植物代謝組學：方法與應用(第二版)（簡體書）

本書介紹了代謝組學的技術及應用概況、代謝組學的氣相色譜- 質譜聯用技術、液相色譜- 質譜聯用技術、核磁共振技術、代謝組學數據預處理方法、基於代謝組學數據的多變量分析、基於色譜- 質譜聯用技術的代謝物定性，並介紹了植物脂質組、植物代謝網絡分析，還講解了這些技術的具體應用案例，比如 LC-MS 在植物代謝組學中的應用、NMR 在植物發育和其應答生物/ 非生物脅迫中的應用、代謝組學方法在中藥研究中的應用。本書後介紹了代謝組學領域的研究趨勢，比如代謝組數據的深度挖掘及應用，並將“基於質譜的代謝組學：注釋、定量和報告實踐指南”作為附錄介紹給大家，參考性非常強。本書適合高等院校、研究院所生物、化學、醫藥、農業相關專業的本科生、研究生、科研工作者及專業技術人員參考學習。

漆小泉，中科院植物研究所，博導、研究員，現任中國科學院植物研究所植物次生代謝及抗病信號轉導創新研究組組長。迄今出版論著1部，發表SCI收錄刊物論文30余篇。陳曉亞，植物生理學家，中國科學院院士、發展中國家科學院院士 ，中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所研究員、博士生導師，中國科學院上海辰山植物科學研究中心主任，兼任上海辰山植物園園長。主要從事植物次生代謝調控及表皮細胞發育，早期曾從事植物分類學研究。王玉蘭，現任南洋理工大學教授，曾任中國科學院武漢物理與數學研究所研究員、博士生導師，磁共振與原子與分子物理國家重點實驗室主任，生物光譜和代謝學學科帶頭人。

1.是國家十一五重點圖書《植物代謝組學》（一版）的修訂再版，原版圖書版權輸出至Springer，並作為該公司亞太區重點圖書獲得高度評價。2.本書每章作者都是本領域國內領銜代表專家，著述認真負責，科學可靠，本書是相關代謝組學研究領域的經典參考圖書，受到業內廣泛認可。3.本書二版在原版基礎上對代謝組學新技術、新方法、新成果、新趨勢做了詳細介紹，新增加了“脂質代謝組學”一章，增加了高端分析儀器應用介紹比如離子淌度質譜、成像質譜、全二維色譜、多平臺組學技術、多組學技術的開發應用，精準代謝組學研究比如靶向代謝組學、廣泛靶向代謝組學技術分析策略，相關分析軟件和算法的智能化分析，將組學研究報告進行標準化，並提供了附錄《基於質譜的代謝組學：注釋、定量和*佳報告實踐指南》資料翔實，科研案例豐富，步驟講解細致，參考性強。

