植物響應(yīng)鹽脅迫組學(xué)研究進(jìn)展

李煥勇，楊秀艷，唐曉倩，張華新

(1 國家林業(yè)局鹽堿地研究中心，北京 100091；2 林木遺傳育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091)

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植物響應(yīng)鹽脅迫組學(xué)研究進(jìn)展

李煥勇1,2，楊秀艷1,2，唐曉倩1,2，張華新1*

(1 國家林業(yè)局鹽堿地研究中心，北京 100091；2 林木遺傳育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091)

鹽脅迫對植物生長的影響主要表現(xiàn)在離子毒害、滲透脅迫以及次級氧化脅迫等，植物遭受鹽脅迫時(shí)迅速啟動(dòng)相關(guān)基因，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控，進(jìn)而合成相應(yīng)蛋白質(zhì)來控制代謝物合成和離子轉(zhuǎn)運(yùn)以調(diào)節(jié)滲透平衡。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)迅速發(fā)展，對植物耐鹽機(jī)理研究也深入到了轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組及離子組等水平，“組學(xué)”研究為耐鹽基因鑒定及標(biāo)志性代謝物的挖掘等提供了有力手段。該文對近年來國內(nèi)外有關(guān)轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、離子組學(xué)的主要研究方法及在鹽脅迫中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以揭示植物耐鹽機(jī)理，為優(yōu)良耐鹽堿植物的篩選與培育提供支持。

鹽脅迫；轉(zhuǎn)錄組學(xué)；蛋白質(zhì)組學(xué)；代謝組學(xué)；離子組學(xué)

土壤鹽漬化已成為全球重大資源與環(huán)境問題，鹽漬土分布影響了植物在自然界中的地理分布，限制了植物的生產(chǎn)力，同時(shí)威脅糧食安全[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界鹽堿地總面積已超過9.54×108hm2[2]，且每年以1×106～1.5×106hm2的速度增長[3]。中國各類鹽堿土總面積約為9.9×107hm2，約占中國總面積的10.3%，主要分布在東北、西北、華北內(nèi)陸以及沿海地區(qū)等[4]。廣袤的鹽漬土為中國重要土地資源，合理開發(fā)及利用鹽堿地，對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及生態(tài)可持續(xù)發(fā)展等具有重要意義。

一定濃度鹽分對植物會(huì)造成離子毒害、滲透脅迫與次級氧化脅迫等，在長期進(jìn)化及環(huán)境適應(yīng)過程中，植物形成了一系列響應(yīng)鹽脅迫的生理及分子機(jī)制，主要包括通過離子轉(zhuǎn)運(yùn)及區(qū)隔化維持離子平衡、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及代謝物的形成維持滲透平衡、抗氧化酶積累及活力提高抵抗氧化脅迫、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子及鹽脅迫相關(guān)基因的調(diào)節(jié)等[5-7]。

植物對鹽脅迫響應(yīng)為一個(gè)復(fù)雜生理過程，為應(yīng)對鹽脅迫所造成的傷害，在遭受脅迫時(shí)首先會(huì)在基因表達(dá)水平做出迅速反應(yīng)，繼而進(jìn)行不同轉(zhuǎn)錄調(diào)控，由轉(zhuǎn)錄后RNA控制相應(yīng)蛋白的合成，最后控制代謝物合成來調(diào)節(jié)植物體代謝平衡。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的迅速發(fā)展，對植物耐鹽性研究也深入到了基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)及離子組學(xué)等水平。利用“組學(xué)”技術(shù)研究植物對鹽脅迫的響應(yīng)，可更全面揭示植物耐鹽機(jī)理，并為耐鹽基因鑒定、標(biāo)志性代謝物及代謝通路挖掘等提供有力手段[8-9]，同時(shí)為優(yōu)良耐鹽堿植物篩選與培育提供支持，具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

1 轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究

1.1 轉(zhuǎn)錄組學(xué)主要研究內(nèi)容

轉(zhuǎn)錄組指所有RNA在某特定組織或細(xì)胞中表達(dá)及轉(zhuǎn)錄調(diào)控情況，作為研究生物體功能的核心手段可以從全基因組水平分析鹽脅迫下基因的響應(yīng)變化[9]。在不同濃度或時(shí)間鹽脅迫下，轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)包含了不同處理的差異基因數(shù)量以及相關(guān)表達(dá)情況。通過研究脅迫后植物轉(zhuǎn)錄組學(xué)，可以明確生物體在脅迫后基因表達(dá)情況、發(fā)生的結(jié)構(gòu)變異以及是否有新基因出現(xiàn)等。

