摘要：" 代謝組學技術在揭示楊樹響應逆境脅迫的機制、改良樹木品質方面發(fā)揮重要作用，對楊樹的速生、高產以及遺傳育種也具有重要意義。文章介紹常用代謝組學技術，論述了該技術在楊樹響應逆境脅迫、輔助育種等方面的研究進展，同時結合植物代謝組學的應用和發(fā)展分析該技術在楊樹研究中的潛力，并對未來的研究方向進行合理展望。

關鍵詞：" 楊樹；" 代謝組學；" 非生物脅迫；" 生物脅迫；" 輔助育種

中圖分類號：" "S 792. 11" " " " " " " "文獻標識碼：" "A" " " " " " " " 文章編號：１００1 － 9499（２０24）06 － 0043 － 08

Metabolomics Techniques and Research Progress in the Field of Poplar

WANG Shiqi

（Liaoning Research Institute of Poplar，" Liaoning Gaizhou 115200）

Abstract Metabonomics technology plays an important role in revealing the mechanism of poplar response to stress and improving tree quality， and is also of great significance for the rapid growth， high yield， and genetic breeding of poplar. Introduced commonly used metabolomics techniques， discussed the research progress of this technology. In response to adversity stress and assisted breeding of poplar trees， assisted breeding and other aspects. At the same time， combined with the application and development of plant metabolomics， the potential of this technique in poplar research is analyzed， and the future research direction is prospected reasonably.

Key words Poplar; metabolomics; abiotic stress;biotic stress; assisted selection

楊樹以其生長快速、易于無性繁殖以及適應性強等優(yōu)勢，成為了造林綠化的首選樹種，也是重要的工業(yè)用材樹種之一。此前研究人員一直致力于研究楊樹的化學組成[ 1 ]，然而植物體內存在超過20萬種代謝物，不同品種間或同一品種不同組織中，代謝物的種類和數量差異也很大[ 2 ]，這些代謝物參與機體生化反應，是代謝過程中的直接信號，也是遺傳物質的最終產物，在植物生長發(fā)育、抗逆境脅迫等方面發(fā)揮重要作用，因此通過分析代謝物的差異來挖掘代謝途徑及其調控機理，解析遺傳基礎，有助于深入了解植物體代謝生物學過程。

繼基因組學、蛋白質組學、轉錄組學后，英國帝國理工大學教授Jeremy K.Nicholson首次提出了代謝組學的概念[ 3 ]。代謝組學旨在探索生物體在受到外界刺激時，其內在的代謝產物組成變化及其相互作用的機制，目前已廣泛應用在草本植物研究中，作為一種常見的木本模式植物，楊樹代謝產物的組成和含量對其表型有直接影響，利用代謝組學可以更好的解析楊樹基因功能，揭示楊樹響應脅迫的生理機制[ 4 - 5 ]，對了解楊樹代謝途徑及機理并研究其生長發(fā)育、揭示響應逆境脅迫的機制、改良樹木品質有著重要作用[ 6 ]。本綜述旨在介紹常用的代謝組學技術，概述代謝組學在楊樹上的研究進展，對代謝組學在楊樹上的應用潛力進行展望，以期為楊樹育種、栽培和病蟲害防治等研究提供可能方向，為楊樹的開發(fā)利用提供理論及新的思路。

1 代謝組學簡介

由于基因組的變化不一定都能夠表達，所以未必對生物體產生影響；轉錄組反應了將要發(fā)生的事情，不能直接對應生物體表型；有些蛋白質也可能由于條件的改變而失活；而代謝組與基因組、蛋白質組和轉錄組不同，反應了正在或者已經發(fā)生的事情，能夠更準確的反映生物體系的狀態(tài)[ 7 ]。因此，代謝組學發(fā)展迅速，目前已廣泛應用于番茄、大豆、馬鈴薯、擬南芥、煙草、水稻等植物[ 8 - 10 ]。代謝組學技術包括氣相色譜質譜聯(lián)用（Gas chromatography mass spectrometry，GC-MS）、液相色譜質譜聯(lián)用（Liquid chromatography mass spectrometry，LC-MS），核磁共振波譜（Nuclear magnetic resonance，NMR）等。由于代謝物種類繁多、物理性質差異很大且濃度變化范圍廣，因此若要提高靈敏度和準確性，進行全面分析，只靠一種分析手段難以滿足，往往需要色譜、質譜、核磁共振和紅外光譜等多種技術配合使用[ 11 ]。

