植物代謝組學技術在現代檢測分析中的應用

植物代謝組學技術在現代檢測分析中的應用

隨著現代工業(yè)文明的前所未有發(fā)展，人類生存環(huán)境的挑戰(zhàn)日益明顯。例如，耕地減少、土壤惡化、淡水資源匱乏、世界轉型、自然災害頻繁發(fā)生等。因此,如何保障世界持續(xù)增長的人口的生活,是世界各國關注的熱點之一(謝宗銘等,2008)。植物特別是農作物是人類賴以生存的重要的生物能量來源,高鹽、低溫、干旱、重金屬污染等非生物脅迫對植物特別是農作物的生長、發(fā)育和結實造成嚴重的不良影響,是全球農業(yè)減產的重要因素(Boyer,1982)。據估計,世界主要農作物每年產量損失的50%與非生物脅迫有關,而與病蟲害等生物脅迫相關的作物產量損失還不到20%(Valliyodan&Nguyen,2006)。植物種子一旦落地生根,就不可避免地要與其賴以生長的復雜多變的環(huán)境作不斷的適應性斗爭,以完成其生活史。凡是對植物生長發(fā)育不利的環(huán)境條件統(tǒng)稱為逆境或脅迫。植物在長期進化中,逐漸形成了一系列生理、代謝以及防御系統(tǒng)以維持其生命和持續(xù)生長。植物對非生物脅迫的耐受性和敏感性是一個非常復雜的生命過程(侯夫云等,2006;謝宗銘等,2008)。植物的應激過程包括幾個階段,首先環(huán)境的變化被植物體感知,由此激活植物體的應激信號轉導系統(tǒng)。接下來,信號轉導系統(tǒng)激發(fā)一系列化合物的合成,這些物質可以幫助植物體修復或使植物達到新的代謝平衡。從代謝組學的觀點來講,至少有3種類型的化合物對這個過程是十分重要的:(1)與植物適應環(huán)境有關的因子,如抗氧化因子;(2)細胞中由于生物或非生物脅迫的影響產生的代謝產物,它們是由于植物生長狀態(tài)下代謝平衡受到干擾而產生的。(3)信號轉導因子,這些化合物與代謝平衡的轉導有關,信號因子可以是植物體中合成的或從結合態(tài)釋放出來的,比如植物激素水楊酸,也可以是植物應激過程所產生的一些代謝產物,這與(2)項中的物質類似,不同的是,它們會參與到信號轉導過程中,這些物質包括細胞膜的裂解產物、不同的活性氧簇和一些氧化物(比如酚類化合物)或者一些抗氧化物。上述物質是植物細胞應答脅迫的信號因子(Mittler,2002;Mittleretal.,2004;Shulaevetal.,2008)。對這些化合物的分析檢測無疑可以幫助我們揭示脅迫環(huán)境下植物的應答機制,而代謝組學的出現和發(fā)展為這方面的研究提供了一個平臺。代謝組學是通過考察生物體系包括細胞、組織或生物體受刺激或擾動后,其代謝產物的變化或其隨時間的變化,來研究生物體系的一門科學(許國旺,2008)。它是以組群指標分析為基礎,以高通量檢測和數據處理為手段,以信息建模與系統(tǒng)整合為目標的系統(tǒng)生物學的一個分支,是繼基因組學、轉錄組學、蛋白質組學后系統(tǒng)生物學的另一重要研究領域。代謝組學所關注的是代謝循環(huán)中分子量小于1000的小分子代謝物的變化,反映的是外界刺激或遺傳修飾的細胞或組織的代謝應答變化(Nicholsonetal.,1999)。生物機體是一個動態(tài)的、多因素綜合調控的復雜體系,在從基因到性狀的生物信息傳遞鏈中,機體需要不斷調節(jié)自身復雜的代謝網絡來維持系統(tǒng)內部以及與外界環(huán)境的正常動態(tài)平衡。