1.2 轉(zhuǎn)錄組學(xué)主要研究方法

轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究方法有多種，而高通量測序技術(shù)具有花費(fèi)少、便捷及測序數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于基因表達(dá)差異分析[10-11]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)主要研究技術(shù)有：基于雜交技術(shù)的cDNA芯片技術(shù)和寡聚核苷酸技術(shù)等、基于測序技術(shù)的Sanger測序和EST文庫測序等及基于新一代高通量測序技術(shù)的RNA-Seq等。傳統(tǒng)基因芯片技術(shù)廣泛應(yīng)用于基因鑒定、差異基因篩選、非編碼RNA與DNA的修飾以及SNP鑒定等方面[11-15]。但該技術(shù)存在靈敏度低、需要已知序列信息等問題，對低豐度基因植物及無參考基因組物種的研究存在限制[16]。高通量測序技術(shù)在近年來發(fā)展迅速，轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究技術(shù)也在不斷更新，RNA-Seq技術(shù)因具有通量高、靈敏度高、分辨率高等諸多優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于植物抗逆研究中。

1.3 鹽脅迫下轉(zhuǎn)錄組學(xué)應(yīng)用研究

RNA-Seq技術(shù)已應(yīng)用于多種植物的轉(zhuǎn)錄組測序中，例如油菜(BrassicacampestrisL.)、水稻(OryzalatifoliaDesv.)、大麥(HordeumvulgareL.)、錦雞兒[Caraganasinica(Buchoz) Rehd.]等[17-20]。通過對鹽脅迫下轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了許多與次生代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)錄等相關(guān)的耐鹽基因。植物在逆境條件下轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生變化，主要有兩類基因參與逆境脅迫響應(yīng)：一類基因主要編碼控制代謝物形成相關(guān)蛋白，維持代謝及滲透平衡；另一類為編碼與信號受體及轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)蛋白基因，確保植物體內(nèi)正常信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[21]。

對鹽脅迫后大麥轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，脅迫誘導(dǎo)了大量基因的表達(dá)，其中以脯氨酸合成酶基因和葉綠素結(jié)合蛋白相關(guān)基因表達(dá)量豐富[22]。對鹽脅迫后棉花(Gossypiumspp)、大豆[Glycinemax(Linn.) Merr.]、苜蓿(MedicagosativaL.)、大麥等植物轉(zhuǎn)錄組學(xué)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與次生代謝物及激素合成運(yùn)輸、氮吸收、活性氧(ROS)清除、電子轉(zhuǎn)運(yùn)與交換、等離子體膜穩(wěn)定以及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等有關(guān)基因發(fā)生了差異表達(dá)[23-26]。Zhou等[27]研究野生型水稻(OryzarufipogonGriff.)與栽培稻(OryzasativaL.)在鹽脅迫下葉與根轉(zhuǎn)錄組學(xué)變化，測序數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)葉片與根部分別約有6 867與4 988個(gè)轉(zhuǎn)錄本存在差異表達(dá)，野生型水稻中發(fā)現(xiàn)了響應(yīng)鹽脅迫的分子機(jī)制，許多轉(zhuǎn)錄因子參與鹽脅迫后多個(gè)代謝調(diào)控途徑，為耐鹽性水稻的培育提供了克隆基因及闡明了水稻響應(yīng)鹽脅迫的分子機(jī)制。

植物在不同脅迫條件下表現(xiàn)出的響應(yīng)也不同，通過對其轉(zhuǎn)錄組分析可以得到許多與特定脅迫(如鹽脅迫、溫度脅迫、水分及干旱脅迫等)相關(guān)的差異表達(dá)基因，明確相關(guān)脅迫耐受機(jī)制，為研究植物抗逆分子機(jī)制以及抗逆品種培育奠定基礎(chǔ)。

2 蛋白質(zhì)組學(xué)研究

2.1 蛋白質(zhì)組學(xué)主要研究內(nèi)容

生物體內(nèi)遺傳信息按照中心法則(DNA-mRNA-蛋白質(zhì))完成轉(zhuǎn)錄和翻譯過程，整個(gè)生物過程存在轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、翻譯與翻譯后調(diào)控四個(gè)方式調(diào)控，生物體內(nèi)蛋白表達(dá)水平并不能用轉(zhuǎn)錄后mRNA的含量來衡量[28-30]。蛋白質(zhì)是基因翻譯后的第一產(chǎn)物，作為生命活動(dòng)重要執(zhí)行者直接表現(xiàn)生物體的生命活動(dòng)規(guī)律，因此全面研究生物體內(nèi)蛋白質(zhì)變化可以進(jìn)一步解釋基因表達(dá)情況。在20世紀(jì)90年代Wasinger等[31]將對基因產(chǎn)物研究的成果發(fā)表于Electrophoresis雜志，并提出蛋白質(zhì)組。隨著各國科學(xué)家對蛋白質(zhì)組的深入認(rèn)識，將其研究主要集中在蛋白質(zhì)表達(dá)情況、翻譯后的修飾、蛋白與蛋白之間的互作等，使對生命科學(xué)研究步入后基因組時(shí)代。蛋白質(zhì)組學(xué)研究主要集中于不同種類蛋白質(zhì)的分離、蛋白質(zhì)的鑒定、生物信息學(xué)分析等3個(gè)方面。