1. 1 研究技術

1. 1. 1 氣相色譜質譜聯(lián)用技術

GC-MS技術是最早大規(guī)模應用于植物代謝組學研究中的技術[ 12 ]，該方法適合分析熱穩(wěn)定、易揮發(fā)或經衍生化后易揮發(fā)成分，不受復雜生物樣本中基質效應的干擾，靈敏度高，有大量可檢索的質譜數據庫支持定性分析[ 13 ]。GC-MS方法雖然可以同時檢測包括氨基酸、糖、有機酸和脂肪酸等多種代謝物，然而制備樣品時費時費力，也不適合檢測某些不穩(wěn)定的代謝物[ 14 ]；同時，在離子化過程中，電子轟擊施加的能量會使結構不穩(wěn)定成分易于碎裂而難于檢測到化合物的分子離子峰[ 15 ]。段二龍等人應用GC-MS技術對冷應激和冷馴化處理后紅花玉蘭和白玉蘭莖尖組織的代謝物進行檢測，通過對比分析了各階段主要差異代謝物和代謝途徑，探討了特定類別代謝物的性質和功能，為進一步改良抗寒能力提供了方向[ 16 ]。

1. 1. 2 液相色譜質譜聯(lián)用技術

LC-MS技術在代謝組學中最常用，與GC-MS相反，該方法適合測定不穩(wěn)定、難揮發(fā)的成分，檢測靈敏度、覆蓋度高，適用范圍廣[ 13 ]，適用于非靶向代謝物分析。近幾年來，LC-MS技術在植物代謝組學的研究中越來越受歡迎，高悅應用LC-MS非靶向代謝組學技術，通過對生長在不同環(huán)境下（野生、室內栽培和交互種植園栽培）太行菊屬植物的葉、花代謝物種類及數量進行鑒定分析，篩選出差異代謝物進行KEGG途徑富集，挖掘上調或下調代謝產物，探析太行菊屬植物對環(huán)境變化的代謝響應機制[ 17 ]。周澤宇利用LC-MS對中性鹽和堿性鹽脅迫下的紫花苜蓿進行代謝組學分析，篩選獲得特異響應鹽和堿脅迫的候選代謝物質和代謝途徑，揭示了紫花苜蓿響應鹽和堿脅迫的生理機制[ 18 ]。

1. 1. 3 核磁共振波譜技術

NMR技術是一種原子級的分析方法，利用高磁場中原子核對射頻輻射的吸收光譜來對化合物進行鑒定[ 19 ]，其中應用最廣泛的是[ 1 ]H-NMR技術。NMR技術在代謝組學的領域中有許多優(yōu)勢，樣品制備分離過程簡便，減少對樣品的破壞性，定量分析的重復性和準確性高，同時具有強大的結構解析和無偏向檢測能力，對不同批次、不同時間的樣本均有較高靈敏度[ 20 ]。缺點是分辨率較低，獲取代謝物有限，通常不超過100個[ 21 - 22 ]。NMR技術通過代謝物化學位移和裂分的特征信號來進行定性與定量分析，但是生物樣本成分復雜，濃度范圍可跨越8個數量級，眾多代謝物特征信號疊加，也使該技術的特異性降低[ 15 ]；同時，NMR技術在測定低含量成分時靈敏度遠低于質譜技術，這也限制了其在生物樣本中獲取信息的能力[ 23 ]，因此在植物代謝研究中應用較少。