DNA、mRNA以及蛋白質的存在為生物過程的發(fā)生提供了物質基礎,而代謝物質和代謝表型所反映的是已經發(fā)生了的生物學事件,是基因型與環(huán)境共同作用的綜合結果,是生物體系生理和生化功能狀態(tài)的直接體現。因此,作為系統(tǒng)生物學的一個重要的組成部分,代謝組可以更好地反映體系表型。代謝組學分析的流程包括樣品的制備、數據的采集和數據的分析及解釋。樣品的制備又包括樣品的提取、預處理和化合物的分離。樣品在用水或有機溶劑提取后,一般先采用固相微萃取、固相萃取、親和色譜等方法進行預處理,之后采用氣相色譜、液相色譜、毛細管電泳等方法進行化合物的分離。色譜、質譜、核磁共振、紅外光譜、庫侖分析、紫外吸收、熒光散射、放射性檢測、光散射等分離分析手段及其組合都在代謝組學的研究中得到應用。其中,核磁共振(NMR)技術特別是氫譜(1HNMR)以其對含氫代謝產物的普適性,色譜以其高分離度、高通量,質譜(MS)以其普適性、高靈敏性和特異性而成為最主要的分析工具。代謝組學研究的后期需借助于生物信息學平臺進行數據的分析和解釋,解讀數據中蘊藏的生物學意義。目前常用的分析方法有多元回歸(multipleregression)、判別分析(discriminantanalysis)、主成分分析(principalcomponentanalysis)、聚類分析(hierarchicalclusteranalysis)、因素分析(factoranalysis)和經典分析(canonicalanalysis)等。Nicholson研究小組于1999年提出代謝組學(metabonomics)的概念,并在疾病診斷、藥物篩選等方面做了大量卓有成效的工作(Nicholsonetal.2002;Brindleetal.,2002;Holmes&Antti,2002)。Fiehn(2003)提出了代謝組學(metabolomics)的概念第一次把代謝產物和生物基因的功能聯(lián)系起來,之后很多植物化學家開展了植物代謝組學的研究。代謝組學在植物研究中的應用主要包括以下幾個方面(許國旺等,2007;淡墨等,2007):(1)某些特定種類(species)植物的代謝物組學研究。這類研究通常以某一植物為對象,選擇某個器官或組織對其中的代謝物進行定性和定量分析,較為全面地研究植物不同時期或者不同部位代謝物種類與含量的變化,并進一步通過這些變化來推測相應的代謝途徑和代謝網絡;(2)不同基因型(genotypes)植物的代謝物組學表型研究。一般需要兩個或兩個以上的同種植物(包括正常對照和基因修飾植物),然后應用代謝物組學對所研究的不同基因型的植物進行比較和鑒別,比如對突變型或者基因改造型植物的代謝變化和正常野生型的差異進行比較,或對組織培養(yǎng)得到的代謝產物與野生型之間的差異進行比較,評價基因改造或者組織培養(yǎng)的效果、篩選優(yōu)良品種等有重要作用;(3)某些生態(tài)型(ecotypes)植物的代謝物組學。這類研究通常選擇不同生態(tài)環(huán)境下的同種植物,研究生長環(huán)境對植物代謝物產生的影響;(4)受外界刺激后植物自身免疫應答,通過外源化學藥品刺激、物理刺激或者生物刺激從而引起植物代謝產物的改變,通過代謝組學方法對這種變化進行監(jiān)測與全面分析,找出差異,從而找到植物代謝的規(guī)律及其關鍵步驟;(5)在基因功能研究中的應用,代謝產物是基因表達的終產物,基因表達水平的極微小變化也可導致代謝物的大幅改變。以往通過可見的表型改變來判斷基因表達水平的升降,耗時較長,而且有時候基因表達變化無法引起表型改變,而此時植物體中某些代謝產物的含量卻已經發(fā)生顯著變化。