2.2 蛋白質(zhì)組學(xué)主要研究方法

蛋白質(zhì)組學(xué)研究的前提是盡可能完全提取與分離組織及細(xì)胞中所有蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)分離為組學(xué)研究的核心技術(shù)[32]。蛋白質(zhì)分離分析技術(shù)主要有基于凝膠電泳分離技術(shù)體系及基于液相色譜分離技術(shù)體系兩大類，對蛋白質(zhì)的表達(dá)、定量研究均依照上述兩類方法[33]。蛋白質(zhì)差異分離最常用方法為20世紀(jì)70年代產(chǎn)生的雙向凝膠電泳技術(shù)[34]，該技術(shù)主要依據(jù)蛋白質(zhì)具有不同等電點(diǎn)及分子量的特點(diǎn)，利用等電聚焦將相同分子量或等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)聚集在某一相同位置，利用聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAGE)將所有蛋白質(zhì)中具有相同分子量的蛋白分布于二維平面上，但該技術(shù)存在重復(fù)性差、大分子及疏水性差蛋白難以分離鑒定等問題[35-36]。熒光差異雙向電泳(2D-DIGE)技術(shù)可以利用熒光染料將蛋白質(zhì)標(biāo)記，使不同蛋白質(zhì)在同一膠塊上能夠被分離和鑒別，可以提高實(shí)驗(yàn)的精確度及可重復(fù)性[37-38]。隨著科技的發(fā)展，色譜技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，液相色譜(LC)逐漸成為蛋白分離技術(shù)的一種常用方法，常用的主要有二維液相色譜(2D-LC)、二維毛細(xì)管電泳(2D-CE)、多維液相色譜(MDLC)以及雙向高效液相層析(2D-HPLC)等，色譜與質(zhì)譜技術(shù)聯(lián)用已應(yīng)用于蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)分析中。

蛋白質(zhì)分離后鑒定技術(shù)主要有Edman 降解法、氨基酸組成分析法以及質(zhì)譜技術(shù)等，質(zhì)譜技術(shù)與傳統(tǒng)鑒定技術(shù)相比具有靈敏度高、準(zhǔn)確性好、高通量以及自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，而成為蛋白質(zhì)組學(xué)的重要技術(shù)手段[39]。常用質(zhì)譜技術(shù)主要有多維蛋白質(zhì)鑒定技術(shù)(MudPIT)，指將蛋白消化得到的肽段，上樣于強(qiáng)陽離子交換柱，洗脫到反向色譜柱上，利用洗脫液洗脫反向色譜柱，對洗脫液直接用質(zhì)譜進(jìn)行解析；同位素編碼親和標(biāo)簽技術(shù)(iCAT)，通過iCAT試劑標(biāo)記，然后蛋白酶切，進(jìn)行親和色譜分離、質(zhì)譜鑒定，可以對差異蛋白定性、定量分析；同位素同重標(biāo)簽定量技術(shù)(iTRAQ)，利用iTRAQ試劑與氨基酸N端及賴氨酸側(cè)鏈鏈接的胺標(biāo)記同重元素的特性，分離后同時(shí)對多種樣品絕對和相對定量[40-43]。

利用生物信息學(xué)對蛋白質(zhì)組學(xué)高通量數(shù)據(jù)分析，得到蛋白質(zhì)相應(yīng)生物學(xué)信息，根據(jù)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能預(yù)測，可說明蛋白質(zhì)的特殊空間構(gòu)象及生物學(xué)意義，目前常見的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫有Swiss-PROT、SMART、PDB、HSSP、EMBL、CITH、NCBI等[44]。通過生物信息學(xué)利用數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理，對不同數(shù)據(jù)比對分析，確定蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)生物學(xué)功能及所控制的生物學(xué)反應(yīng)，從而更系統(tǒng)認(rèn)識蛋白質(zhì)在生命活動(dòng)中的意義。

2.3 鹽脅迫下蛋白質(zhì)組學(xué)應(yīng)用研究

逆境脅迫下植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，因此對鹽脅迫后植物蛋白質(zhì)組學(xué)研究可以了解脅迫對植物造成的傷害原理及植物對高鹽環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制。近年來，人們已對擬南芥(Arabidopsisthaliana)、水稻、小麥(TriticumaestivumL.)、玉米(ZeamaysL.)、大豆(Glycinemax(Linn.) Merr.)等甜土植物[45-50]以及堿蓬(Suaedaglauca(Bunge) Bunge)、鹽角草(SalicorniaeuropaeaL.)、鹽芥(Thellungiellasalsuginea)等鹽生植物[51-53]的不同組織及器官蛋白質(zhì)組學(xué)進(jìn)行分析研究，共整合出鹽脅迫下表達(dá)模式發(fā)生改變的約1 429種蛋白質(zhì)，總結(jié)了其對于鹽脅迫的應(yīng)答機(jī)制[54]。

