表型組學(xué)（Phenomics）和代謝組學(xué)（Metabolomics）是系統(tǒng)生物學(xué)的兩個(gè)重要分支，它們都致力于全面理解生物體的生物學(xué)特性，在研究的焦點(diǎn)和方法上有所不同。表型組學(xué)，研究的是生物體的表型，即生物體的物理、生理生化特征。這些特征是基因型和環(huán)境相互作用的結(jié)果。代謝組學(xué)則專(zhuān)注于生物體在特定生理或病理狀態(tài)下的代謝物變化。代謝物是細(xì)胞代謝活動(dòng)的產(chǎn)物，反映了生物體的實(shí)時(shí)生化狀態(tài)。代謝組學(xué)通過(guò)分析這些代謝物的組成和變化，可以揭示生物體對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制。

表型的變化往往與代謝物的變化密切相關(guān)。例如，植物在受到環(huán)境脅迫時(shí)，其形態(tài)和生理特征的變化（表型變化）往往伴隨著代謝途徑的調(diào)整（代謝物變化）。表型組學(xué)提供了生物體宏觀層面的特征信息，而代謝組學(xué)則提供了微觀層面的生化信息，為表型組學(xué)提供分子層面的解釋?zhuān)瑤椭芯空呃斫庥^察到的表型變化背后的生化機(jī)制，兩者相輔相成，互為補(bǔ)充。

表型組學(xué)一般通過(guò)高通量表型技術(shù)，如成像技術(shù)、傳感器技術(shù)等，來(lái)測(cè)量和分析生物體的形態(tài)、生理等特征。葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)、熒光高光譜成像技術(shù)、RGB成像、紅外熱成像等是表型組學(xué)研究的重要技術(shù)之一，是檢測(cè)植物初級(jí)代謝（光合作用）、次生代謝產(chǎn)物水平、形態(tài)學(xué)指標(biāo)、溫度（氣孔導(dǎo)度與蒸騰作用）的重要手段。

易科泰擁有多項(xiàng)表型技術(shù)及數(shù)款表型檢測(cè)設(shè)備，以下便通過(guò)4篇文章，分享易科泰表型技術(shù)產(chǎn)品在植物代謝組學(xué)研究中的具體應(yīng)用。

? PhenPlot輕便型表型分析系統(tǒng)

? PhenoTron^®植物表型成像分析系統(tǒng)

? FluorTron動(dòng)態(tài)葉綠素?zé)晒?/span>成像系統(tǒng)

? FluorTron^®多功能高光譜成像系統(tǒng)

? FluorCam葉綠素?zé)晒?/span>/多光譜熒光成像系統(tǒng)

? PlantScreen表型成像系統(tǒng)

? 高光譜成像分析平臺(tái)

（溫馨提示，參考文獻(xiàn)附后，可檢索原文詳細(xì)閱讀）

案例1：表型組學(xué)和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)合揭示了基于蛋白質(zhì)水解物的生物刺激劑在鹽脅迫處理的萵苣和番茄中的不同作用模式（Frontiers in Plant Science,2022）

植物表型組學(xué)正成為表征生物刺激劑作用模式的常用工具。將這種技術(shù)與其他組學(xué)，如代謝組學(xué)相結(jié)合，可以提供對(duì)植物中的生物刺激效應(yīng)的更深入的理解。然而，數(shù)據(jù)分析和組學(xué)數(shù)據(jù)集的解釋具有一定的難度。本研究便是基于此做的一次嘗試和示例。

研究者使用植物表型組學(xué)和代謝組學(xué)的方法，研究了不同來(lái)源的蛋白質(zhì)水解物（PH）生物刺激劑對(duì)生菜和番茄在控制條件和鹽脅迫下的影響。結(jié)果表明，生菜和番茄植物在鹽脅迫下的生理響應(yīng)不同，鹽脅迫主要在實(shí)驗(yàn)的后期階段影響了生菜的生長(zhǎng)和光合作用。另外，PHs改善了鹽脅迫條件下植物的生長(zhǎng)和光合作用性能，尤其在生菜中作用更明顯。代謝組分析則揭示了PH處理在番茄和生菜植物中激活了不同的代謝途徑，包括次級(jí)代謝、輔因子/電子載體和植物激素的生物合成。