利用代謝組學方法檢測代謝物的變化則可以判斷基因表達水平的變化,從而推斷基因的功能及其對代謝流的影響。植物代謝組學的研究已經取得了很多研究成果,比如Fiehn(2003)對筍瓜(Cucurbitamaxima)的葉柄脈管和葉片抽提物進行GC-MS分析,得到了400多個峰,通過與質譜數據庫比對,初步鑒定出90個化合物,并比較了葉柄與葉片之間在糖、氨基酸等代謝物組分方面的差別;Tiessen等(2002)用高效液相色譜法(HPLC)對馬鈴薯(Solanumtuberosum)塊莖進行了代謝組分析,檢測了淀粉合成途徑中的一系列底物、中間物、酶及產物量的變化,再通過對野生和異源腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)轉基因馬鈴薯進行對比研究,提出了淀粉合成途徑中一種新的調節(jié)機制;Maier等(1999)研究了叢枝菌根真菌(Glomusintraradices)對煙草(Nicotianatabacum)根部代謝的影響,對比了有叢枝菌根真菌共生的煙草根和沒有共生該真菌的煙草根的代謝物差異。綜上所述,代謝組學技術是研究植物代謝的理想平臺,通過現代的檢測分析技術對脅迫環(huán)境下植物中的代謝產物進行定性和定量分析,可以監(jiān)測其隨時間變化的規(guī)律。而各種組學平臺包括基因組學、轉錄組學及代謝組學的整合,更是一個強有力的“工具箱”(Shinozaki&Sakakibara,2009),將所獲得的這幾者的信息聯(lián)系起來,有利于從整體上研究生物系統(tǒng)對基因或環(huán)境變化的響應,如可判斷代謝物的變化是從哪一個層面開始發(fā)生的(尹恒等,2005),幫助人們揭開神秘復雜的植物脅迫應答機制。近期有很多科研機構開展了植物的非生物脅迫應答相關的代謝組學研究,無疑能促進人們對于植物抗逆性機制的系統(tǒng)認知,也更有助于作物抗逆性的分子改良。同時,深入開展抗鹽、抗旱等模式植物的抗性生理與分子機制,將有助于植物的耐鹽、耐旱等機制的分子解析。1代謝組研究對非生物脅迫反應的影響1.1干旱脅迫和干旱脅迫對植物基因型的影響水分是影響植物生長發(fā)育的重要因子之一。對植物產生有害效應的環(huán)境水分過少稱為干旱脅迫。干旱是限制植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子,也是目前制約農業(yè)生產的一個全球性問題。研究植物水分虧缺的生理傷害及植物對干旱脅迫的應答機制,不僅在理論上而且在實踐中都有重要的意義(張立軍和梁宗鎖,2007)。為了研究釀酒葡萄(Vitisvinifera)果實的不同組織在葡萄酒品質中的貢獻和干旱脅迫對葡萄酒品質的影響,Grimplet等(2009)對在水分充足和干旱兩種環(huán)境條件下種植的釀酒葡萄的果實(果皮和果漿)和種子中的組織特異性差異的蛋白和指定的代謝產物進行了檢測。使用二維凝膠電泳(2-DPAGE)技術在果實中檢出1047種蛋白質,其中90種在果皮和果漿中的表達有差異,而在種子中共檢出695種蛋白質,其中有163種蛋白質在種子和果皮中的表達譜幾乎完全沒有區(qū)別。干旱脅迫改變了約7%果皮蛋白質的豐度,但其對種子中蛋白質表達的影響不大。在所選定的待測的32種小分子代謝產物中,大約有50%在果皮和種子中表現出組織差異性,而在干旱脅迫條件下有7種化合物在葡萄果實中的積累受到影響。