另外，超高效液相色譜（UPLC）和高分辨率質譜技術在分離度、通量和靈敏性方面效果更好[ 24 ]，除此之外，還有傅里葉變換質譜、傅里葉離子回旋共振等分析技術。在代謝組學分析中，還沒有能滿足所有要求的技術，需要根據檢測樣本的類型以及特定代謝產物特性，選擇最適合的檢測方法，或者通過不同技術的組合來達到全面檢測的目的。

1. 2 數據處理與分析

樣品經代謝組學技術分析后會產生大量數據，常規(guī)方法很難提取分析，因此需通過多變量數據統(tǒng)計方法進行降維和歸類分析。獲得原始數據后首先通過剔除奇異點、去除噪聲信號、基線校準、峰對準、峰識別等步驟進行預處理[ 25 ]，接下來利用非監(jiān)督方法（unsupervised method）或監(jiān)督方法（supervised method）進行數據特征的提取和選擇。非監(jiān)督模式分析是在無任何外界指導情況下考察整體性質以及內部變量各種關聯(lián)的分析方法[ 26 ]，包括聚類分析（（hierarchical clustering analysis，HCA）、主成分分析（principal component analysis，PCA）、非線性映射（non-linear mapping，NLM）等，當組內差異較小而組間差異大時，非監(jiān)督分析能明顯區(qū)別組間差異；當組內差異很大但組間差異不明顯時，不能忽略組內差異[ 27 ]，此時運用非監(jiān)督分析存在一定局限性。監(jiān)督模式分析是將先驗的類別信息或假設條件整合到模式識別中，并對未知數據進行辨識、歸類和預測的分析方法[ 28 ]，包括偏最小二乘法分析（partial least squares，PLS）、線性判別分析法（linear discriminant analysis，LDA）、偏最小二乘法辨別分析（partial least squares discriminant analysis，PLS-DA）、人工神經元網絡（neutral network，ANN）等，監(jiān)督分析先將樣品按類別分組，再進行分析，可忽略組內隨機誤差，重點分析組間誤差[ 29 ]。

經預處理整合、提取后的數據可建成代謝數據庫，為后續(xù)代謝物分析檢索提供支持[ 30 ]。目前網絡資源的數據庫不少于百種[ 31 ]，可分為參考譜圖數據庫、代謝途徑數據庫、化合物信息數據庫和代謝組學實驗室信息管理數據庫[ 32 ]。常用的如Metlin譜圖數據庫（http：//metlin.scripps.edu/index.php）、KEGG代謝途徑數據庫（http：//www.genome.jp/kegg/）[ 33 ]、PubChem化合物信息數據庫（http：//pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/）等[ 34 ]。

