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农学代谢组学 | 使用GC-MS分析来自同源的三种玉米(Zea Mays L.)品种的代谢物和代谢途径

前言
 

2020年10月黑龙江省八一农垦大学课题组在Scientific Reports期刊发表的题为 “Analysis of metabolites and metabolic pathways in three maize (Zea mays L.) varieties from the same origin using GC–MS”的研究成果,通过气相-色谱质谱联用技术(GC-MS代谢组学),对三种玉米品种进行了代谢组学分析,初步比较并分析了三个玉米品种的具体代谢物和代谢机制,确定了三个品种的特异性代谢物和代谢途径。表明不同玉米品种之间不同的代谢机制是导致玉米品种表现出不同特性和品质的主要因素。
 

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中文标题:使用GC-MS分析来自同源的三种玉米品种的代谢物和代谢途径

研究对象:玉米

发表期刊:Scientific Reports

影响因子:3.998

运用生物技术:气相-色谱质谱联用技术(GC-MS代谢组学)


研究背景
 

玉米(Zea Mays L.)是世界上最广泛种植和产量最高的谷物作物,在三种主要粮食作物(玉米、小麦和水稻)中,玉米是中国重要的粮食作物、饲料作物和经济作物,在中国农业生产中起着重要的作用。

黑龙江省是中国耕地面积最大的省份,是我国有名的三个黑土地产区之一。三个玉米品种,即金玉88号(金玉88)、华农18号(华农18)和德美亚9号(德美亚9),是黑龙江省种植的主要玉米品种。这三个品种的抗旱能力强,适合在黑龙江省种植。然而,不同品种玉米的代谢物组成和含量可能不同,因为不同品种玉米生长发育过程中产生的代谢产物和代谢机制不同。因此本文作者研究了同一产地三个不同品种玉米的代谢产物和代谢机制,发现了玉米代谢物的自然差异,总结了不同品种玉米代谢物的相似性和差异性,并介绍了这些结果的可能原因。
 

代谢组学系统研究所有分子量小于1000的小分子内源代谢物。目前,气相色谱-质谱联用技术(GC-MS代谢组学)由于其优异的色谱分离度、高灵敏度和高分辨率,在代谢组学中常被用作分析方法。研究者们通常使用GC-MS代谢组学技术来区分两种植物的代谢物,并确定它们之间存在显著差异。由于代谢组学的具体特性,需要建立标准品数据库,为数据分析提供依据。目前,我国还没有完整的玉米数据库分析系统;因此,这篇文章进行了进一步研究,为后续分析提供依据。
 

研究思路

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研究方法
 

1.实验材料:

所研究的传统非转基因玉米品种(Zea mays L.)是从黑龙江省肇州县获得的。三个品种的玉米,即金玉88(JY88)、华农18(HN18)和德美亚9(DM9),在保护范围内按照代表性的抽样原则,采用棋盘抽样法随机采集。


研究结果
 

1、使用GC-MS对提取的代谢物进行分析
 

在金玉88中检测到33种代谢物和3种未知结构代谢物,而在华农18中检测到34种代谢物和2种未知结构代谢物。在德美亚9样品中检测到42种代谢物,其中5种代谢物的结构未知。在三个玉米品种的代谢产物中,通过GC-MS代谢组学和标准品检测共检测到59种代谢产物,有5种未知结构的代谢产物,且代谢产物的相对含量均在0.1%以上。
 

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图1 | 玉米代谢物的GC-MS总离子色谱图

(a) 金玉88玉米代谢物的GC-MS总离子色谱图;

(b) 华农18玉米代谢物的GC-MS总离子色谱图;