代謝指紋的研究結果為研究干旱對葡萄中與酒的風味和香氣相關的主要化合物的影響提供了新的啟示。Deluc等(2009)對長期干旱和季節(jié)性干旱影響下的兩種不同品系的葡萄(Vitisvinifera)CabernetSauvignon和Chardonnay進行了代謝組學和轉錄組學的研究。研究表明兩種品系的葡萄應答干旱脅迫時代謝途徑的變化不同,干旱脅迫可以激活CabernetSauvignon中谷氨酸和脯氨酸合成途徑,以及苯丙酸合成途徑中的一些重要的中間步驟,而對于Chardonnay來說,干旱脅迫則激活了苯丙酸、類胡蘿卜素和類異戊二烯合成途徑,二者相同的應激反應是對脫落酸代謝途徑的影響。這些代謝產物的變化對果實及酒品的風味有很大的影響。Mane等(2009)對長期干旱脅迫下兩個基因型的安第斯馬鈴薯(Solanumtuberosumssp.andigena(Juz&Buk)Hawkes)Sullu和Ccompis進行了代謝輪廓分析及其生物量和產率的比較。結果表明,雖然兩個基因型的馬鈴薯在干旱脅迫下莖塊的產量沒有受到明顯的影響,但是Ccompis的地上部的生物量減少,而Sullu的生物量并未受到影響。蔗糖和監(jiān)管分子海藻糖在Sullu的葉片中得到積累。而在Ccompis的葉片中,棉籽糖寡糖家族途徑被激活,并且檢測到低水平的蔗糖的變化和少量與脅迫相關的海藻糖的變化。脯氨酸和相關的合成基因表達水平在兩個基因型植物中都提高了,而且在Sullu中的表達量是Ccompis中的3倍。結果表明,雖然在干燥的情況下,兩個基因型植物在產量上沒有明顯變化,但是生物量的積累和代謝物變化明顯不同。Urano(2009)等以敲除了NCED3基因(干旱脅迫誘導的脫落酸生物合成相關的基因)的擬南芥(Arabidopsisthaliana)與野生型擬南芥為對象進行了代謝組學比較研究。發(fā)現應答干旱脅迫時植株對氨基酸的積累與脫落酸(ABA)相關,而寡聚棉籽糖的積累則完全依賴于ABA。Fumagalli等(2009)進行了兩種不同基因型的水稻(Oryzasativa)Arborio和Nipponbare應答干旱脅迫和鹽脅迫的代謝組學研究。采用H-1高分辨率魔角旋轉(HRMAS)和NMR對水稻植株的地上部分和根部進行檢測。結果表明,Arborio對兩種非生物脅迫更敏感,另外,PCA分析的結果顯示,應答兩種非生物脅迫時兩種基因型水稻表現出氨基酸和糖類積累,同時兩個基因型也能夠很好地區(qū)分,Arborio植株中的兩種化合物的積累比Nipponbare植株高。Carmo-Silva等(2009)以葉片中的可溶性氨基酸為研究對象,對3種C4草本植物Cynodondactylon、Zoysiajaponica和Paspalumdilatatum對干旱脅迫應答的1HNMR和GC-MS代謝指紋圖譜進行了比較研究,發(fā)現了一種特殊的非蛋白質氨基酸,鑒定為5-hydroxynorvaline。這種化合物存在于耐旱的前兩種植物的葉片中,其含量隨著干旱程度的提高而相對升高,說明5-hydroxynorvaline與植物的抗旱能力密切相關。為了揭示黑麥草(Loliumperenne)對干旱脅迫的應答機制,Foito等(2009)使用GC-MS技術對兩種不同基因型的黑麥草進行了代謝組學研究。研究發(fā)現了黑麥草在干旱脅迫下葉片中的代謝產物發(fā)生明顯的變化。在對干旱脅迫敏感的Cashel基因型黑麥草葉片中脂肪酸的含量明顯下降,而相對耐旱性較高的PI46233基因型黑麥草葉片中則表現出一些糖類的積累,這些糖類包括棉子糖、海藻糖、葡萄糖、果糖和麥芽糖。