植物代谢组学知识讲解42页PPT

簇类分析(Hierarchical Cluster Analysis ,HCA) 簇类的独立软模式分类法(Soft In- dependent Modeling of Class Analogy， SIMCA)、PLS-DA (PLSDiscriminant Analysis) 、人工神经网络 (Artificial Neural Network，ANN) 等
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2 代谢组学的概念
在新陈代谢的动态进程中,系统地研究代 谢产物的变化规律,揭示机体生命活动代 谢本质的科学。
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Metabonomics ---英 Jeremy K.Nicholson 20世纪
90年代
生命体系对病理生理刺激或遗传改造所产生的 动态,多指标代谢响应的定量测定.
Metabolomics ---Oliver Fiehn需要,可将 组织行甲醇除蛋白、庚烷除脂肪及冻干等处 理),加至质谱仪,经历汽化,离子化、加速分离 及检测分析后即可得出相应代谢产物或是代谢 组的图谱。图谱中每个峰值对应着相应的分子 量,结合进一步的检测分析可以部分鉴定出化 学成分以及半定量关系。
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(3)常用的其他一些分析技术
代谢产物的检测、分析与鉴定是代谢组学 技术的核心部分,最常用的方法是有两种
NMR 质谱(MS)
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(1)核磁共振技术
原理
核磁共振技术核磁共振是原子核的磁矩在恒定 磁场和高频磁场同时作用，且满足一定条件时 所发生的共振吸收现，是一种利用原子核在磁 场中的能量变化来获得关于核信息的技术. 生 命科学领域中常用的有三种
气相色谱(GC) 高效液相色谱仪(HPLC) 高效毛细管电泳(HPCE)
往往与NMR或MS技术联用,进一步增加其灵敏性。 敏感性及分辨率提高,“假阳性”率也就越大

a 是有分泌功能的细胞产生的 b、 有的 从食物获得，有的在体内转化而来 c、 凡是活细胞都能产生酶 d、酶多数是 蛋白质 e、有的酶是蛋白质，有的是 固醇 f、 酶在代谢中有多种功能 g、 在新陈代谢和生殖发育中起调控作用 h、 酶只是起催化作用
A、cdh B、ace C、cdg D、agh
二、水分代谢
农业生产实践上，往往采用完全培 养液来进行无土栽培。
判断植物必需矿质元素的标准
1、由于缺乏某种矿质元素，植物的生长 发育发生障碍，不能完成它的生活史。
2、除去某种元素以后，植物体表现出专 一的病症，而且这种缺素症是可以利用 该种矿质元素进行预防和恢复的。
3、某种矿质元素在植物营养上表现的效 果是直接的。
1.细菌没有叶绿体，也没有摄食结构,依赖现 存的有机物生活。2.细菌内看不到细胞核。
细胞质
细胞壁
遗传物质
细胞膜
核糖体
鞭毛
细菌
细菌的细胞由细胞壁、细胞膜、细胞质等 部分构成，但没有形成的细胞核。除此以外， 有些细菌生有能够摆动的鞭毛，可以在水中 游动。有些细菌的细胞壁外面，有一层具有 粘性的荚膜，荚膜对细菌有一定的保护作用。 有些细菌在一定上的条件下，细胞里面形成 一个椭圆形的休眠体。叫做芽孢。芽孢的壁 很厚，对干旱、低温、高温等恶劣的环境有 很强的抵抗力。
三、矿质代谢
1、植物必需的元素 大量元素：C、H、O、N、S、P、K、Ca、
Mg 微量元素：Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl 2、矿质元素 （1）概念： （2）功能：
3、根吸收矿质元素的过程
主动运输（原理） 载体和能量
4、根吸收矿质元素的特点
（1）与根细胞的呼吸作用有关
为主动运输提供能量
第5节显微镜下的各种生物 （2课时）

代谢组学的研究内容
代谢产物的检测与
鉴定
通过高通量检测技术，对生物体 内的代谢产物进行定性和定量分 析，了解代谢产物的种类和含量 。
代谢产物的变化规
律
研究生物体在生理、病理或环境 因素刺激下，代谢产物的变化规 律及其与生物功能的关系。
代谢调控机制
探讨代谢产物的合成、分解、转 化等过程，揭示代谢调控的机制 和规律。
跨学科融合
代谢组学与生物信息学、人工智能等领域的交叉融合，将有助于从海量数据中挖掘出更 具有预测性和指ห้องสมุดไป่ตู้意义的生物标志物。
应用领域拓展
代谢组学在药物研发、毒理学、营养学等领域的应用将不断拓展，为相关领域的研究提 供新的思路和方法。
未来代谢组学的研究方向
提高检测灵敏度和特异性
进一步改进和完善代谢组学技术，提高检测灵敏度和特异性，是未 来研究的重要方向之一。
代谢组学研究的新方法与新技术
代谢组学研究的新方法
随着技术的不断发展，代谢组学研究的方法也在不断更新。近年来，新的研究方法如基于质谱的代谢组学、核磁 共振代谢组学和代谢组学数据分析方法等得到了广泛应用。这些新方法提高了代谢组学研究的灵敏度、特异性和 可重复性，为代谢组学研究提供了更可靠的工具。
代谢组学研究的新技术
代谢组学在个体化医疗和精准医学方 面具有广阔的应用前景。通过对个体 代谢产物的差异进行分析，可以为个 体化医疗和精准医学提供更准确的诊 断和治疗方案。
代谢组学与其他领域的交叉研究
营养学与代谢组学
营养学与代谢组学的交叉研究对于了解营养物质在生物体内的代谢过程和作用机制具有重要意义。通 过代谢组学的研究，可以深入了解不同营养物质对生物体代谢的影响，为营养学提供更科学的基础。