鹽脅迫影響作物產(chǎn)量與脅迫條件下光合作用降低密切相關(guān)，在鹽脅迫時(shí)水稻、小麥等作物的光合碳固定蛋白酶、光系統(tǒng)Ⅱ復(fù)合蛋白及光修復(fù)蛋白等發(fā)生差異表達(dá)，影響光合作用及作物產(chǎn)量[55-56]。同時(shí)水稻在短時(shí)間脅迫內(nèi)，UDP-果糖-焦磷酸化酶、Rubisco活化酶等參與能量代謝及蛋白質(zhì)加工相關(guān)過程酶的表達(dá)也受到影響[57-58]。 同時(shí)Askari等[59]對鹽生植物堿蓬在鹽脅迫后蛋白質(zhì)組學(xué)研究也發(fā)現(xiàn)鹽脅迫誘導(dǎo)的與碳水化合物及能量代謝有關(guān)的蛋白質(zhì)減少。

植物抗氧化系統(tǒng)在鹽脅迫時(shí)會(huì)誘導(dǎo)抗氧化相關(guān)蛋白表達(dá)，對抵抗鹽脅迫發(fā)揮重要作用。擬南芥、水稻在鹽脅迫時(shí)與超氧化物歧化酶(SOD)活性有關(guān)的萌發(fā)素類蛋白及抗壞血酸過氧化物酶等表達(dá)豐富[60-61]。對鹽脅迫下2種不同耐鹽型大麥蛋白質(zhì)組研究也發(fā)現(xiàn)，耐鹽性強(qiáng)大麥根系中與活性氧清除有關(guān)的蛋白積累較多[62]。

滲透調(diào)節(jié)是植物適應(yīng)鹽脅迫發(fā)生的重要生理反應(yīng)，為維持離子平衡，鹽脅迫時(shí)滲調(diào)蛋白、環(huán)腺苷酸門控離子通道(CNGC)、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及H+-ATP酶等蛋白發(fā)生特異表達(dá)[60,63-64]。

植物耐鹽性受多基因網(wǎng)絡(luò)共同調(diào)控，在生長過程中各種信號傳導(dǎo)通路及代謝網(wǎng)絡(luò)相互交錯(cuò)關(guān)聯(lián)。高通量蛋白質(zhì)組學(xué)可以研究植物響應(yīng)鹽脅迫時(shí)代謝調(diào)控以及信號調(diào)控等相關(guān)蛋白的變化，為揭示植物響應(yīng)鹽脅迫下蛋白變化及整體耐鹽機(jī)制提供技術(shù)支持。

3 代謝組學(xué)研究

3.1 代謝組學(xué)研究內(nèi)容

隨著基因組學(xué)發(fā)展，大量生物基因組測序的完成使生命科學(xué)研究領(lǐng)域步入了后基因組時(shí)代。生物體基因組信息豐富，但部分散碎基因信息使對生物體認(rèn)識缺乏系統(tǒng)性，而代謝產(chǎn)物作為基因轉(zhuǎn)錄與蛋白修飾的最終產(chǎn)物，隸屬特定代謝通路，因此構(gòu)建完整代謝通路及挖掘相關(guān)基因信息有助于對生物體全面認(rèn)識。20世紀(jì)80年代，Nicholson研究組利用核磁共振(NMR)技術(shù)分析了大鼠的尿液，研究了在病理以及遺傳修飾條件下細(xì)胞或組織在生物體內(nèi)代謝物變化，為疾病診斷及治療提供了依據(jù)，并在1999年首次提出了代謝組學(xué)概念[65]。

代謝組學(xué)研究主要集中于分子量小于1 000的代謝物在生物體、組織或細(xì)胞中的定性或定量，F(xiàn)iehn等[66]根據(jù)研究目標(biāo)及意圖不同將代謝物分析分為4個(gè)層面：(1)代謝物靶向分析，主要針對某個(gè)或某幾個(gè)特定組分代謝物的分析。(2)代謝輪廓分析，主要針對特定代謝物及特定代謝途徑中相關(guān)代謝物的定性定量分析。(3)代謝組學(xué)，主要針對某一限定條件下特定生物樣品中所有代謝物的定性定量分析。(4)代謝指紋分析，不分離鑒定具體單一組分，通過比較代謝圖譜對樣品進(jìn)行快速分類(如表型快速鑒定)。

3.2 代謝組學(xué)主要研究方法

植物體內(nèi)代謝產(chǎn)物種類繁多，而且理化性質(zhì)不同，單一檢測方法不能檢測出所有代謝物，因此實(shí)際操作中經(jīng)常采用多種分離、檢測方法獲取盡可能全面的代謝物信息。代謝組學(xué)分析平臺(tái)主要有：核磁共振(NMR)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、氣相色譜(GC)、液相色譜(LC)、質(zhì)譜(MS)等，目前核磁共振(NMR)和色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS、LC-MS)技術(shù)研究比較深入，而且應(yīng)用最為廣泛。

