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代谢组学技术在茶学中的应用研究进展

时间:2022-05-13 11:30:05 浏览次数:

摘要:代谢组学是通过考察生物体在受到外界干扰或者刺激后,其代谢产物变化情况或随时间的变化情况来研究生物体系的一门学科。代谢组学作为组学技术中一门新兴发展的学科,已经成为揭示生物体系变化规律的重要手段,在微生物学、植物学和营养学及医学等多个方面得到广泛运用。对代谢组学这门学科的基本概念、技術分析手段组成等进行简要概述,介绍代谢组学中的检测技术在茶学中栽培、加工、功效及品质控制等领域的应用研究进展,并对代谢组学技术在未来茶产业中的运用展开讨论。

关键词:代谢组学;质谱;色谱;核磁共振;GC-MS;茶学研究;茶叶鉴定

中图分类号: TS272  文献标志码: A  文章编号:1002-1302(2019)02-0024-05

组学(omics)定义为组的组成、结构、功能及各组分之间相互作用和联系的一门学科,主要包括基因组学(genomics)、转录组学(transcriptomics)、蛋白质组学(protemics)和代谢组学(metabolomics)。组学技术(omics technology)是整合基因组学、转录组学、蛋白质组学和转录组学的研究思路和方法,动态地揭示系统结构、功能相互作用和运行规律的技术[1]。组学技术发展至今,已经在营养学、药学、植物学等研究中得到广泛应用。

1 代谢组学概述

随着生命科学的发展,代谢组学成为继转录组学、蛋白质组学后兴起的一种组学技术。与其他组学技术不同,代谢组学是通过考察生物体在受到外界干扰或者刺激后,其代谢产物变化情况或随时间的变化情况来研究生物体系的一门学科[2]。将组群指标作为分析变化的基础,用高通量检测方法和多元数据处理将信息建模与系统结合起来,从而对生物体的代谢产物进行定性定量分析[3]。与蛋白质或DNA等生物高分子相比,代谢组学的研究对象一般是小分子,分子质量通常在1 000以下。代谢组学具有关注内源性化合物的特点,能够对生物体系中的小分子化合物进行良好的定性定量研究,化合物的微量变化都指示了与疾病、毒性、基因修饰或环境因子有关,内源性化合物的变化结论还具有可运用到药物开发研究等领域的特点[4]。基因和蛋白质具有相对严格的细胞特异性,而同一代谢物在任何物种中都具有相同的理化性质。

在20世纪70年代初,贝勒医学院(Baylor College of Medicine)就开展了代谢轮廓分析,主要是指用气象色谱-质谱(GC-MS)方法对有机酸、固醇及尿中药物代谢物进行分析,之后代谢轮廓分析方法被广泛应用于尿、血等生物样本中代谢物的定性与定量分析,此种对疾病进行筛选和诊断的方法延用至今[4]。进入20世纪80年代后,人们开始使用核磁共振和高效液相色谱技术来进行代谢轮廓的分析[5-6]。1997年,Oliver研究小组通过对酵母基因的遗传功能分析,运用对代谢产物的数量来定性评估的方法,率先提出了代谢组学的概念[7]。1999年,Nicholson等提出了代谢组学的概念[8]。2000年,Fiehn等提出了另一种代谢组学的概念,将生物体的代谢产物和生物基因功能联系起来,全面、定量分析生物体系中所有代谢物,并将其应用于植物学研究,指出每种基因型都具有一种独特的代谢轮廓[9]。正在高速发展的代谢组学,已经成为人类揭示生命现象变化规律的重要手段。

2 代谢组学研究技术

代谢组学研究需要高通量、高灵敏度且稳定性好的分析方法。目前,主要分析手段包括核磁共振(NMR)、液相色谱-质谱联用(LC-MS)、毛细管电泳-质谱联用(CE-MS)以及气象色谱-质谱等技术。

2.1 气象色谱-质谱技术

气象色谱是自1952年问世以后运用较为广泛的一种分离分析技术[10]。相对于其他代谢组学分析技术来说,GC-MS是代谢组学研究中最早应用的分析技术之一[11]。GC-MS适合分析低沸点、低极性的挥发性代谢物或者非挥发性代谢物,如氨基酸等衍生后成为具有挥发性的物质。由于重现性好、分辨率高、灵敏度高,具有大量标准代谢物谱图库,且仪器购置价格相对其他方法较低等特点,GC-MS是目前代谢组学的主要分析平台之一。GC-MS的主要不足是不符合要求的样品须要进行衍生化处理后才能够进行分析,比如难挥发或极性较大的代谢产物[4]。气象色谱能有效地分离复杂混合物,质谱能对这些化合物进行检测,两者的结合使 GC-MS 联用仪重现性好,性能稳定。

2.2 液相色谱及液相色谱-质谱联用技术

由于液相色谱的高分辨能力、质谱的高灵敏度及其联用后所带来的信息量提高,液相色谱及LC-MS技术在代谢组学分析手段中占据较大比例。高效液相色谱具有分析速度快、检测灵敏度高、分离效能高和应用范围广的特点,与气相色谱相比,更适用于大分子、高沸点和热稳定性差的化合物的分离分析。目前,只有少部分样品可以不经过预处理就能够很好地进行气相色谱分离[12]。近年来,LC-MS技术也得到了高速的发展,采用这种方法,可以简化样品的预处理,缩短对靶标化合物进行检测的时间,能够同时分析复杂基质中结构相似的化合物,同时还可以对生物样品中已知或未知的化合物进行测定。

2.3 超高效液相色谱-质谱技术

随着液相色谱分析对象的复杂化,高效液相色谱(HPLC)也须要做出更多的改进。超高效液相色谱与液相色谱相比,首先在分离性上有一定优势,分离度、分离速度、灵敏度、高背压明显提高;同时超高效液相色谱(UPLC)有更好的峰容量、灵敏度及分离效率,提供与质谱联用更适合的接口,使更多的代谢物更容易被检出,方法通量、灵敏度提高,能改善与质谱联用定性定量的分析结果。超高效液相色谱与质谱联用能为代谢组学研究提供更灵敏、更高效的平台。

2.4 毛细管电泳-质谱联用技术

毛细管电泳技术诞生于20世纪80年代的液相分离分析技术,以高压直流电场为驱动力、以毛细管为分离通道,并且将现代微柱分离技术与经典电泳技术高效结合。在代谢组学分析样品中含有许多离子性代谢物,如核苷酸、羧酸等,这些离子性代谢物不容易在反相色谱柱上停留,因技术原因不适合与质谱联用,因此HPLC-MS不适合离子性代谢物的分析。而毛细管电泳利用离子化合物质荷比不同来形成不同的迁移速率从而实现分离,因此CE-MS特别适合分析离子性代谢物[4]。1978年,CE-MS技术被首次报道[13]。之后又分别建立了阳离子代谢物、阴离子代谢物及多价阴离子代谢物的CE-MS分析方法[14-16]。

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