(2)人们大多选用阔叶的法国梧桐的枝叶而不是松树的枝叶进行实验，其 原因是 _______阔__叶__植__物_的__蒸__腾_作__用__比__针_叶__植__物_强__，__实__验_现__象__明_显________ 。 (3)实验结束后，在此茎的基部上方横切，观察到其中只有B部分呈红色， 如图乙。那么图中的A是植物茎中哪一部分结构？ ___髓____ 。 (4)随着蒸腾作用的进行，植物体内的水不断发生 ____汽__化__ (填写物态 变化名称)，会吸收周围大气的热量。
(3)实验现象：A、B、C三个装置液面下降幅度由大到小的顺序是 _____A__＞_B_＞__C___________ (用“＞”连接)。 (4)实验结论： ____叶__是__蒸_腾__作__用__的_主__要__器_官_________________ 。 (5)图(二)是观察该植物叶横切面显微镜下的一个视野。蒸腾作用的水分主 要是通过图中标注的 ____4___ 部位(填数字)散失的。
(4)如图2为显微镜中的两个视野，当视野①转到视野②时，操作显微镜的 正确步骤是 ____D____ 。 A.转动反光镜，选择平面镜 B.转动反光镜，选择凹面镜 C.像右下方移动玻片标本 D.向左上方移动玻片标本 (5)实验结束后，若发现物镜或目镜不干净时，要用 ___擦__镜__纸_ 把镜头 擦干净。
5.(2017，德阳)生物圈的水循环离不开植物的蒸腾作用。下列关于植物蒸 腾作用的叙述错误的是( D ) A.蒸腾作用主要通过叶片表皮的气孔完成 B.炎热的夏天，蒸腾作用能降低叶片表面的温度 C.蒸腾作用可以拉动水分和无机盐由根部运到茎、叶等部位 D.蒸腾作用散失了大量的水分，这对植物的生长是不利的
水的吸 收
部位： __根__毛__ 区 途径：水→根毛细胞→皮层细胞→导管 吸收条件：根毛细胞中的细胞液浓度 _大__于__ 土壤溶液浓度(当 细胞液浓度小于土壤溶液浓度时，细胞失水

2、样品制备
植物代谢物样品制备分为组织取样→匀浆→抽提→ 保存→样品预处理等步骤。
代谢产物通常用水或有机溶剂(如甲醇和己烷等)分 别提取,获得水提取物和有机溶剂提取物,从而把非极性 的亲脂相和极性相分开。
分析之前,通常先用固相微萃取、固相萃取和亲和 色谱等方法进行预处理。
然而植物代谢物千差万别,其中很多物质稍受干扰 结构就会发生改变,且对其分析鉴定所采用的设备也不 同。目前还没有适合所有代谢物的抽提方法,通常只能 根据所要分析的代谢物特性及使用的鉴定手段选择合适 的提取方法。而抽提时间、温度、溶剂成分和质量及实 验者的技巧等诸多因素也将影响样品制备的水平。
代谢组可以在代谢物的基础上来区分表型；不论是可见的 还是不可见的表型，用代谢物来区分可能是更无偏见的，至少 是提供了代谢水平上的证据。而且，在那些由突变体或者转基 因造成的可以测量的表型变化的实例中，代谢组的方法可以被 用来阐明造成这种可见表型的生化原因或者结果。
因此，以DNA、mRNA、蛋白质和代谢物为研究对象的基因组 学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学是一个密切相关的整体， 他们共同构成系统生物学（systems biology)。
目前最常用的分离分析手段： ◆气相色谱和质谱联用(GC/MS) ◆液相色谱和质谱联用(LC/MS) ◆毛细管电泳－质谱联用技术(CE/MS) ◆核磁共振(NMR) ◆傅里叶变换红外光谱与质谱联用(FTIR/MS)。
(1)气相色谱和质谱联用(GC/MS) 液相色谱和质谱联用(LC/MS)
色谱是最常用和有效的分离分析工具,其与质谱 的联用则可以完成从成分分离到鉴定的一整套工作。 GC/MS和LC/MS可以同时检测出数百种化合物,包括糖 类、有机酸、氨基酸、脂肪酸和大量不同的次生代 谢物。