作者因此得出結論,提高黑麥草中這些糖類的合成能力可以得到耐旱的品種。Dai等(2010)利用液相色譜一二極管陣列檢測測器-質譜聯(lián)系技術(LC-DAD-MS)對干旱脅迫下的丹參(Salviamiltiorrhiza)進行了研究,分析出初級代謝產物29個,次級代謝產物44個,并首次在丹參中檢測到5種多酚類化合物、京尼平、傘形花內酯等化合物。通過對高日照干旱組和空氣干旱組進行代謝組學的比較,發(fā)現丹參在兩種干旱模式下的應激不完全相同,兩種模式下,丹參酮的合成及谷氨酸介導的脯氨酸生物合成都更加活躍,同時碳素循環(huán)和氨基酸代謝也有所改變。由莽草酸介導的多酚類化合物生物合成在空氣干燥模式下有所提高,而在高日照干旱模式下此代謝通路受到抑制,這個有趣的現象說明,植物應答非生物脅迫的過程是復雜而微妙的,環(huán)境因素的變化都會影響植物代謝通路及最終的代謝產物。1.2冷脅迫對植物代謝產物的影響溫度是影響植物生長發(fā)育的重要因子之一。植物生長發(fā)育對溫度反應有三基點,即最低溫度、最適溫度和最高溫度。對植物產生有害效應的過低或過高的環(huán)境溫度稱為溫度脅迫。對植物產生不利效應的溫度過高稱為熱脅迫,相反,對植物產生不利效應的溫度過低則稱為冷脅迫(張立軍和梁宗鎖2007)。Shulaev等(2008)對溫度脅迫植物代謝組學進行了詳細的綜述。代謝指紋技術被用于探索鼠耳芥屬(Arabidopsis)植物對溫度脅迫的應答。Kaplan等(2004)采用GC-MS聯(lián)用技術對高溫及低溫環(huán)境下的鼠耳芥屬植物的代謝指紋進行了研究,發(fā)現了一系列已知和未知的分別與高溫、低溫,或者對高溫和低溫都相關的小分子代謝產物。與低溫相關的代謝產物的變化是最為顯著的,但是更讓我們吃驚的是,大多數熱脅迫下產生的代謝產物也會在冷脅迫下產生,其中有很多種代謝產物在之前的研究中并不認為是與溫度脅迫相關的。在后續(xù)的研究工作中(Kaplanetal.,2007),為了研究鼠耳芥屬植物的低溫適應的機制,對這些代謝指紋數據與轉錄組學數據進行了整合,得到的結果顯示:僅有一部分代謝產物的變化和轉錄組的變化是相關的,而其他的代謝產物的變化并非與轉錄組的變化直接相關。通過以上研究得出結論:在植物對冷脅迫的應答過程中,與轉錄組變化不直接相關的代謝產物在鼠耳芥屬植物溫度應答中起著重要的作用。Cook等(2004)采用GC-MS聯(lián)用技術,對具有不同抗寒能力的擬南芥植株及過量表達(CBF)(C-repeat/dehydrationresponsiveelement-bindingfactor)的擬南芥植株的代謝指紋圖譜進行了比較,結果表明,擬南芥在冷脅迫應答過程中代謝組會發(fā)生明顯的變化,同時發(fā)現CBF途徑在擬南芥對低溫環(huán)境的適應中起重要的作用。Morsy等(2007)對抗寒能力不同的兩種基因型的水稻進行了冷脅迫和高鹽脅迫應答的糖類代謝組學研究,使用HPLC方法對耐低溫水稻和不耐低溫水稻中的可溶性糖類化合物進行了定量分析,發(fā)現兩種基因型的水稻在冷脅迫下可溶性糖類的積累是不同的。耐低溫水稻在冷脅迫環(huán)境下,半乳糖和棉子糖得到積累,而在另一種不耐低溫的基因型水稻中,這兩種糖類的含量呈下降的趨勢。這兩種基因型的水稻在高鹽脅迫環(huán)境下也呈現出不同的糖類代謝特征。上述糖代謝的數據結合植株中氧化產物和抗氧化酶的檢測,發(fā)現耐低溫水稻具有更活躍的氧自由基消除系統(tǒng)。