2 楊樹代謝組對非生物脅迫的響應

楊樹遭鹽脅迫后，受到滲透壓脅迫和離子毒害影響而產生的一系列次生效應會嚴重危害樹木生長發(fā)育[ 35 ]。代謝組學有助于了解楊樹不同品種間耐鹽機制的差異，以及不同耐鹽響應信號的互作方式，對提高鹽脅迫下樹木生態(tài)經濟效益，促進鹽堿地生態(tài)恢復具有重要的指導意義[ 36 ]，因此在探究楊樹鹽脅迫下生理機制方面有著較為廣泛的應用。胡楊（Populus euphratica）天然生長于鹽害地區(qū)，具有較高的耐鹽性，利用代謝組學揭示這是由于胡楊面對鹽脅迫時表現(xiàn)出滲透調節(jié)、離子區(qū)隔化和活性氧解毒的永久激活控制機制[ 37 ]。代謝組和轉錄組數據的通路分析也揭示了與灰楊（Populus canescens）相比，胡楊的初級糖積累更強，糖醇產生途徑更活躍，次級代謝物的消耗更快。以鹽脅迫下具有中等耐鹽性的美洲黑楊無性系后代南林895楊為研究對象，基于超高效液相色譜-四極桿-飛行時間質譜（ultra performance liquid chromatography coupled with tandemquadrupole time-offlight mass spectrometry，UHPLC-QTOF-MS）分析葉片的代謝物變化情況，結合RT-qPCR技術檢測差異代謝通路的關鍵基因表達，從能量轉換和碳氮代謝等方面揭示了主要次生代謝產物對鹽脅迫的響應機制，最終得到115個差異代謝物并篩選出5條受到強烈影響的代謝通路，發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下南林895楊的同化物分解速度和TCA循環(huán)過程加快，總糖含量增加，而與生長有關的激素和核酸含量減少，同時植物通過減少酚類合成，調節(jié)各類氨基酸代謝，從而形成一套較為復雜的保護機制以響應鹽脅迫[ 38 ]。作為與鹽脅迫密切相關的應激代謝產物，-氨基丁酸（GABA）參與調控三羧酸（TCA） 循環(huán)、脯氨酸代謝和多胺代謝，還影響植物激素和活性氧的合成，已有大量關于草本植物的研究證明小分子代謝物GABA參與植物多種生理過程，調控植物逆境適應機制，并在碳氮代謝中發(fā)揮關鍵作用，但其在木本植物中的抗逆機制還未得到足夠重視。針對GABA在鹽脅迫下的功能研究，以84K楊為試驗材料，通過短期水培鹽脅迫和添加外源GABA的長期土培鹽脅迫處理，達到從生理代謝和轉錄代謝水平兩個角度系統(tǒng)剖析鹽脅迫條件下楊樹幼苗GABA支路及相關碳氮代謝響應的目的，結果顯示短期水培鹽脅迫下，楊樹通過激活GABA支路活性和抑制TCA循環(huán)關鍵中間代謝物兩種途徑調節(jié)碳氮平衡，施加外源GABA能夠顯著調節(jié)激素信號和基因表達、影響抗氧化物質含量，通過代謝組分析發(fā)現(xiàn)外源GABA除了影響鹽脅迫下的非結構性代謝物之外，還影響鹽脅迫下莖的非結構性碳水化合物，可通過改變莖中碳氮代謝和誘導結構性碳水化合物合成，從而增加鹽脅迫下楊樹植株莖生物量。利用代謝組結合轉錄組的方法對GABA調控楊樹鹽脅迫下響應機制進行深入解析，不僅彌補了GABA在木本模式植物研究中的空白，還首次證明了外源GABA通過直接影響鹽脅迫環(huán)境下楊樹碳固定能力及光合產物的轉運和分配，正調控鹽脅迫下楊樹生長[ 39 ]。

另外，高溫不僅限制植物生長發(fā)育，還影響植物的多種代謝過程，為適應高溫脅迫，植物會增加滲透調節(jié)劑、各類代謝物及激素等，而關于楊樹對高溫脅迫的響應機制研究多集中在種群、個體、器官和細胞水平上，分子水平上雖有楊樹高溫轉錄組的相關報道，但還未見代謝組研究和代謝聯(lián)合多組學分析，因此探究高溫脅迫相關基因和代謝物變化，有利于培育楊樹耐脅迫品種?；贕C-MS代謝組學技術測定高溫下毛白楊葉片的差異代謝物，篩選出67個差異代謝物，其中高溫脅迫下的N-甲基-DL-丙氨酸等6種代謝物含量顯著上升，而瓜氨酸等含量顯著下降[ 40 ]，結合轉錄組分析發(fā)現(xiàn)高溫脅迫下，毛白楊呼吸作用中的糖酵解路徑增強，TCA循環(huán)受到抑制。該研究不僅利用代謝組學技術從分子水平上闡釋了楊樹對高溫響應的調控機制，還聯(lián)合轉錄組鑒定出了參與高溫應答的關鍵差異基因，為楊樹響應高溫脅迫的生理生化、代謝和轉錄調控等研究都提供了重要的參考依據。

