中不可能对上百种代谢产物的分离时间进行优化,利用非放射性同位素稀释法进行相对定量可以很好的解决该问题。
Han DK等[8]应用同位素编码的亲和标记(ICAT),根据经诱导分化的微粒蛋白及其同位素标记物的峰面积比,对该蛋白的相对含量进行分析。
Zhang R等[9]发现同位素标记技术也可用于代谢组学的研究,但是却存在许多困难。
活体的同位素标记方法对于同位素的洗脱是一种非常有潜力的技术,目前关于使用34 s的研究已有报道[10]。
图2代谢组学研究技术步骤略1.4分离和定量分离是代谢组学研究中的重要步骤,与质谱联用的色谱和电泳分析技术都是使用紫外或电化学检测的方法进行定量,其对代谢组数据的分辨率与定量能力都有一定的影响。
Tomita M等[11]总结了各种色谱分离法中经常遇到的技术问题,认为毛细管电泳和气相色谱法由于具有较高的分辨率,已成为代谢组学研究的常规技术手段之一,液相色谱因其适用范围广,应用也相当广泛。
Tanaka N等[12]用高效液相色谱对样品进行分离,认为使用硅胶基质填充毛细管整体柱的高效液相色谱系统具有用量少、灵敏性高、低压降高速分离等优势;同时,Tolstikov V等[13]也使用硅胶填充的毛细管液相色谱方法对聚戊烯醇类异构体进行了有效分离,获得了很好的分辨率。
Tanaka N等[14]发现二维毛细管液相色谱法的分辨率比传统的高效液相法高10倍。
相对于其他色谱方法而言,超临界流体色谱(SFC)是分离疏水代谢物最具潜力的技术之一,特别适用于分离那些传统HPLC难以分析的疏水聚合物,Bamba T等[15]通过SFC对聚戊烯醇进行分析,证明其具有较好的分离能力。
针对质谱中存在的共洗脱现象,Halket JM等[16]发明了一种适用于GC MS的反褶积系统,对共洗脱的代谢产物进行分离与识别。
Aharoni A等[17]使用傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT ICR MS)对非目标代谢物进行分析,快速扫描植物突变样品,获得了一定量的代谢成分。
与分离一样,定量能力也是代谢组学研究中的重要因素,其取决于各分析系统的线性范围。
傅立叶转换核磁共振(FT NMR)、傅立叶红外光谱(FT IR)以及近场红外光谱法(NIR)等技术由于敏感性低,重复性受共洗脱现象影响较小也被用于检测中。
近年来,FT NMR技术常被用于植物代谢组的指纹图谱研究[18],但由于NMR分析需要样品量较大,分析结果易受污染,Griffin J L [19]发现将统计模式识别与FT NMR相结合可以对代谢物进行全面分析。
除FT NMR之外,FT IR通过对有机成分的结构进行常规光谱测定,也可适用于代谢组学的研究,特别是应用于构建代谢组学的指纹图谱。
尽管它不能对代谢物进行全面分析,但对具有特定功能的组分却有很好的定量效果,对从工业及食品原材料中分离的代谢混合物也可以进行全面分析,目前,已有学者将其成功地应用于拟南芥[20]和番茄[21]代谢产物指纹图谱的研究中。
1.5数据转换为阐明代谢物复杂的线性或非线性关系,需要进行多变量分析,将原始的色谱图数据转换为数字化的矩阵数据,通过对色谱峰鉴定和整合从而进行多变量分析。
由于环境等因素的干扰,光谱数据需要通过适当的数据加工方法进行校正,包括:①降低噪声;②校正基线;③提高分辨率;④数据标准化。
Jonsson P等[22]报道了一种关于GC MS色谱图数据处理的方法,可以对大量代谢产物样品进行有效的识别。
2代谢组学中的数据分析方法2.1主成分分析法(PCA)主成分分析法,将实测的多个指标用少数几个潜在的相互独立的主成分指标线性组合来表示,反映原始测量指标的主要信息。
使得分析与评价指标变量时能够找出主导因素,切断其他相关因素的干扰,作出更为准确的估量与评价。
PCA数据矩阵通常来自于GC MS,LC MS 或CE MS,因此将目标代谢产物作为自变量,而相应的代谢产物含量作为因变量,定义与最大特征值方向一致的特征向量为第一主成分,依此类推,PCA便能通过对几个主要成分的分析,从代谢组中识别出有效信息。
主成分分析有助于简化分析和多维数据的可视化,但是该方法可能导致一部分有用信息的丢失。
2.2层次聚类分析法(HCA)层次聚类分析法也常用于代谢组学的研究中,它是将n个样品分类,计算两两之间的距离,构成距离矩阵,合并距离最近的两类为一新类,计算新类与当前各类的距离。
再合并、计算,直至只有一类为止。
进行层次聚类前首先要计算相似度(similarity),然后使用最短距离法(Nearest Neighbor)、最长距离法(Furthest Neighbor)、类间平均链锁法(Between groups Linkage)或类内平均链锁法(Within groups Linkage)四种方法计算类与类之间的距离。
该方法虽然精确,但计算机数据密集,对大量数据点进行分析时,更适合选用K 均值聚类法(KMC)或批次自组织映射图法(BL SOM),而HCA适合将数据转换为主成分后使用。
2.3自组织映射图法(SOM)神经网络中邻近的各个神经元通过侧向交互作用相互竞争,发展成检测不同信号的特殊检测器,这就是自组织特征映射的含义。
其基本原理是将多维数据输入为几何学节点,相似的数据模式聚成节点,相隔较近的节点组成相邻的类,从而使多维的数据模式聚成二维节点的自组织映射图。
除PCA和HCA外,SOM同样也可应用于包括基因组和转录组等组学研究中[23]。
最初SOM计算时间长,依靠数据输入顺序决定聚类结果,近年来SOM逐渐发展成为不受数据录入顺序影响的批次自组织映射图法(BL SOM)。
由于BL SOM可以对类进行调整,且有明确的分类标准,优化次序优于其他聚类法,已在基因组学和转录组学数据分析中得到广泛的应用。
2.4其他数据采矿方法除PCA、HCA和SOM外,很多变量分析方法都可用于植物代谢组学的分析。
软独立建模分类法(SIMCA)是利用主成分模型对未知样品进行分类和预测,适合对大量样本进行分析;近邻分类法(KNN)和K平均值聚类分析法(KMN)也可用于样品分类;主成分回归法(PCR)或偏最小二乘回归法(PLS)在某些情况下也可使用。
然而到目前为止由于还没有建立一个标准的数据分析方法,代谢组学仍然是一门有待完善的学科。
3代谢组学在药用植物中的实践植物药材来源于药用植物体,而药用植物体的形态建成是其体内一系列生理、生化代谢活动的结果。
植物代谢活动分为初生代谢和次生代谢,初生代谢在植物生命过程中始终都在发生,其通过光合作用、柠檬酸循环等途径,为次生代谢的发生提供能量和一些小分子化合物原料。
次生代谢往往发生在植物生命过程中的某一阶段,其主要生物合成途径有莽草酸途径、多酮途径和甲瓦龙酸途径等。
植物药材含有的生物碱、胺类、萜类、黄酮类、醌类、皂苷、强心苷等活性物质的绝大多数属于次生代谢产物,因此探讨次生代谢产物在药用植物体内的合成积累机制及其影响因素,对于提高活性物质含量、保证药材质量、稳定临床疗效等具有重要意义。
孙视等[24]通过对银杏叶中黄酮类成分积累规律的研究,提出了选择具有一定环境压力的次适宜生态环境解决药用植物栽培中生长和次生产物积累的矛盾。