写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
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结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End 演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
第五章 植物的次级代谢产物
第一节 植物的初生代谢与次生代谢 第二节 萜类 第三节 酚类 第四节 含氮次生化合物
第一节 植物的初生代谢与次生代谢
初生代谢产物：糖、脂类、核酸、蛋白等通过代谢产 生的，生命活动不可缺少的物质。
次生代谢产物：初生代谢产物经次生代谢衍生出来的 物质，包括萜类、酚类、含氮次生化 合物等。
细胞壁上 形成木质素
五、类黄酮类
（一） 种类
花色素苷 黄酮 黄酮醇 异黄酮（鱼藤酮，植物防御素）
(二）功能
1、呈现颜色：花色素苷，花色素 2、防御伤害：UV辐射（紫外线保护剂），抗氧化作用
天竺葵
B环差异 飞燕草
六、鞣质（单宁）
1、缩合鞣质：类黄酮聚合物； 2、可水解鞣质：酚酸和单糖的不均匀多聚物。
防御功能
第四节 含氮次生化合物
一、生物碱：含氮杂环化合物
古柯
天仙子
二、含氰苷，芥子油（181页）
叶表皮 叶肉
第五节 植物次生代谢的基因工程
花卉育种：花色 --CHS 农作物性状改良：
抗逆性 药用植物的细胞工程与
基因工程： 药物生产
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。

目前最常用的 分离分析手段
色谱原理：色谱法利用不同物质在不同
相态的选择性分配，以流动相对固定相 中的混合物进行洗脱，混合物中不同的 物质会以不同的速度沿固定相移动，最 终达到分离的效果。如此，各组分得以 在色谱柱中彼此分离，顺序进入检测器 中被检测、记录下来。
柱色谱图
气相色谱(GC)
气液色谱(GLC) 气固色谱(GSC) 柱色谱
成 就
Aharoni 等(2002)利用高分辨率的FTIR/MS联 用仪器对凤梨草莓(Fragaria ananassa)组织进 行了分析, 依据不同的质荷比找到了5848个 不同质量的物质, 并根据对化合物中高含量 的元素的精确质量测定估计了其中一半以 上物质的化学结构式。
4、海量数据分析
在不知任何相关知识背景的前提 下对样本信息进行分类，把具有 相似特征的目标数据归在相同的 源里，并用相应的可视化技术直 观的表达出来。 非线性映射NLM 谱图解析 数据 处理 统计学数据 分析 有监督方法 无监督方法 聚类分析HCA 主成分分析PCA 偏最小二乘法-判别分析PLS-DA 常 用
傅里叶变换红外光谱与质谱联用(FTIR/MS)
FTIR的工作原理：当样品经过红外光（通长波长在 0.8-25μm，4000-400/cm)的电磁辐射作用之后，在 一定的波长下，化学键吸收光能通过不同的方式发 生键的震动（拉伸或弯曲震动），并利用这些分子 中光的吸收和化学键的振动来鉴别代谢物组分。 优点：扫描速度快、光通量大、高分辨率、高信噪、 测定光谱范围宽。 缺点：不可区分异构物，且组分片段和一些络合离 子也对其有影响，由于离子抑制不能进行定量分析。
成 就
核磁共振（NMR）
核磁共振原理：指具有磁矩的原子核在高 强度磁场作用下，可吸收适宜频率的电磁 辐射，由低能态跃迁到高能态 的现象。如 1H、2D、13C、15N等原子核，都具有非零自 旋而有磁矩，能显示此现象。 优点：能够对样品实现非破坏性、无偏向 性，分析结果具有良好的客观性和重复性。 缺点：检测灵敏度较低，检测动态范围有 限，很难同时检测同一样品谱联用（GC/MS) 液相色谱和质谱联用（LC/MS)