核磁共振(NMR)技術(shù)為代謝組研究中應(yīng)用最早及最普遍的技術(shù)之一[67-68]，該技術(shù)具有無損傷、無偏性等優(yōu)點(diǎn)，但檢測靈敏度及分辨率較低，無法檢測豐度較低代謝物；檢測范圍有限，對濃度差較大的代謝物無法檢測[69-70]。高場強(qiáng)核磁共振及超低溫探頭技術(shù)使核磁共振技術(shù)的分辨率和靈敏度顯著提高，使此技術(shù)在代謝物的檢測中應(yīng)用更加廣泛[71]。氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)技術(shù)分析主要針對極性低、沸點(diǎn)低、能夠氣化的小分子化合物，具有較高的分離效率，同時(shí)靈敏度和分辨率都高，可準(zhǔn)確進(jìn)行代謝物的定性與定量，成為代謝組學(xué)研究應(yīng)用最廣泛的手段之一[72-73]。液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)主要針對于穩(wěn)定性差，不易揮發(fā)等代謝物的檢測，前期處理不需衍生化，檢測靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍廣，能夠檢測各種極性非極性代謝物[74]。傅里葉變換紅外光譜(FTIR)主要根據(jù)對物質(zhì)的紅外吸收頻率及強(qiáng)度提供精確數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)分析處理，得到代謝物的相對分子質(zhì)量以及分子結(jié)構(gòu)等，可以對代謝物進(jìn)行定性定量分析。

代謝物的定性、定量信息主要指表現(xiàn)在譜圖上的峰信號，其定性信息主要表現(xiàn)為特征譜圖與色譜保留信息等；而定量信息主要表現(xiàn)為色譜響應(yīng)強(qiáng)度(如峰高、峰面積等)[75]。代謝組學(xué)常用數(shù)據(jù)分析模式主要有兩類：沒有外部指導(dǎo)探索完全未知數(shù)據(jù)性質(zhì)的無監(jiān)督分析法(Un-supervised Method )[76-77]，主要有主成分分析(PCA)、聚類分析(CA)、典型相關(guān)分析(CCA)等[69,78]； 存在先驗(yàn)或假設(shè)條件，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行辨識、歸類和預(yù)測的有監(jiān)督分析法(Supervised Method)，主要有線性辨別分析(LDA)、偏最小二乘法顯著性分析(PLS-DA)、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)分析(ANN)等[79-80]。

3.3 鹽脅迫下代謝組學(xué)應(yīng)用研究

代謝物是生物體在不同生理生態(tài)條件下代謝水平的體現(xiàn)，植物處于逆境條件時(shí)，如鹽堿、高溫、低溫、干旱等，植物體會(huì)在分子、細(xì)胞以及生理水平上進(jìn)行自身調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不利于生長發(fā)育的外界環(huán)境[81]。在逆境條件尤其是鹽脅迫條件下，植物在適應(yīng)高鹽脅迫過程中會(huì)產(chǎn)生大量初級、次級代謝產(chǎn)物，利用代謝組學(xué)方法研究脅迫下產(chǎn)生的代謝物變化有利于對抗逆機(jī)制系統(tǒng)認(rèn)識。

Johnson等[82]利用FT-IR技術(shù)分析了鹽脅迫下兩種不同敏感型番茄(Solanumlycopersicum)體內(nèi)代謝物變化情況，并用PCA與DFA兩種方法進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)飽和及不飽和腈類化合物、氰類化合物、含氮化合物以及含有明顯NH2自由基峰的化合物等與鹽脅迫響應(yīng)有關(guān)。

對模式植物擬南芥和鹽芥代謝組學(xué)研究主要采用GC-MS及生物芯片技術(shù)分析2種植物中代謝物差異。鹽芥在鹽脅迫及對照條件下均表現(xiàn)出較高代謝物水平，而擬南芥在150 mmol/L NaCl條件下，葡萄糖與脯氨酸等含量明顯增加。鹽芥由于自身耐鹽性不僅在誘導(dǎo)前具有豐富的代謝物，在誘導(dǎo)后糖類、糖醇與有機(jī)酸等含量也具有明顯變化，表現(xiàn)出更加復(fù)雜的代謝應(yīng)答機(jī)制[83]。Kim等[84]對擬南芥細(xì)胞進(jìn)行了鹽脅迫代謝組學(xué)研究，利用 GC-MS 與 LC-MS 技術(shù)對鹽脅迫后不同時(shí)間取樣的擬南芥細(xì)胞進(jìn)行檢測分析，結(jié)果表明隨處理時(shí)間的不同對鹽脅迫響應(yīng)的代謝也存在差異，短時(shí)間脅迫處理時(shí)與甲基化循環(huán)、木質(zhì)素產(chǎn)生的本丙烷途徑及甜菜堿生物合成途徑等響應(yīng)積極，而糖酵解、蔗糖代謝的聯(lián)合誘導(dǎo)及甲基化共還原為對鹽脅迫長期誘導(dǎo)的反應(yīng)。

不同基因型大麥在鹽脅迫下代謝物變化也存在差異，在根部TCA循環(huán)以及糖的轉(zhuǎn)運(yùn)活動(dòng)增強(qiáng)，而葉部的糖酵解及氨基酸合成途徑活動(dòng)明顯增強(qiáng)，磷酸己糖、TCA循環(huán)的中間體及參與細(xì)胞保護(hù)相關(guān)的代謝物在耐鹽品種中增加明顯[85-86]。同時(shí)不同基因型水稻(IR64和PL177)在鹽脅迫下代謝物變化也存在差異且表現(xiàn)出器官特異性，而PL177植株葉部的與脂肪酸代謝、細(xì)胞壁重塑過程等有關(guān)基因明顯上調(diào)[18]。