前言
2011 年，由國內一線從事植物代謝研究的科研人員編著的《植物代謝組學——方法與應用》首次出版，反映了我國植物代謝組學研究的萌發和快速發展，該書分為代謝組學分析技術的基本原理、方法及進展，代謝組學數據處理、代謝物定性、數據庫和代謝網絡，代謝組學應用實例三個部分，建立了植物代謝組學的基本知識框架，體現了當時國內植物代謝組學的研究水平。該書出版後，得到了讀者較好的反饋，成為眾多科研人員手頭的參考用書，特別在植物學和中藥學等學科領域廣為傳播，該書也作為部分學校本科生和研究生的教材使用。首版後的十二年以來，植物代謝組學研究得到了全方位的發展，在一些關鍵的領域也取得了較好的成果。應廣大讀者需求，特別是部分院校開展代謝生物學和代謝組學的課程教學，迫切需要教材，我們對本書進行了修訂，《植物代謝組學——方法與應用》第二版充分吸收了近十年植物代謝組學取得的新進展，為讀者提供與時俱進的實操內容。
小分子代謝產物作為植物自身的組成成分，一方面，它們重要的生物學功能逐漸得以解析，如葫蘆科葫蘆素三萜參與抗蟲和人工馴化，水稻花粉壁間隙三萜對水稻花粉的萌發和育性有重要的作用等；另一方面，為了充分利用藥用植物中的功效成分，天然產物生物合成途徑得到廣泛的解析。特別是合成生物學的興起，利用代謝工程技術對青蒿素、人參皂苷、丹參酮、檀香醇等高價值天然產物進行了微生物製造，實現“不種而獲”的目的，減輕對藥用植物資源的依賴；得益於基因組測序成本的降低，更多植物基因組信息被公布，通過生物信息學手段挖掘更多的代謝基因簇，分析不同物種代謝途徑基因的進化關係；借助酶晶體結構（酶三維結構預測）、量子計算、理論化學和酶工程（活性口袋工程）技術對酶催化機制的解析，加深了自然界次生代謝產物結構多樣性和科屬分布特異性的認識。植物代謝組學已經廣泛應用於上述多領域研究，展現出蓬勃的發展潛力，也展現出我國科學技術的進步以及我國學者對國際學術界的貢獻。
植物代謝組學是生物學和化學的交叉融合，代謝組學分析技術近年來也取得了長足的進步。脂質是細胞中不可或缺的組成成分，在生物體各生命過程中發揮重要的作用。脂質代謝組學是植物代謝組學發展的又一個方向和類別，形成了自己獨特的分析方法和定性方法，因此《植物代謝組學——方法與應用》第二版新增加了“脂質代謝組學”一章；組學分析技術一直在發展，高端分析儀器的推出，如離子淌度質譜、成像質譜、全二維色譜等，多平臺組學技術、多組學技術的開發，進一步拓展了代謝組學檢測能力；另外，代謝組學分析技術朝著更精準的方向發展，如擬靶向代謝組學技術、廣泛靶向代謝組學技術等分析策略的運用，在原有儀器精度條件下，極大提高了代謝組學測量的準確度，降低了代謝組學假陽性率；代謝物定性分析是將化學信號轉變為生物學信息的“卡脖子”技術。要從微量分析樣本中，高通量地推斷未知化合物的結構，無論是過去還是將來一段時間內，都是化學家和生物學家面臨的巨大挑戰。從同位素標記技術、更加全面的標準物質質譜數據庫、綜合性數據庫等方面入手，有助於提高未知代謝物結構注釋的能力。此外，基於代謝反應網絡和二級質譜信息，通過自動化的遞歸運算，開發了大規模的代謝物結構鑒定算法，如MetDNA，極大提高了對未知代謝物的定性分析；代謝組學海量原始數據的分析和處理，嚴重依賴化學計量學和計算機科學的介入，針對複雜的GC-MS 代謝組學數據，也開發了相應分析軟件和算法；代謝組學結合其他組學，如全基因組遺傳多態性，以代謝物作為表型，進行全基因組關聯分析mGWAS，為快速定位代謝物生物合成與調控直接相關的基因提供了幫助。總體來講，經過十多年的發展，代謝組學分析技術在各個層面得以深入發展，從簡單的化學分析步入更加全面、精準和智能化的分析時代。
結合上述發展和實踐教學過程中的經驗，本書第二版仍然保持了版的總體框架，並對部分章節進行了調整。新增加了植物脂質組、代謝組數據的深度挖掘及應用以及代謝組學方法在中藥研究中的應用章節；同時，增加了附錄“基於質譜的代謝組學：注釋、定量和報告實踐指南”，提倡代謝組學研究報告的標準化；第二版對版有關數據分析的兩個章節進行了合並處理，對其他章節中所涉及的新技術和新進展進行了更新。
本書第二版編寫人員新增加了中山大學、中國科學院分子植物科學卓越創新中心、中國科學院植物研究所、中國中醫科學院中藥資源中心的多位科研人員。感謝所有編者在百忙時間中辛勤的編寫。希望第二版能一如既往帶給讀者新的收獲和有益的幫助，助推我國植物代謝組學邁向更高質量的發展。由於時間和知識局限，本書難免有錯誤與不足，歡迎讀者批評指正。

漆小泉　王玉蘭　陳曉亞
2022 年8 月18 日




版前言
生命科學研究日新月異，基因組學及相關分析技術的提高極大地推動了轉錄組學、蛋白組學、代謝組學、表型組學等的快速發展，人們可以採用系統集成的手段，多層次揭示生命現象。這種研究思路和方法催生了系統生物學。代謝組學是系統生物學的重要組成部分，代謝物與表型為接近，代謝物的變化能夠更直接地揭示基因的功能，代謝標識物的發現在疾病早期診斷等方面有著重要的應用價值。
自然界的植物種類繁多，不同的類群往往合成一些特殊化合物。據估計，植物產生的代謝物數量有20 萬～ 100 萬種之多，且結構與理化性質差異很大，從而使植物代謝組學研究更具挑戰性。自2002 年屆國際植物代謝組學大會在荷蘭瓦赫寧根召開以來，植物代謝組學的分析技術和方法發展迅速，並已開始應用於植物科學研究、生物技術安全評價、作物育種等多個領域，在基因功能研究、代謝途徑及代謝網絡調控機理的解析等方面發揮著重要的作用。我國植物代謝組學研究於2005 年前後開始起步，目前已形成較好的發展趨勢。本書由國內活躍在植物代謝研究一線的科研人員共同編著而成，既介紹植物代謝組學研究的進展、分析未來數年的發展趨勢，也展示作者們各自科研項目的新研究，較好地反映出國內當前的研究水平。
本書從三個部分介紹和展示植物代謝組學。部分包括植物代謝組學概述及代謝物分析技術的原理、方法、存在的問題和注意事項及進展等，主要包括質譜和核磁共振分析技術；第二部分包括代謝組學數據分析、代謝物定性、代謝組學數據庫和代謝網絡研究；第三部分是植物代謝組學詳細的應用實例，大多是近年來的研究成果。編寫時力求做到符合實際和實用，期望本書能推動植物代謝組學在我國的迅速發展。
感謝各章編委在繁忙的科研和教學任務中抽出時間撰寫稿件。本書的多位編寫人員獲得科技部“973”計劃“作物特殊營養成分的代謝及其調控研究(2007CB108800)” 及“ 畜禽產品中有害物質形成原理與控制途徑研究(2009CB118800)”的資助。本書的編寫也得到了“作物特殊營養成分的代謝及其調控研究”項目辦公室的資助。非常感謝中國科學院植物研究所劉春明研究員為本書的出版給予的關心和幫助。對於本書中的錯誤與不足，歡迎讀者批評指正。

