实例解析 | 代谢组学如何发5分以上的文章？ - 质谱

实例解析 | 代谢组学如何发5分以上的文章？

赵敏 0 2021-04-09

分享到

近年来，许多研究报道称，银纳米颗粒（Ag NPs）对植物有一定的毒性，影响根伸长、蒸腾作用和光合作用等。Ag NPs在农业中应用仍然存在很大的不确定性。那么今天我们一起学习一篇采用代谢组技术，研究基于纳米技术开发的新型农用化学品，对植物具有潜在危害性的评估。并告诉大家如何发5分以上的文章？

英文题目：Metabolomics Reveals How Cucumber (Cucumis sativus) Reprograms Metabolites to Cope with Silver Ions and Silver Nanoparticle-Induced Oxidative Stress.

中文题目：代谢组学揭示黄瓜如何应对银引起的氧化胁迫

发表杂志：Environ Sci Technol.

影响因子：6.653

发表时间：2018.06

材料与方法

用Ag NPs溶液和AgNO3溶液处理4周大的黄瓜叶片，每组5个生物学重复。10 ppm Ag NPs的溶液400ml、100ppm Ag NPs的溶液400ml，0.1ppm Ag⁺的溶液400ml、1ppm Ag⁺的溶液400ml，分7天喷施，每天喷施3次，并设置空白对照。

1、银含量测定：各组样品的根、茎、叶分别用ICP-MS检测。

2、脂质过氧化作用：TBARS法检测各组的叶片。

3、代谢组：GC-MS（Agilent 7890B - 5977A）检测各组叶片。

结果概述

本研究通过生理指标（生物量、银含量、脂质过氧化作用）和代谢组（GC-MS），发现银处理激活了抗氧化防御系统、呼吸作用，抑制了光合作用、光呼吸和无机氮的固定，并且改变了生物膜的特性，为Ag NPs在农业应用中的安全性评估提供重要的信息。

亮点分析

1、结合多种检测手段，多角度揭示Ag处理对植物体的影响。

2、阅读大量文献，对关键代谢物充分讨论，提出合理推测。

3、运用代谢组技术研究银胁迫，方式新颖。

研究结果

1、Ag处理后的表型

低浓度的Ag+处理没有明显表型，高浓度的Ag+处理4天后，叶片变黄，这是叶片衰老的信号。低浓度和高浓度的Ag NPs处理也引起了衰老的表型，高浓度Ag NPs处理后还出现了脱水的症状。

图1 Ag对黄瓜叶片的毒性

2、生物量和银含量检测

除了高浓度的Ag NPs处理后，根中的生物量略有降低（p<0.05），根、茎、叶的生物量（图2左上）和总生物量（图2左下）没有明显差异。Ag NPs和Ag+喷施后，Ag在黄瓜组织中显着积累（图2右）。

图2 根茎叶中生物量（左上）、总生物量（左下）和根茎叶中Ag含量（右）

3、脂质过氧化作用测定

丙二醛（MDA）是多不饱和脂肪酸氧化的终产物，它直接反映了氧化应激诱导的脂质损伤程度。MDA增加表明脂质过氧化增加，特别是在富含多不饱和脂肪酸的叶子中。与对照相比，喷施Ag NPs的黄瓜叶中MDA含量显著增加（28.6％和44.93％，p<0.05）。

图3 TBARS法检测叶片的脂质过氧化情况

4、差异代谢组鉴定

比较Ag处理前后代谢组数据，用P<=0.05，VIP>1筛选，发现Ag NPs和 Ag⁺共同引起76种代谢物的变化，其中21个下调，55个上调，这表明Ag NPs导致的胁迫主要与其释放的银离子有关；还有一部分代谢物变化是Ag NPs特有的，这可能是纳米颗粒的特殊效应。

图4 共有和特有的差异代谢物

讨论

1、共有差异代谢物-叶绿醇

叶绿醇是叶绿素的降解产物，Ag处理后含量增加1.5-2.2倍。在环境胁迫下，叶绿体的降解和养分的循环很重要。叶绿素的降解可能是黄瓜对抗氧化应激的一种积极的保护机制。