本研究組利用GC-TOF-MS技術(shù)和多元統(tǒng)計(jì)分析的方法研究了不同NaCl脅迫處理的唐古特白刺(NitrariatangutorumBobr.)懸浮細(xì)胞代謝組學(xué)，對不同鹽濃度下細(xì)胞代謝圖譜進(jìn)行比較，共篩選出25種與鹽脅迫有關(guān)的標(biāo)志性代謝物，主要包括糖類(果糖、半乳糖和葡萄糖等)、氨基酸類(脯氨酸、丙氨酸和纈氨酸等)及不飽和脂肪酸(十八碳烯酸、亞麻酸和十六烷酸等)。隨著鹽濃度的增加，細(xì)胞內(nèi)脯氨酸、丙氨酸、已二胺等含量增加明顯，乙酰胺、十二烷等的含量呈現(xiàn)降低趨勢，而大部分代謝物含量在100 mmol/L時(shí)呈最高或最低狀態(tài)。通過對鹽脅迫下懸浮細(xì)胞代謝物的篩選，從代謝組學(xué)水平上揭示了唐古特白刺適應(yīng)鹽脅迫機(jī)制[87]。

目前已發(fā)現(xiàn)許多與逆境脅迫相關(guān)代謝物，如葡糖糖、脯氨酸、類黃酮、酚胺、硫代糖苷和多胺等在植物抗逆調(diào)控中發(fā)揮重要作用[88-94]。對逆境條件下植物體內(nèi)代謝物進(jìn)行檢測分析，可以確定植物在脅迫條件下的代謝調(diào)控規(guī)律及網(wǎng)絡(luò)，從代謝途徑上對不同脅迫的應(yīng)答機(jī)理進(jìn)行分析。

4 離子組學(xué)研究

4.1 離子組學(xué)主要研究內(nèi)容

礦質(zhì)元素作為植物體重要組成部分，不僅參與各項(xiàng)生命活動(dòng)，而且在維持體內(nèi)滲透平衡具有重要作用。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)及各種組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從離子角度探究植物營養(yǎng)與滲透平衡及相關(guān)控制基因控制網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)新的研究趨勢。Lahner等[95]研究擬南芥中不同元素與基因之間的生物學(xué)意義時(shí)發(fā)現(xiàn)基因參與調(diào)節(jié)植物的養(yǎng)分和微量元素，證明采用元素分析法可作為功能基因組學(xué)分析的有效工具，即首次提出了離子組學(xué)(Ionomics)。植物離子組學(xué)為后基因組時(shí)代又一重要組學(xué)，也是繼轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)以及代謝組學(xué)研究植物功能基因組新的支柱以及研究方法[96-97]，離子組學(xué)主要研究植物細(xì)胞或組織的無機(jī)組成部分(離子與無機(jī)化合物等)，可認(rèn)為是代謝組學(xué)的一個(gè)分支[95]。

離子組學(xué)研究主要通過高通量元素分析結(jié)合功能基因組學(xué)以及生物信息學(xué)等分析植物體內(nèi)元素的含量、分布以及代謝等狀況隨環(huán)境、不同發(fā)育階段以及外界刺激等的變化機(jī)制[98]。即離子組學(xué)研究主要包括生物分析和數(shù)據(jù)分析兩個(gè)部分，生物分析主要為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、處理，樣品的收集、處理與測試等；而數(shù)據(jù)處理主要是對測試結(jié)果信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，用統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，確定最終有效信息。

4.2 離子組學(xué)主要研究方法

植物體內(nèi)礦質(zhì)元素種類眾多，對植物體內(nèi)多種元素進(jìn)行同步定量是離子組學(xué)的關(guān)鍵。植物體內(nèi)多種元素進(jìn)行同步定量分析方法有多種，主要包括：電感耦合等離子體光譜法(ICP-OES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、熒光X射線法(XRF)、離子束分析法(IBA)、中子活化分析法(NAA)等，幾種常用元素檢測技術(shù)比較見表 1。

植物體內(nèi)離子信息的生物信息挖掘?yàn)殡x子組學(xué)重要組成部分，采用各種檢測方法可以得到大量多維數(shù)據(jù)，同時(shí)不同學(xué)者進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)獲得處理?xiàng)l件下大量的離子組數(shù)據(jù)。如此大量的離子數(shù)據(jù)進(jìn)行生物信息分析時(shí)首先需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，然后進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析、主成分分析(PCA)、層次聚類分析(HCA)等，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類以及通過數(shù)據(jù)庫比對查詢有用生物學(xué)信息。在特定的生長及檢測條件下，一定的離子信息可以解釋植物當(dāng)前的生境以及生長狀態(tài)，而后期數(shù)據(jù)的對比分析需要依靠統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，對此普渡大學(xué)的Baxter等[100]利用高通量離子組學(xué)表型平臺(tái)建立了普渡離子組學(xué)信息管理系統(tǒng)(Purdue Ionomics Information Management System，PiiMS)，可以為離子組學(xué)數(shù)據(jù)分析提供參考。系統(tǒng)中包含了60 000多份不同擬南芥組織