(c)德美亚9 玉米代谢物的GC-MS总离子色谱图。


已知结构的代谢物可分为糖及其衍生物,脂肪酸及其衍生物,醇,有机酸和中间体。
 

初级糖及其衍生物是塔呋喃呋喃糖、阿拉伯糖、苏糖、山梨糖、D-半乳糖、D-木糖、D-葡萄糖、塔格糖、果糖、塔洛糖、艾洛糖、D-半乳糖苷、木吡喃糖、lyxofuranose、呋喃果糖、蔗糖、甘露二糖和麦芽糖。

脂肪酸及其衍生物主要是棕榈酸、10、13-十八碳二烯酸、7-十八碳烯酸、十四烷酸、十四烷酸、亚油酸、十八烷酸、13-十八烯酸和α-亚麻酸。

主要包括甘油、鼠李糖醇、四甘醇、赤藓糖醇、甘露糖醇、D-葡萄糖醇和核糖醇。

有机酸包括丙酮酸、抗坏血酸。

中间体由十二烷、乙酰胺、N-乙酰吲哚、茴香脑、苯基、葡萄糖醛酸、肌醇、尿苷、顺式-13-二十二酰胺、24-甲基-5-胆固醇-3-醇、菜油酚、β-谷甾醇、stigmast-5-ene-3β和ergostane组成。

另外,相对少量的多种物质,例如甘露吡喃糖苷、三醇、脱氧核糖、呋喃核糖。由于这些物质的相对含量小于0.1%,因此无法在总离子流图中显示。
 

2、不同玉米品种代谢途径及机制分析
 

在差异代谢产物中,主要代谢产物12种和其他中间产物。与KEGG数据库相比,发现实验中的特定代谢产物主要涉及碳水化合物代谢,能量代谢和脂质代谢。
 

金玉88的代谢途径及机理分析

金玉88的特定代谢物被确定为苯基酸、13-十八碳烯酸和13-二十二碳二烯酰胺。在这些代谢产物中,磷在碱性条件下通常以磷酸盐形式和磷酸氢盐形式存在于自然界中,并且在实验过程中衍生试剂为碱性。苯酸是一种化学试剂。通常用于诸如配位聚合物、催化剂和杂环聚合物的材料中。推测玉米中苯基酸的检测可能归因于苯环与游离磷和羟基结合的反应。
 

华农18的代谢途径和机制分析

华农18的特定代谢物以十二烷、甘油、半乳糖、甘露醇、岩藻糖、蔗糖、麦芽糖、谷甾醇、豆甾醇和麦角固醇的形式呈现。特定的代谢物可以主要分为糖、植物固醇和中间体,它们主要参与脂肪酸的合成和分解以及糖的代谢。

华农18的特定代谢产物主要是糖和植物固醇。这种玉米具有良好的适口性,易于咀嚼,消化和吸收。华农18玉米可以减少血液中的胆汁酒精并软化血管,预防和治疗冠心病。因此华农18玉米具有较高的经济价值。
 

德美亚9的代谢途径和机制分析

该品种的特定代谢物为乙酰胺、四甘醇、D-葡萄糖、木糖吡喃糖、木呋喃糖、十四烷酸、海藻糖和尿苷。这些特定的代谢物是糖、脂肪酸、有机酸和中间体,被确定主要参与脂肪酸的合成和分解以及糖的代谢。

当代谢途径涉及代谢物时,要表达的最终物质会导致玉米品种不同。例如,华农18中的甘油参与三酰基甘油的生物合成途径,而三酰甘油是脂蛋白的重要组成部分,并在新陈代谢中起重要作用,成为食物中能量和脂肪的媒介。三酰甘油的能量密度是糖和蛋白质的两倍,其含量也与动脉硬化有关。