2、共有差异代谢物-抗氧化剂

糖苷和芳香族物质在Ag处理后明显上调，他们可能作为自由基清除剂或信号分子参与了黄瓜对银胁迫的防御。

3、共有差异代谢物-糖和糖醇

糖类是植物代谢调控的重要信号分子，常常在胁迫和叶片衰老过程中积累。Ag NPs处理后，来苏糖、内醚糖、扁豆糖的积累量显著增加。糖醇的积累有助于维持叶片衰老过程中的水合作用和功能。苏糖醇、D-阿拉伯糖醇、山梨醇等随着Ag的剂量增加而积累。

4、共有差异代谢物-脂肪酸

Ag处理后，许多脂肪酸的含量都发生显著变化，比如十五烷酸、亚麻酸、亚麻油酸、花生四烯酸、二甘醇。结合前期的脂质过氧化鉴定结果，推测植物通过调整脂肪酸的代谢，修复受损质膜，重构质膜完整性和流动性，限制Ag⁺渗透到细胞中，来应对不良环境。

5、共有差异代谢物-植物激素

水杨酸（SA）是植物免疫的重要激素,可以作为信号分子，还能调节苯基丙酸类合成途径。随着Ag喷施量的增加，水杨酸含量升高。40mg Ag NPs 处理时，水杨酸增加8倍。

6、共有差异代谢途径-氨基酸代谢，三羧酸循环

对差异代谢物进行代谢通路分析，发现主要富集到了氮循环（氨基酸代谢）和三羧酸循环（TCA）。TCA循环是细胞呼吸系统的核心，很有可能是植物通过调节呼吸作用来合成对抗氧化应激所需的化合物。甲硫氨酸，赖氨酸，丙氨酸等在Ag处理后显著增加，这表明氮代谢受阻，或者有蛋白组降解。谷氨酰胺（Gln）和天冬酰胺（Asn），与无机氮的固定有关，40mg Ag NPs 处理后分别下降4倍和15倍，说明这个过程可能被干扰。甘氨酸/丝氨酸比值常作为光呼吸强度的指标。40mg Ag NPs处理后甘氨酸含量下降，而丝氨酸上升，甘氨酸/丝氨酸比值下降3倍，这表明光呼吸被抑制。

图5 代谢物通路富集分析

7、Ag NPs 特异响应的代谢物

Ag NPs特异性上调的代谢物包括咔唑，棉子糖，乳果糖，柠康酸，天冬氨酸等。根据前人研究，推测这些代谢物可能参与膜保护和自由基清除，以响应氧化损伤。Ag NPs特异性下调代谢物有乙酰苯胺，苯醌，二氢尿嘧啶，氧芴，草酸等。但是这些代谢物的下调原因目前未知。

图6 Ag NPs处理的黄瓜叶中代谢途径的示意图

（红色和绿色分别代表上调和下调的代谢物）

随着代谢组学技术不断发展，代谢组广泛应用生命科学各个领域，如，动植物生长发育、环境适应、免疫互作、突变表型；植物色泽、功能营养物质或药用植物活性、代谢标志物挖掘、环境毒理学以及植物农艺性状研究；

代谢组是生物体表型的物质基础，与基因组、转录组、蛋白组相比更接近生物体的表型，基因组和蛋白组的微小变化可以在代谢组层面得以体现和放大。然而在系统生物学时代，从整体上探讨生物学问题是大势所趋。采用转录组与代谢组联合分析，能够有效解决生物学问题，其一，可以辅助转录组更加高效挖掘到关注性状的关键基因。其二，结合代谢组数据，通过代谢产物的变化对参与该途径的关键基因进行功能验证。

责任编辑：展源

审　　核：何发

单细胞代谢组学

2021-03-19
AAS法分析茶叶中的铅,镉,砷

2020-05-27
代谢组学技术研究专题

2024-10-16
检测有机氯类农药,气相色谱法检测法

2021-01-12
如何处理细胞篇代谢组学样本？

2021-09-03
QC, IQC, IPQC, QA，到底是什么鬼?

2020-05-27
【专家观点】代谢组学难点大拆解！

2021-08-06
色谱峰裂分,前拖尾的诊断

2020-05-27
【干货】代谢组学中的质谱成像新技术介绍

2021-10-09
【专家观点】代谢组学研究难点及解决办法

2021-03-26

实例解析 | 代谢组学如何发5分以上的文章？

相关文章