表1 不同元素檢測技術(shù)在離子組中的應(yīng)用[99]

樣品中16種元素(鈉、鉀、鈣、鎂、銅、鐵、鋅、錳、鈷、鎳、硼、硒、鉬、砷、鎘、磷)含量的數(shù)據(jù)。并且系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的來源均有明確記錄，包括材料、實(shí)驗(yàn)處理、生長環(huán)境以及分析方法等，讀者可以免費(fèi)查詢下載。目前系統(tǒng)中植物種類在不斷充實(shí)完善，大量的水稻、玉米等離子組數(shù)據(jù)也被收錄到系統(tǒng)中，極大地方便了離子組學(xué)研究者[101-102]。

4.3 離子組學(xué)應(yīng)用研究

當(dāng)前離子組學(xué)研究主要應(yīng)用于基因鑒別、功能驗(yàn)證以及植物生理狀態(tài)的評價(jià)等。目前已經(jīng)獲得了大量與離子組性相關(guān)的QTLs(數(shù)量性狀基因座)，主要包括擬南芥種子與葉片磷積累、擬南芥與玉米氮素利用等相關(guān)的QTLs，利用QTLs進(jìn)行遺傳標(biāo)記，進(jìn)一步進(jìn)行分離克隆，可以鑒別與分析相關(guān)應(yīng)答基因。植物體內(nèi)離子含量受各種生理活動(dòng)的影響，同時(shí)不同生理活動(dòng)影響離子的分配及運(yùn)輸，兩者之間存在相互作用，在不同生理環(huán)節(jié)中，植物體內(nèi)離子組分的分配也不一樣[103-104]。

近年來離子組學(xué)開始應(yīng)用于研究非生物脅迫下植物體內(nèi)離子分配的變化，并通過與遺傳學(xué)、基因組學(xué)等相結(jié)合鑒定脅迫下與離子含量變化相關(guān)基因。Júnior等[105]研究了鎘脅迫對向日葵(Helianthusannuus)體內(nèi)離子組分變化的影響，發(fā)現(xiàn)對鎘的吸收影響了體內(nèi)銅和鋅的穩(wěn)態(tài)平衡，以及鐵、磷、鎂、錳等的不平衡吸收影響了光合作用。Ardini等[106]研究了熱脅迫后轉(zhuǎn)基因與野生型煙草(NicotianatabacumL.)體內(nèi)離子組分變化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)元素如鐵、鋅等受熱應(yīng)激后總含量顯著減少，而鈣、鎂等表現(xiàn)出相反趨勢，熱應(yīng)激同時(shí)影響了元素在轉(zhuǎn)基因煙草體內(nèi)分配情況，在根部積累鉬、鋅、磷等，而鉀元素以在葉片積累為主。

離子組分在鹽脅迫下變化情況已應(yīng)用于研究核桃(Juglansregia)、擬南芥、大麥等植物中。Lotfi 等[107]研究不同核桃品種對于鹽脅迫反應(yīng)離子特性，隨著鹽濃度的增加，抗性品種在地上部積累K和Ca；在半抗性品種中，在根部只有K積累；與其他元素相比Na積累差異最小，在抗性和半抗性品種中，根部Na含量大于地上部，并且提出K滲漏大小可作為篩選耐鹽核桃品種指標(biāo)之一。Hill等[108]利用離子組和代謝組研究不同基因型擬南芥在鹽脅迫下變化及耐鹽機(jī)理，AtHKT1;1基因特性表達(dá)可以抑制鹽脅迫下Na+的過度積累，含AtHKT1;1基因擬南芥較其他基因型植株在鹽脅迫后K、P、S、Mn含量增加，而Na含量明顯減少。Wu等[109]比較了栽培型及野生型大麥在鹽脅迫后離子組分變化情況，在根部，鹽脅迫致使P、S、Mg、K、Mn、Zn與B含量降低，而使Ca、Fe與Cu含量增加；在地上部，鹽脅迫使Na含量增加，使K、Ca、Mg、Cu、B、P含量減少。Shen等[110]也研究了鹽脅迫下野生大麥離子組分的變化情況，K/Na比值在地上部比在根部大，并且值都大于1，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證野生大麥具有較強(qiáng)K+保留能力。地上部較大的K/Na比，及根部Ca、Cu與Fe等含量的增加可以增強(qiáng)組織的耐鹽性。

逆境條件下離子組分含量的變化可以維持植物體內(nèi)滲透平衡，確保植物能夠維持正常生長狀態(tài)，同時(shí)離子含量變化受基因網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控。研究離子組學(xué)可以明確逆境條件下離子含量變化與基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的相互關(guān)系，特殊離子組分含量變化可作為植物耐性篩選指標(biāo)之一，對于逆境脅迫研究具有重要意義。