德美亚9的特定代谢产物确定为糖、脂肪酸和有机酸。因此这种玉米比其他两个品种具有更好的质量和更高的产量。
 

不同的玉米品种具有特定的代谢产物。尽管三个玉米品种来自同一起源,但它们具有各自的特征,它们的代谢途径和机制仍然不同。在这三个品种中,华农18是主要的抗病品种,且具有较大的籽粒产量。通过对三个玉米品种的比较分析,发现德美亚9和华农18之间的差异主要在植物甾醇中。据推测,植物固醇的差异使华农18比德美亚9对疾病的抵抗力更强,并且谷物的堆积密度高于德美亚9。金玉88与其他两个品种最大的不同。因此,它的外观和抗病性都比其他两个品种差。还发现华农18的营养价值最高,而金玉88的营养价值最低。面对同一环境的变化,这三个玉米品种表现出不同的代谢机理和对不同代谢产物的反应,玉米的营养和价值也发生了变化,这也可能归因于不同玉米品种中基因表达谱的不同。
 

相关讨论
 

综上所述,通过基于GC-MS的非目标代谢谱分析,开发了三种不同玉米品种(Zea mays L.)的代谢组学,并对玉米中的代谢物进行了分离和鉴定。

1.发现在金玉88中存在三种特定的代谢物(脂肪酸),主要参与脂肪代谢。

2.发现了华农18的11种特定代谢产物,在这11种代谢物中,糖含量最高,其次是植物固醇,并且只有一种脂肪酸和一种中间产物。在KEGG数据库中找到了植物固醇的代谢途径,它也参与了脂肪和糖的代谢。

3.发现了德美亚9的十种特定代谢产物,其中糖类含量最高,其次是脂肪酸,中间产物和有机酸。这些代谢物参与脂肪和糖的代谢。

华农18具有抗病能力,并且具有较大的谷粒产量。华农18对疾病的抵抗力比德美亚9高,并且谷物的堆积密度高于德美亚9。金玉88的性能比其他两个品种差。华农18具有最高的营养价值,而金玉88具有最低的营养价值。这些结果表明,三个玉米品种的代谢产物和代谢机理不同,导致三个玉米品种表现出不同的特性。玉米不同品种表现出的不同特性可能与不同代谢产物的多样性和含量有关。


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这项研究旨在比较三个同源的玉米品种间的代谢物组成差异,进一步分析了三个品种间代谢机制和代谢途径的不同。此研究使用GC-MS代谢组学分析了提取得到的三品种玉米的全部代谢物,气相色谱-质谱分析确定了在各玉米品种中的数种涵盖脂肪酸、糖类和固醇类的特殊代谢物。这些分析结果的证明了三个品种的玉米由于代谢产物和代谢机理不同,从而导致了不同品种中表现出了不同的特性。


文末看点


鹿明生物建立了GC-MS/LC-MS代谢组、靶向代谢组、拟靶向代谢组、脂质组等代谢组学技术平台以及相应的数据整合分析平台,并建立了科学完整的服务流程和精细规范的操作标准。及云计算分析平台等大型检测设备以及完整的样品前处理系统和GCMS-LUG数据库—GC-MS广靶筛选、LC-MS 500+数据库—LCMS广靶筛选、LC-MS-物种定性库-定性等数据分析系统(拥有各类分析软件及数据库)。
 

参考文献:

1. Li, L. S., Pan, S. Q. & Zhang, S. W. Current situation and development countermeasures of corn seed processing industry in China. J. Jilin Agric. Univ. 01, 116–120 (2001).

2. Ye, Y. S., Sun, J. & Hao, N. Current status of corn germplasm resources innovation in China. Seeds 27, 76–78 (2008).

3. Roh, K.B., Kim, H. & Shin, S. Anti-infammatory efects of Zea mays L. husk extracts. BMC Complementary Altern. Med.16, 298 (2016).

4. Shao, Y. & Le, W. Recent advances and perspectives of metabolomics-based investigations in Parkinson’s disease. Mol. Neurodegen. 14, 3 (2019).

5. Krone, N., Hughes, B. A. & Laver, G. G. Gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) remains a pre-eminent discovery tool in clinical steroid investigations even in the era of fast liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC/MS/MS). J. Steroid Biochem. 121, 496–504 (2010).


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文章来源于鹿明生物

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