近些年，除了全球氣候變暖導致的高溫影響植物生長，頻繁降雨倒逼植物耐澇性提高，因此專家學者們開始從生理代謝、能量代謝、抗氧化過程和轉錄因子等各方面探究植物耐澇機理。楊樹以其優(yōu)越的耐澇性成為目前淡水澇漬地重要的造林樹種之一，為深入挖掘楊樹的耐澇機理，從44個I-69楊和小葉楊雜交F1子代中篩選出最耐澇和最不耐澇的兩個個體，采用GC-MS技術結合轉錄組學聯(lián)合方法分析了子代中耐澇型和敏感型無性系的生理機制和分子機理。結果顯示淹水處理后兩個子代個體的根系糖酵解代謝、乳酸發(fā)酵和乙醇發(fā)酵活性均有增強，而TCA循環(huán)代謝活性受到嚴重抑制，耐澇型個體的無氧呼吸過程由乙醇發(fā)酵主導，乳酸發(fā)酵僅在無氧呼吸啟動時發(fā)生；而在敏感型個體中，乳酸發(fā)酵在整個無氧呼吸過程始終保持著高活性，同時13個與能量或O2消耗有關的差異表達基因在耐澇型個體中的表達量顯著低于敏感型個體，因此耐澇型個體具有更強抵御淹水脅迫的能力是源于其具有相對中低活性的耗能或O2代謝。而后基于轉錄組學篩選出與抗?jié)承韵嚓P的AP2/ERF家族的3個轉錄因子為候選基因，并對候選基因進行了克隆及遺傳轉化，從形態(tài)、解剖結構、代謝水平、基因轉錄調控等多層次闡明楊樹耐澇生理和分子機理，鑒定調控楊樹耐澇性的關鍵基因，為培育耐澇性楊樹新品種奠定重要基礎[ 41 ]。

面對水資源緊張給植物帶來的干旱制約，大量專家學者聚焦植物自身生物學特性，提出了不同的節(jié)水灌溉新模式。而利用代謝組學研究楊樹在不同灌溉或栽培方式下代謝產物的差異，并分析相對應的代謝通路，能夠揭示不同模式下楊樹生長發(fā)育及代謝情況的差異，從而挖掘植物自身的抗旱潛力。以飽和灌溉、分根灌溉和虧缺灌溉三種供水處理下84K楊樹為材料，從植株生理、蛋白組和代謝組三個角度進行差異化分析，結果顯示干旱脅迫下，84K楊樹的苯丙酸等4種代謝物含量均顯著增加，而分根灌溉方式可以刺激側吸收根生長，進而促進植株吸水，提高植株水分的利用率，同時分根灌溉處理下苯丙氨酸、醇類、大部分碳水化合物、有機酸和氨基酸含量有顯著差異，通過代謝通路分析表明84K楊響應干旱刺激時有機酸和氨基酸大量積累，TCA循環(huán)增強，隨之碳水化合物含量增加，苯丙氨酸代謝和糖代謝增強，以此緩解脅迫的負面影響，提高植物抗逆性。嘌呤化合物是代謝調節(jié)劑和代謝反應中間體，參與植物生長和發(fā)育，對多種細胞過程也具有重要意義，基于蛋白組和代謝組聯(lián)合分析，分根灌溉下，84K楊嘧啶代謝和嘌呤代謝通路顯著性富集，尿素含量增加，促進細胞伸長和分裂，提高抗脅迫能力，有助于楊樹生長和發(fā)育，該研究初步探索了84K楊樹適應分根灌溉的生理機制，為實現(xiàn)楊樹的高效節(jié)水栽培和分子育種提供了依據[ 42 ]。