1.3植物鹽脅迫代謝組學研究據聯(lián)合國教科文組織和糧農組織的不完全統(tǒng)計,世界鹽漬土面積為109hm2,我國鹽漬土面積約3.5×107hm2,相當于耕地面積的1/3。另外,由于灌溉和化肥使用不當、工業(yè)污染加劇等原因,次生鹽漬土地面積還在逐年擴大。對植物產生不利效應的土壤中可溶性鹽分過多,稱為鹽脅迫(張立軍和梁宗鎖,2007)。代謝組學技術被用來鑒別番茄(Solanumlycopersicum)在鹽脅迫下的代謝產物的變化。Johnson等(2003)選取了兩種對鹽脅迫敏感程度不同的番茄株系Edkawy和SimgeF1進行研究,發(fā)現鹽脅迫下SimgeF1的相對生長率明顯降低,而Edkawy沒有受到影響。使用傅立葉變換紅外光譜FT-IR對對照組和鹽脅迫組的新鮮番茄果實提取物進行分析,每個樣品的光譜含有吸光值在不同波長的882個變量。所得到的數據使用非監(jiān)督數據分析方法PCA和有監(jiān)督數據分析方法判別功能分析(DFA)分別進行處理。PCA方法不能區(qū)分對照組和高鹽處理組果實的區(qū)別,而DFA法可以區(qū)分兩種不同基因型,及不同基因型對照組和高鹽處理組的果實。遺傳算法(GA)模型被用來鑒定FT-IR譜圖中對鹽脅迫應答的可能的重要功能團。這些功能團包括飽和腈類化合物、不飽和腈類化合物、氰類化合物,強烈的NH2自由基峰及其他的含氮化合物等。更加詳盡的植物鹽脅迫應答代謝組學研究是Kim等(2007)對擬南芥細胞在高鹽培養(yǎng)基中隨時間變化的代謝組學研究。擬南芥細胞在100mmol·L–1NaCl鹽處理后的0.5、1、2、4、12、24、48和72h分別進行LC-MS、GC-MS代謝指紋圖譜檢測。對數據進行PCA分析和自組織映射分析,結果顯示:植物細胞對短期鹽脅迫應答的代謝組變化包括誘導提供甲基的甲基化循環(huán),誘導木質素生成的羥甲煙胺循環(huán)和三甲氨酸的合成;而對長期鹽脅迫應答的代謝組變化則包括對糖酵解和蔗糖代謝的影響,甲基化系統(tǒng)的共還原。Cramer等(2007)使用GC-MS和陰離子交換色譜紫外檢測器聯(lián)用技術對葡萄藤(Vitisvinifera‘CabemetSauvignon’)應答鹽脅迫和干旱脅迫代謝物變化的差異進行了比較,發(fā)現在應答鹽脅迫時,蔗糖、天門冬氨酸、琥珀酸和富馬酸在植物中的含量呈下降趨勢,而脯氨酸、天冬酰胺、蘋果酸和果糖等化合物的含量相對升高。應答干旱脅迫與應答鹽脅迫相比,葡萄糖、蘋果酸和脯氨酸的含量更高。Gong等(2005)也使用GC-MS代謝指紋圖譜與生物芯片技術相結合的方法比較了耐鹽植物鹽芥(Thellungiellahalophila)和擬南芥代謝物的差別。發(fā)現兩個物種間代謝物有明顯差別。與擬南芥相比較,無論是在高鹽環(huán)境還是在普通環(huán)境中,鹽芥都有著較高的代謝物水平。對擬南芥的分析表明,在150mmol·L–1鹽脅迫下,擬南芥植株中的葡萄糖、脯氨酸和一種可能為復合多糖的代謝產物明顯增多。而在鹽芥中,鹽脅迫誘發(fā)相當復雜的代謝應答,不僅在鹽脅迫前許多代謝物的水平較高,在誘導后很多糖類、糖醇、有機酸和磷酸鹽含量都有明顯的變化。Widodo等(2009)利用代謝組學的方法對兩種不同基因型耐鹽能力不同的大麥(Hordeumvulgare)品種Sahara和Clipper鹽脅迫應答的代謝物的差別進行研究,分別對Sahara和Clipper進行3個星期的高鹽處理后,發(fā)現Chipper停止生長,而Sahara保持生長并達到與對照組相當的水平。