漆小泉　王玉蘭　陳曉亞
2010 年11 月21 日

第1章　概述 001
1.1　代謝物分析技術的發展趨勢 003
1.2　代謝組學數據分析現狀及其面臨的挑戰 008
1.3　植物代謝組學的應用 013
參考文獻 019

第2章　代謝組學分析技術：氣相色譜-質譜聯用技術 026
2.1　GC-MS聯用的原理和關鍵技術 027
2.2　樣品制備和分析技術 035
2.3　新技術、發展趨勢 039
2.4　常見問題，注意事項 041
2.5　展望 044
參考文獻 045

第3章　代謝組學分析技術：液相色譜-質譜聯用技術 047
3.1　LC-MS基本原理 048
3.2　數據解讀 052
3.3　新技術與發展趨勢 053
3.4　常見問題和注意事項 057
3.5　展望 061
參考文獻 061

第4章　代謝組學分析技術：核磁共振技術 064
4.1　核磁共振發展概況 065
4.2　核磁共振基本原理 065
4.3　核磁共振波譜儀 067
4.4　化學位移 068
4.5　自旋耦合 075
4.6　常見基團的化學位移範圍 076
4.7　代謝組學研究中常用的二維譜 082
4.8　核磁共振譜圖解析 084
4.9　常見問題及解決方案 095
4.10　植物代謝組學研究中樣品的提取方法 097
4.11　新技術及發展趨勢 098
參考文獻 100

第5章　代謝組學數據預處理分析方法 102
5.1　NMR數據集的預處理 103
5.2　MS數據預處理 106
參考文獻 113

第6章　基於代謝組學數據的多變量分析 115
6.1　引言 116
6.2　基於單維統計模式識別 116
6.3　多維統計模式識別 118
6.4　數據模型的識別和驗證 129
6.5　模式識別的軟件工具 130
6.6　代謝組和其他組學數據的聯合分析 132
6.7　小結 140
參考文獻 140

第7章　基於色譜/質譜聯用技術的代謝物定性 144
7.1　引言 145
7.2　常見有機物質譜裂解規律 148
7.3　GC-MS代謝產物定性方法 150
7.4　LC-MS代謝產物定性方法 157
參考文獻 164

第8章　植物脂質組 167
8.1 植物脂質簡介 168
8.2 植物脂質的功能 176
8.3 植物脂質碎裂規律 179
8.4 植物脂質組樣品制備 181
8.5 脂質組學分析工具 183
8.6 多組學聯合分析 189
8.7 展望 190
參考文獻 192

第9章　植物代謝網絡 197
9.1 引言 198
9.2 植物代謝網絡的特徵 199
9.3 植物代謝網絡的分子生物學研究 206
9.4 存在問題與展望 212
參考文獻 213

第10章　LC-MS 在植物代謝組學中的應用 220
10.1 分析樣品制備 222
10.2 LC-MS在基因功能研究中的應用 223
10.3 代謝組與基因組重測序數據關聯確定候選基因 228
10.4 應用於轉基因植物“實質等同性”檢測 229
參考文獻 233

第11章　NMR 在植物發育和其應答生物/非生物脅迫中的應用 235
11.1 引言 236
11.2 NMR在綠豆種子發育中的應用 236
11.3 NMR在水稻抗蟲中的應用 243
11.4　NMR在煙草應答鹽脅迫中的應用 251
11.5 機遇與挑戰 258
參考文獻 258

第12章　代謝組學方法在中藥研究中的應用 261
12.1 引言 262
12.2 黃芪藥材的多基源鑒別 262
12.3 丹參酮類化合物生物合成途徑解析 274
12.4 天麻硫熏綜合評估分析 282
參考文獻 289

第13章　代謝組數據的深度挖掘及應用 292
13.1 植物代謝組學檢測平臺 293
13.2 植物代謝組學數據分析方法 298
13.3 植物代謝物注釋 306
13.4 植物代謝組學的應用 308
13.5 展望 310
參考文獻 311

附錄　320
附錄1　基於質譜的代謝組學: 注釋、定量和報告實踐指南 321
附錄2　中英文縮略語表 334