UV-B輻射也是一種典型的環(huán)境脅迫因子，這種紫外輻射能夠影響植物形態(tài)建成、改變細胞膜通透性、降低光合作用葉綠素產量、促進相關次生代謝產物合成。為了解楊樹抵御UV-B輻射的次生代謝調控及相關生理響應機制，有學者利用UPCL-

MS/MS代謝組學技術檢測了84K楊在不同UV-B輻射時長下主要防御性次生代謝產物酚酸類化合物的含量變化規(guī)律，結果顯示適宜的UV-B輻射能夠促進84K楊組培苗體內6種酚酸類化合物的合成積累，總體呈現(xiàn)先下降后上升最終再下降的趨勢[ 43 ]，結合qRT-PCR方法明析UV-B輻射能損壞植物細胞內功能大分子，激活多種信號轉導路徑，從而觸發(fā)了酚酸生物合成路徑中CAL、C4H、4CL三種調控酶基因的轉錄表達，使酚酸類化合物過量合成，進而起到防御作用，形成植物自我保護。

3 楊樹代謝組對生物脅迫的響應

病蟲害問題對楊樹的健康生長存在巨大威脅，是楊樹生長過程中應該重點關注的因素。其中，楊樹潰瘍病菌會侵染楊樹導致枝條腐爛、枯死甚至整株死亡[ 44 ]，葉銹病菌會使受害葉片背面密生夏孢子堆，阻礙光合作用，導致葉片枯萎脫落，嚴重危害楊樹生長[ 45 ]。在長期的協(xié)同作用進化下，楊樹對這類病原菌的侵染已經形成特定的適應機制，利用代謝組學技術檢測代謝物可以明確植物染病后的生理和病理狀態(tài)，反映代謝途徑的變化。朱瑋等人很早就對楊樹與潰瘍病菌互作過程的生理和代謝物進行了研究，測定了潰瘍病菌毒素粗提物和代謝產物對楊樹葉片形態(tài)、脯氨酸含量和細胞膜通透性等的影響，結果顯示兩者均可導致楊樹葉片出現(xiàn)黑斑和萎蔫，增加葉片細胞膜透性和脯氨酸含量[ 46 ]，但楊樹與潰瘍病菌的互作系統(tǒng)極其復雜，要想深入探究互作系統(tǒng)的響應機制，闡明其中蘊含的分子機理，還需進一步開展基因調控、蛋白質表達以及次生代謝變化等方面的研究。以毛白楊和北京楊為試驗材料，基于LC-MS代謝組學技術分析顯示相同條件下毛白楊中沒食子酸、兒茶酸、苯酚含量顯著高于北京楊，受潰瘍病菌侵染后毛白楊中酚類物質合成能力迅速增加，而北京楊僅在感病后期酚類物質才有一定積累，對2個品種楊樹接種潰瘍病菌后的次生代謝產物分別進行定性和定量分析發(fā)現(xiàn)55個差異代謝物，進一步從抗病毛白楊品種莖干部分離并鑒定出白楊苷等5種主要差異代謝物，這5種酚苷類化合物極可能是毛白楊抗病性物質，這一發(fā)現(xiàn)是楊樹和潰瘍病菌的互作機制研究中的突破性進展[ 47 ]。在楊樹葉銹病的研究中，通過對健康和染病楊樹葉片代謝物的檢測分析，明確代謝物種類和含量發(fā)生的變化，找出了其中可以提高楊樹抗性的10種關鍵小分子代謝物[ 48 ]，對后續(xù)預防和治療楊樹銹病提供了科學依據?；蚝偷鞍妆磉_的變化最終體現(xiàn)在次生代謝產物的變化，而次生代謝物的種類和含量直接表現(xiàn)為植物體的生理和病理狀態(tài)，因此基于代謝組學的多組學聯(lián)合分析有助于了解楊樹抗病性的遺傳基礎和抗病基因的表達過程，增加楊樹抗病品種選育的有效性，縮短育種周期。