将准备好的生物标本直接上样检测即可。所得的 1H-NMR谱 峰与样品中各化合物的氢原子对应,根据一定的规则或与标准 氢谱比照可以直接鉴定出代谢物的化学成分,信号的相对强弱 则反映了各成分的相对含量。不同样品的代谢物图谱有其特 质性,可对这种特质性进行区分、鉴定。
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质谱技术
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2020/6/27
色谱和电泳等分离方法与质谱分析相结合为复杂代谢物的在线分离 分析提供有力的手段，如气质联用(GC一MS)、液质联用LC一MS和毛 细管电泳一质谱联用(CE一MS)
代谢组学
代谢组 代谢物
细胞
组织
蛋白质组
蛋白质组学
基因组学
个体
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➢ 代谢组学研究目的
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代谢组学研究的目的是定量分析一个生物系统内所有代谢物的 含量。代谢组学分析可以指示细胞、组织或器官的生化状态， 协助阐释新基因或未知功能基因的功能，并可以揭示生物各代 谢网络间的关联性，帮助人们更系统地认识生物体。(举例）
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质谱
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将预处理的体液或是组织(根据实验需要,可将组织行甲醇除蛋白、 庚烷除脂肪及冻干等处理),加至质谱仪,经历汽化,离子化、加速分离及 检测分析后即可得出相应代谢产物或是代谢组的图谱。图谱中每个峰 值对应着相应的分子量,结合进一步的检测分析可以部分鉴定出化学 成分以及半定量关系。
3.植物样本：采集后迅速冷冻（液氮），冷冻保存。
4.血清样品：一定避免反复冻融。(血液收集在离心管中静置30分钟 进行凝固。离心取上清装载干净的离心管中，再离心5分钟，冷冻保 存。）
5.尿液样品：离心去沉淀，冷冻保存。
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➢ 数据采集（分析技术平台）

三、代谢组学在中药领域的应用
３ 代谢组学与中药安全性和毒性研究
中药成分复杂，难以用单一器官或组织的毒性反应来评 价。应用代谢组学可动态性无伤害地检测机体生物体液的 代谢图谱的变化，动态评价药物毒性效应，确保中药用药 的合理性和安全性
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代谢组学与中药活性成分代谢产物研究
植物代谢物是中药的活性成分，应用现代代谢组学研 究方法对药材进行指纹图谱水平鉴别，检测药物的活性 成分和代谢产物，将会对中药的研究起到一定的推动作 用。
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代谢组学与中药整体疗效、药效物质基础及 作用机制的研究
将代谢组学技术应用到中药的整体药效评价，作用机制 及药物在体内的“代谢指纹图谱”研究，不仅可监测药物 所引起的内源性代谢物的变化，推测 体内生化过程和状态 的变化，进而推断中药的作用机制，体内代谢物的终端信 息，寻找或阐明药物作用的靶点和受体。
（四）数据分析与表征
①主成分分析技术（PCA） ②偏最小二乘法-判别分析技术（PLS-DA）
一、代谢组学概况
(五)代谢通路分析
代谢组学通过代谢产物的量化表达来追踪机体 固有代谢通路的变பைடு நூலகம்，以通过代谢通路的调节表 达规律来阐明机体生理病理变化的实质和规律。
(六)代谢组学涵盖以下几个层次：
①代谢物靶标分析； ②代谢产物谱分析； ③代谢指纹图谱分析； ④代谢组学分析； ⑤代谢表型分析；
二、代谢组学的特点
代谢组学应用于中药的优势：
中药“多组分、多靶点、整合调节作用”的 特点与代谢组学“整体性、系统性、综合性” 相吻合。因此，代谢组学可能是现代科学中可 以概括中药抽象整体观思想的重要途径。
三、代谢组学在中药领域的应用
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代谢组学与中药质量控制研究
代谢组学研究可对各原料药有效成分进行动态监测，从 而克服采用不同原料药材的中药成品质量不稳定的弊端，并 对道地药材进行指纹图谱水平鉴别。

应用现代分析 手段定性和定 量研究内源性
代谢产物
分析生物体内 在毒物作用前 后代谢产物图
谱的变化
研究流程
研究流程
模式识别和统计分析，如 PCA、PLS-DA、OPLS-DA等。
解析与机体生理病 理有关的生化过程。
研究流程—实验对象
应用 较多
研究流程—样本来源
血、尿、唾液、 眼泪、精液、 羊水、脑脊液 以及各种腺体 的分泌ห้องสมุดไป่ตู้(胆汁、 胰液、肠液)
➢ 小分子的产生和代谢才是这一系列事件的最终结果； ➢ 其它组学所起的改变会在代谢层面放大，更灵敏； ➢ 代谢物结构与功能清楚，数量少，更容易解释其机理变化。
研究背景与意义—基本概念
代 一个细胞、组织、器官或者一个生物体中在
谢 组
某一特定状态下的所有内源性小分子代谢产 物的集合，如氨基酸、糖、有机酸、脂肪酸、 核苷、核苷酸等。
代谢组学概述
目录
1 背景、概念和意义
2 研究对象
汇
报
3 样品预处理与提取
内 容
4 代谢物检测技术
5 数据处理方法
6 研究计划
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？
• 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
研究流程—数据预处理
出导 化一归 化度标
PCA应用最广泛， 其将复杂的数据 降到一个低维空 间，以分类图的 形式显示出来， 能够获得研究对 象的可视化总览， 而不受其他人为 因素的影响。
SIMCA-P (Umetrics AB, Umeå, Sweden)