通過(guò)高級(jí)統(tǒng)計(jì)工具處理大量數(shù)據(jù)集分析發(fā)現(xiàn)，在生菜中，與生物量相關(guān)的性狀（如體積）是與PH生物刺激劑相關(guān)性最高的性狀，而在番茄中，與光合作用相關(guān)的表型參數(shù)更為重要。研究表明，結(jié)合植物表型組學(xué)和代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)，可以更深入地理解生物刺激劑的作用機(jī)制，并為植物生長(zhǎng)促進(jìn)劑和減輕脅迫的生物刺激劑的開(kāi)發(fā)提供了新的見(jiàn)解。

案例2：污泥衍生的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生物刺激劑刺激水稻葉片光合作用和根系代謝，增強(qiáng)碳水化合物、氮和抗氧化劑的積累（Chemosphere,2024）

污泥衍生的的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生物刺激劑（SS-NB）含有腐殖酸和蛋白質(zhì)水解物，以及植物激素和化感物質(zhì)，這些外源物質(zhì)可以促進(jìn)植物光合作用，提高植物抗逆能力，另外還可以影響土壤生態(tài)和根系發(fā)育，從而刺激植物生長(zhǎng)。

江南大學(xué)等單位發(fā)表的這篇文章中，研究了SS-NB對(duì)水稻葉片光合作用和根系代謝的影響，以及它們?nèi)绾卧鰪?qiáng)碳水化合物、氮和抗氧化劑的積累。研究發(fā)現(xiàn)，與氮肥（NF）處理相比，SS-NB 通過(guò)提高光合效率、葉綠素含量、ATP合酶活性、Rubisco和NADPH產(chǎn)生來(lái)增強(qiáng)水稻葉片的光合作用。同時(shí)，SS-NB 還增加了水稻葉片和根系中的抗氧化能力。代謝組學(xué)分析顯示，SS-NB 應(yīng)用增加了水稻根和葉組織中的代謝物表達(dá)水平，包括碳水化合物、氮和硫代謝、氨基酸代謝、抗氧化劑和植物激素。研究結(jié)果表明，SS-NB 在作物生長(zhǎng)和逆境抗性改善方面具有很大的應(yīng)用潛力。未來(lái)的研究應(yīng)該關(guān)注SS-NB對(duì)作物品質(zhì)和安全性的影響，以及它如何可能抵消長(zhǎng)期施用化學(xué)肥料對(duì)作物生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中根系-微生物相互作用的不利影響。

案例3：基于LC-MS的代謝組學(xué)研究，揭示了鹽脅迫下蓖麻幼苗早期子葉和根的特定代謝變化（Plant Physiology and Biochemistry,2021）

幼苗發(fā)育早期是植物生命周期中最關(guān)鍵的時(shí)期之一，它極易受到不利環(huán)境條件的影響，特別是鹽脅迫的影響。蓖麻是著名的非食用油料作物和耐鹽作物，但其幼苗發(fā)育過(guò)程中耐鹽的機(jī)制和代謝反應(yīng)尚不清楚，本研究中，對(duì)16天大的蓖麻幼苗進(jìn)行6天的鹽脅迫，使用液相色譜-電噴霧離子化飛行時(shí)間質(zhì)譜（LC-ESI-TOF-MS）進(jìn)行代謝物分析，并結(jié)合生物量測(cè)量、葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)量、化學(xué)分析等方法，綜合分析在鹽脅迫下，蓖麻種子幼苗期的子葉和根系的特定代謝反應(yīng)。