另外，林業(yè)有害生物也嚴重影響樹木的質量和產量，不利于林業(yè)可持續(xù)發(fā)展。植物的某些次生代謝產物在害蟲體內逐漸累積，會阻礙昆蟲消化和代謝過程的正常進行，影響昆蟲生長和繁殖，嚴重可致其死亡。天牛是常見的蛀干害蟲，可通過取食楊樹木質部致其空心，造成樹木風折，甚至死亡。已有研究表明，單寧類代謝產物在楊樹抵抗天牛蟲害威脅過程中發(fā)揮重要作用，大量單寧能夠有效降低天牛蟲口密度，提高楊樹抗蟲害威脅能力[ 49 ]，其中酚類化合物還能夠減緩天牛幼蟲的發(fā)育成熟，降低幼蟲期重量和成蟲產卵痕密度[ 50 ]。豆曉潔為挖掘楊樹對青楊天牛防御反應中發(fā)揮主要作用的組分，通過GC-MS技術分析小黑楊和銀中楊2種楊樹品系被青楊天牛產卵危害或者機械損傷后，楊枝樹皮部的代謝產物變化情況，分析代謝圖譜并進行定性和定量分析，結果顯示不同處理的代謝物種類雖未發(fā)生變化，但代謝物的平均含量變化很大，進而代謝途徑也發(fā)生改變，因此基于代謝組學成功篩選某些含量較高的特異性代謝物，結合其改變代謝途徑的相關信息，我們得知楊樹被危害后會啟動自身防御應答機制來抵御“非我”物質，這也為青楊天牛的科學防治提供方向[ 51 ]。

4 楊樹的代謝組輔助育種

植物適應環(huán)境的過程中會產生大量的次生代謝產物，這些代謝物不僅是細胞的主要組成成分，還參與調控植物生長成熟和響應脅迫等過程[ 52 ]。代謝組學技術能夠鑒定植物體內很多重要代謝物，揭示這些代謝物的生物學功能和生物合成途徑，此外代謝組學結合QTL分析還能夠鑒定積累有用代謝產物的QTLs，并對特定代謝表型位點進行定位[ 53 ]，從而闡明代謝調控網絡系統(tǒng)[ 54 ]；結合全基因組關聯(lián)分析有助于挖掘調控代謝物水平的候選基因，鑒定并注釋影響代謝表型的基因[ 55 ]。

基于代謝的全基因組關聯(lián)分析（Metabolome- based genome-wide association studies， mGWAS）是聯(lián)合代謝組學與全基因組分析來研究植物中某些重要代謝性狀的遺傳基礎和調控機制的方法，通過這種方式可將代謝產物看作數量性狀，在全基因組范圍內鑒定分子標記與代謝性狀的顯著關聯(lián)關系。研究人員利用廣泛靶向代謝組學技術探究300株不同基因型毛白楊葉片的類黃酮變異模式，在對類黃酮代謝物進行廣義遺傳力分析后發(fā)現(xiàn)可根據69個具有高遺傳力的代謝物將毛白楊分為三個亞群，又通過全基因組聯(lián)合分析鑒定挖掘控制類黃酮形成的關鍵遺傳標記和基因，首次構建了毛白楊的類黃酮生物合成網絡，這有利于進一步解析楊樹類黃酮代謝物的遺傳調控網絡，也為林木分子輔助育種提供了基因資源和重要依據[ 56 ]。此外，姚良臣也采用mGWAS分析方法以毛白楊為試驗材料，揭示了綠原酸合成過程中關鍵代謝物的遺傳結構，進而挖掘了候選遺傳標記位點的顯性和加性遺傳效應，同時驗證了在干旱的毛白楊群體中，鑒定出的候選基因能夠協(xié)同促進綠原酸積累以適應干旱脅迫[ 57 ]。這些生物標志物的種類和含量在不同環(huán)境條件下存在特異性差異，與植物生物量等植物表型顯著相關，在有特定目標的林木選擇過程中具有重要意義，因此代謝組學與GWAS的關聯(lián)分析能夠提高楊樹品種改良的遺傳增益速度，輔助楊樹分子育種的設計和開發(fā)。

