手中有粮，心中不慌。生物育种作为现代农业的“芯片”，对解决我国种业领域“卡脖子”技术问题，促进粮食增产稳产具有重要意义，也是保障国家粮食安全的战略性、基础性核心产业。

随着分子设计育种成为引领作物遗传改良的前沿技术，以及高通量测序技术的发展和分析方法的不断完善，基因组学、转录组学等技术在基因层面为提高作物育种效率等做出了突出贡献，而近年来，基于质谱的代谢组学技术则为育种研究提供了更好的表型表征。由于代谢物小分子是作物表型变化的直接原因或结果，因此代谢组学可以作为基因型和表型之间的桥梁，通过充当分子表型为作物育种提供更直观的表型数据。

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应用方向

研究思路

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经典案例分享

案例一：不同茶树种群的代谢产物特征

Metabolite signatures of diverse Camellia sinensis tea populations

期刊：Nature Communications

影响因子：17.694

发表年份：2020年11月

茶树(Camellia sinensis)为研究众多不同种类、类型和不同含量的特殊代谢物的进化和多样性提供了一个良好的系统。本研究利用136个具有代表性的中国茶树品种的新鲜叶片进行转录组学和代谢组学分析，通过数据研究了中国茶树的系统发育类群和特定代谢物之间的关系。作者获得了925,854个高质量的单核苷酸多态性(SNPs)，使其能够将抽样的茶树样本精确分组到五个主要的分支。非靶向代谢组学分析在不同组茶树中通过正负离子模式分别检测到了129和199个可注释的代谢物，并且发现每个系统发育类群都含有其特征代谢物。特别的是，CSA茶树样本富含各类类黄酮化合物，包括黄酮醇、黄酮醇单/双糖苷、原花青素二聚体及酚酸等。作者的研究结果为茶树的遗传多样性和代谢物多样性提供了新的见解，对加速茶树育种具有重要意义。

图1 5组茶树材料中浓度显著差异的代谢物

案例二：代谢组学驱动的基因挖掘和玉米对盐胁迫耐受性的遗传改良

Metabolomics-driven gene mining and genetic improvement of tolerance to salt-induced osmotic stress in maize

期刊：New Phytologist

影响因子：10.323

发表年份：2021年3月

世界主要玉米产区的农田越来越受到盐胁迫的影响，这使得耐盐品种的育种对于全球玉米生产的长期可持续性是非常必要的。先前的研究表明，天然玉米品种耐盐性上表现出较大的多样性，但这种多样性背后的遗传变异仍然很少被发现和应用，特别是那些介导对盐诱导的渗透胁迫（SIOS）的耐受性。因此，作者通过代谢组学和重测序技术对玉米SIOS耐受性进行了研究。使用非靶向代谢组学分析了266个玉米自交系在对照和盐渍条件下的代谢组，并鉴定出37个SIOS耐受性的代谢生物标志物（METO1-37）。随后通过mGWAS分析将基因型到表型建模确定了10个候选基因，这些基因与SIOS耐受性和METO丰度显著相关。此外，作者验证了柠檬酸合酶，葡萄糖基转移酶和细胞色素P450是基因型-METO-SIOS耐受性关联的基础，并表明它们的有利等位基因成倍提高了精英玉米自交系的SIOS耐受性。作者的研究为玉米SIOS耐受性的自然变异提供了新的见解，这促进了玉米耐盐性的遗传改良，并展示了一种基于代谢组学的方法来挖掘与这种复杂的农艺性状相关的作物基因。

图2 玉米盐胁迫耐受性的预测模型

案例三：雷公藤基因组及雷公藤甲素生物合成相关细胞色素P450的鉴定

Genome of Tripterygium wilfordii and identification of cytochrome P450 involved in triptolide biosynthesis

期刊：Nature Communications

影响因子：17.694

发表时间：2020年2月

雷公藤甲素是从雷公藤中提取的微量天然产物，它具有抗肿瘤活性，特别是对胰腺癌细胞。阐明雷公藤甲素的生物合成途径和基因的鉴定是异源生物合成的先决条件。本研究中，作者报道了雷公藤的参考级基因组，发现雷公藤甲素生物合成途径基因的拷贝数受到最近的一次全基因组三倍化（WGT）事件的影响。作者进一步整合基因组、转录组和代谢组数据以绘制基因-代谢物网络。由此作者鉴定到了细胞色素P450蛋白（CYP728B70），其可以在雷公藤甲素生物合成中催化脱氢松香酸上的一个甲基氧化形成羧基。本研究提供的雷公藤基因组资源和候选基因为充分揭示雷公藤甲素生物合成途径及异源生物合成奠定了基础。

图3 代谢组学数据及代谢-基因关联网络图

参考文献

[1] Xiaomin Yu, Jiajing Xiao, Si Chen, et al. Metabolite signatures of diverse Camellia sinensis tea populations[J]. Nat Commun, 2020, 11(1):5586.

[2] Xiaoyan Liang, Songyu Liu, Tao Wang, et alMetabolomics-driven gene mining and genetic improvement of tolerance to salt-induced osmotic stress in maize[J]. New Phytologist, 2021, 230(6):2355-2370.

[3] Lichan Tu, Ping Su, Zhongren Zhang, et al. Genome of Tripterygium wilfordii and identification of cytochrome P450 involved in triptolide biosynthesis[J]. Nat Commun, 2020, 20;11(1):971.