研究揭示了蓖麻幼苗在鹽脅迫下子葉和根系的代謝變化，表明蓖麻能夠通過(guò)調(diào)整碳分配策略、重新編程多種代謝途徑以及在子葉和根系中積累不飽和脂肪酸來(lái)提高鹽耐受性。研究結(jié)果為理解蓖麻在鹽脅迫下的生理變化提供了新的見(jiàn)解，并為培育更具鹽耐受性的作物品種提供了基礎(chǔ)。

表：鹽脅迫條件下蓖麻子葉和根系的生理參數(shù)（其中框選部分為使用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上瘾@得的光合參數(shù)）

案例4：?jiǎn)我缓徒M合環(huán)境脅迫對(duì)擬南芥（Arabidopsis thaliana）代謝組學(xué)和光合作用水平的影響（bioRxiv,2024）

土壤鹽度水平的增加、干旱、高溫和低溫嚴(yán)重威脅著作物生長(zhǎng)，而這些環(huán)境脅迫經(jīng)常在作物生長(zhǎng)過(guò)程中組合發(fā)生。這項(xiàng)研究旨在深入了解單一和聯(lián)合非生物脅迫對(duì)擬南芥代謝組水平和光合水平的影響，以及脅迫的相互作用和協(xié)同效應(yīng)。研究揭示了，組合脅迫相比于單一脅迫在擬南芥次級(jí)代謝、氧化還原失衡和光合作用表現(xiàn)上產(chǎn)生了更強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)和影響。鹽脅迫及其組合對(duì)植物生化的影響最為顯著。

研究中，在播種38天后將擬南芥幼苗分為9組作并不同處理，每組4個(gè)生物學(xué)重復(fù)。在播種后的38,40,43,44,47天即T0,T1,T2,T3,T4，使用PlantScreen高通量表型分析系統(tǒng)對(duì)擬南芥進(jìn)行RGB成像、葉綠素?zé)晒獬上瘢詸z測(cè)不同處理對(duì)擬南芥形態(tài)學(xué)特征和光合特性的影響。另外，還通過(guò)脂質(zhì)過(guò)氧化、電解質(zhì)泄露、非靶向代謝物分析、靶向代謝物分析等方法進(jìn)行代謝組分析。

表型檢測(cè)結(jié)果顯示，鹽脅迫顯著減少了擬南芥的生長(zhǎng)面積，而其他脅迫（高溫、低溫、干旱）在實(shí)驗(yàn)期間對(duì)生長(zhǎng)面積影響不顯著。鹽脅迫從實(shí)驗(yàn)初期就影響了光系統(tǒng)II（PSII）的效率，導(dǎo)致代表光合作用效率的葉綠素?zé)晒鈪?shù)如Fv’/Fm’等下降。高溫脅迫在T4顯著增加了非光化學(xué)淬滅（NPQ），表明熱應(yīng)力下植物通過(guò)增加熱耗散來(lái)保護(hù)光合機(jī)構(gòu)。高溫和低溫脅迫，都沒(méi)有影響Fv/Fm，可能是由于處理時(shí)間較短。干旱脅迫的單一及組合處理均在9天的處理期內(nèi)未對(duì)光合作用機(jī)構(gòu)造成顯著影響，可能是短時(shí)間的脅迫未損傷PSII。

代謝組分析的結(jié)果顯示，脅迫及其組合顯著增加了過(guò)氧化氫（H2O2）和丙二醛（MDA）的積累，表明這些脅迫條件下植物經(jīng)歷了更高的氧化應(yīng)激。非靶向代謝組分析顯示，不同的單一和組合脅迫對(duì)擬南芥的代謝組有顯著影響，導(dǎo)致代謝物的差異表達(dá)。通過(guò)OPLS-DA模型和VIP分析，識(shí)別了在脅迫條件下具有區(qū)分潛力的代謝物，包括多酚類(lèi)、萜類(lèi)、核苷類(lèi)、生物堿和硫苷類(lèi)化合物。鹽脅迫及其組合顯著增加了脯氨酸的積累，而甜菜堿水平在大多數(shù)脅迫條件下降低。

參考文獻(xiàn)：

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