5 楊樹代謝組學其他應用

楊樹作為我國北方最重要的用材林樹種之一，對其木材形成過程的研究具有重要意義。目前人工林普遍存在磷素可用性低的問題，嚴重制約了用材林木材的生產，有研究發(fā)現(xiàn)，添加磷可以加快樹干基部的徑向生長[ 58 ]，因此揭示磷素對楊樹木材形成和發(fā)育的調控機制，不僅能夠幫助了解磷素變化與木材生長的內在聯(lián)系，還為今后楊樹新品種培育奠定基礎。以84K楊為試驗材料進行盆栽試驗，利用代謝組學技術研究磷素變化過程中相應的代謝物變化，發(fā)現(xiàn)磷虧缺和磷過量情況下，楊樹木材的次級代謝活動均顯著增強，花青素等次級代謝產物水平也顯著升高，同時明確低磷能夠抑制核苷酸糖合成，導致木材纖維素含量降低，從而使木材形成受阻，而高磷能夠增大使木材導管單元直徑，加快水分供給，促進楊樹生長發(fā)育[ 59 ]。通過研究磷素變化時楊樹木材的代謝物和代謝通路，構建木材代謝調控網絡，明確關鍵代謝物，揭示楊樹適應磷素變化的生理和代謝機制，為今后在磷素可用性低的立地條件下，楊樹木材產量與質量的提高提供科學依據。

土壤中對羥基苯甲酸的積累影響楊樹正常生長，導致其連作障礙。為探究楊樹響應對羥基苯甲酸的調控機制，以‘84K楊’為試驗材料，通過LC-MS代謝組學技術鑒定到脅迫后葉片內含有的126個差異代謝物，其中以脂類、氨基酸及氨基酸衍生物類和核苷酸及核苷酸衍生物類化合物為主。進一步結合轉錄組數據分析發(fā)現(xiàn)，嘌呤代謝和咖啡因代謝通路是楊樹響應對羥基苯甲酸脅迫的主要代謝通路，代謝物3'，5'-環(huán)鳥苷酸、3'，5'-環(huán)腺苷酸和差異基因XDH可能發(fā)揮關鍵作用[ 60 ]。利用多組學聯(lián)合分析有助于解析楊樹應答對羥基苯甲酸脅迫的調控網絡，為今后利用基因工程手段或栽培技術緩解楊樹連作障礙的研究提供理論。

6 總結與展望

作為系統(tǒng)生物學的重要分支，代謝組學近十年來已在楊樹生長發(fā)育、響應逆境脅迫等研究中取得一定進展，但在很多方面還處于探索階段。參考植物代謝組學當前應用，氨基酸、酚類、萜類等代謝物與植物抗逆性間存在密切關系，因此代謝組學在楊樹抗逆品種選育方面有著可觀前景；另外利用代謝組學技術揭示植物響應遺傳和環(huán)境變化時的代謝產物變化，可成為篩選優(yōu)良品種與評價轉基因的有力手段[ 61 ]；通過代謝組學篩選具有分類性能的特征代謝物，結合指紋圖譜，也可為鑒定和區(qū)分不同品種林木的地理起源提供依據[ 62 ]；該方法還能夠篩選出影響產量等關鍵經濟指標的候選基因與差異代謝物，結合關聯(lián)代謝通路相關信息，進而高效改良和優(yōu)化林下種植模式[ 63 ]。隨著楊樹代謝組學技術的不斷成熟和發(fā)展，利用代謝組學及多組學聯(lián)合分析，系統(tǒng)地高通量獲取植物體基因轉錄、代謝物和代謝途徑等信息，將在楊樹栽培、品種選育、抗逆性研究、林下模式開發(fā)及品種區(qū)分鑒定等方面發(fā)揮越來越重要的作用。

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