與Chipper相比,Sahara葉片的Na含量明顯較高,并且葉片的壞死率相對較低,顯示出其具有相對較高的耐鹽能力。代謝物的變化方面,兩個基因型植株的表現也明顯不同,在Chipper植株中,包括γ-氨基丁酸和脯氨酸等氨基酸及多胺、腐胺的含量明顯升高,而這些化合物的累積與鹽脅迫中植物的低生長率和葉片壞死有關,這些化合物可以作為植物細胞受損的生物標志物。而在耐鹽能力相對較高的Sahara植株中,磷酸己糖、三羧酸循環(huán)中間體和與細胞保護相關的代謝物的含量升高,而這些化合物含量在Chipper植株中沒有明顯的變化,因此可以推測出這些代謝物的積累與Sahara葉片中的細胞保護和葉片對高Na+的耐受有關。另外,Sobhanian等(2010)對鹽誘導的C4植物Aeluropuslagopoides進行了代謝組學的研究,研究表明在高鹽環(huán)境下氨基酸的合成增多,而與三羰酸循環(huán)相關代謝物含量降低,說明提高氨基酸合成是該植物對高鹽脅迫應激的途徑之一。1.4對磷脅迫的響應植物在生存環(huán)境中,除受到上述一系列常見的非生物脅迫外,還會受到其他環(huán)境因素造成的非生物脅迫,如硫脅迫、磷脅迫及金屬污染脅迫等。近期有很多研究工作涉及到硫、磷及金屬離子脅迫下植物的代謝組學研究。Nikiforova等(2005a,2005b)使用GC-MS和LC-MS技術對硫缺乏脅迫下的擬南芥植株進行了分析檢測,發(fā)現擬南芥與硫缺乏脅迫應激相關的134個已知化合物和一系列未知化合物,并對這些化合物進行了動態(tài)監(jiān)測,從而成功地重建了擬南芥對硫缺乏環(huán)境應激反應的代謝網絡。代謝網絡的數據又與擬南芥對硫缺乏脅迫應激的轉錄組學數據進行了整合分析(Nikiforovaetal.,2005a,2005b),從而得到擬南芥在硫缺乏脅迫下基因表達和代謝物變化的關系。代謝組學和蛋白質組學相結合的研究方法也被用于豆科植物應答磷脅迫的研究中。Hernandez等(2007)利用GS-TOF-MS對磷充足和磷缺乏的豆科植物的根部進行了代謝輪廓的分析比較,并鑒定了一系列與磷脅迫有關的代謝產物,很多代謝產物(包括氨基酸、多元醇和糖類)在對磷脅迫的應答時含量升高。Bailey等(2003)對高鎘脅迫的麥瓶草(Silenecucubalus)細胞進行了NMR代謝組學分析。主成分分析可以將鎘脅迫組和空白組區(qū)分開來,并發(fā)現鎘脅迫使麥瓶草細胞中的蘋果酸及醋酸鹽的含量明顯升高,而谷氨酸及一些支鏈氨基酸的含量則在鎘脅迫應答中呈下降趨勢。柵藻屬(Scenedesmus)植物是研究金屬脅迫和酚類表達的重要研究對象。將該屬植物S.quadricauda分為3組,分別使用Cu2+、水楊酸、Cu2+與水楊酸結合處理后,進行代謝組學的研究,研究發(fā)現在Cu2+處理組中葉綠素、水溶性蛋白質及酚類化合物含量均呈下降趨勢;水楊酸處理組則趨勢相反在Cu2+和水楊酸共同處理組中發(fā)現,水楊酸并不能抵制在Cu2+脅迫下3種化合物的下降趨勢。然而植物體內的Cu2+濃度并未升高可能與水楊酸相關的苯甲酸的積累有關(Jozefetal.,2010)。蕓薹屬(Brassica)植物一直被認為是金屬離子的收集器,并廣泛應用于土壤的修復中,但對其金屬離子耐受的機制卻不清楚。Jahangir等(2008)對蕪菁(Brassicarapa)中由金屬離子介導的代謝物的變化進行了研究,分別用4種不同濃度(50、100、250和500mmol·