5 小結(jié)與展望

鹽脅迫對植物生長的影響主要表現(xiàn)在離子毒害、滲透脅迫以及次級氧化脅迫等，為適應(yīng)鹽脅迫植物體內(nèi)會(huì)發(fā)生一系列生理及分子變化。鹽脅迫條件下植物感受刺激后首先進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控，啟動(dòng)與鹽脅迫相關(guān)基因，合成相關(guān)應(yīng)激蛋白(主要包括與抗氧化和滲透物質(zhì)合成等相關(guān)的酶、離子通道蛋白等)，進(jìn)而控制相關(guān)代謝物的合成、離子轉(zhuǎn)運(yùn)以及氧化還原反應(yīng)等。轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)以及離子組學(xué)分別從RNA、蛋白質(zhì)、代謝物與離子層面對此進(jìn)行研究，植物遭受鹽脅迫時(shí)會(huì)在不同層次進(jìn)行有目的的準(zhǔn)備而精準(zhǔn)應(yīng)對不同脅迫條件(濃度、時(shí)間等)，為自身生長貯存更多能量和爭取更多可用資源，從而使植物維持正常生理狀態(tài)。

不同“組學(xué)”技術(shù)研究可以揭示鹽脅迫下植物在不同層次發(fā)生的變化，有助于挖掘與脅迫相關(guān)新的基因以及代謝途徑等。當(dāng)前對于鹽脅迫下植物組學(xué)的研究主要集中于單一組學(xué)研究或雙組學(xué)聯(lián)合分析，不能全面解釋植物耐鹽機(jī)制，因此為全面了解植物耐鹽機(jī)制，則需對轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組以及離子組等進(jìn)行多組學(xué)聯(lián)合分析，采用生物信息學(xué)從系統(tǒng)生物學(xué)水平對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以得到鹽脅迫下植物體內(nèi)的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)鍵耐鹽基因等，可以更好闡述植物應(yīng)答鹽脅迫分子機(jī)理。通過對多組學(xué)聯(lián)合分析，可明確所需相關(guān)性狀基因，并進(jìn)行基因克隆、驗(yàn)證等，為耐鹽植物培育提供支持。而當(dāng)前對于各組學(xué)研究主要局限于實(shí)驗(yàn)室水平，為特定條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與植物自然生長的逆境環(huán)境存在差異；同時(shí)在不同生長時(shí)期，植物體內(nèi)的基因表達(dá)情況以及代謝網(wǎng)絡(luò)也存在差異，因此對于多組學(xué)實(shí)驗(yàn)研究從室內(nèi)轉(zhuǎn)向自然環(huán)境、從固定時(shí)間點(diǎn)檢測轉(zhuǎn)向整個(gè)自然生長周期檢測，多因素系統(tǒng)的研究植物耐性機(jī)制，挖掘相關(guān)耐鹽基因，對耐鹽植物培育及鹽堿地改良具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

[1] ZHU J K．Abiotic stress signaling and responses in plants[J]．Cell，2016，167(2)：313-324．

[2] MALCO L M E，SUMNER R N．Sodic Soils Distribution，Properties，Management，and Environmental Consequences[M]．New York：Oxford University Press，1998 ．

[3] KOVDA V A．Loss of productive land due to salinization[J]．Ambio，1983，12(2)：91-93．

[4] CI L J，YANG X H．Desertification and its control in China[M]．Beijing：Higher Education Press，2010．

[5] JALEEL C A，RIADH K，GOPI R，etal．Antioxidant defense responses：physiological plasticity in higher plants under abiotic constraints[J]．ActaPhysiologiaePlantarum．2009，31(3)：427-436．

[6] YAN K，SHAO H，SHAO C，etal．Physiological adaptive mechanisms of plants grown in saline soil and implications for sustainable saline agriculture in coastal zone[J]．ActaPhysiologiaePlantarum．2013，35(10)：2 867-2 878．

[7] TANG X，MU X，SHAO H，etal．Global plant-responding mechanisms to salt stress：physiological and molecular levels and implications in biotechnology[J]．CriticalReviewsinBiotechnology．2015，35(4)：425-437．

[8] ZHANG J T，ZHANG Y，DU Y Y，etal，etal．Dynamic metabonomic responses of tobacco (Nicotianatabacum) plants to salt stress[J]．JournalofProteomeResearch，2011，10(4)：1 904-1 914．

[9] URANO K，KURIHARA Y，SEKI M，etal．‘Omics’ analyses of regulatory networks in plant abiotic stress responses[J]．CurrentOpinioninPlantBiology，2010，13(2)：132-138．

[10] BOHNERT R，BEHR J，etal．Transcript quantification with RNA-Seq data[J]．BMCBioinformatics，2009，10(13)：1-2．

[11] ZHU Y N，SHI D Q，etal．Transcriptome analysis reveals crosstalk of responsive genes to multiple abiotic stresses in cotton (GossypiumhirsutumL.) [J]．PlosOne，2013，8(11)：e80218．

[12] JIANG Y，DEYHOLOS M K．Comprehensive transcriptional profiling of NaCl-stressedArabidopsisroots reveals novel classes of responsive genes[J]．BMCPlantBiology，2006，6(1)：1-20．

[13] KAWAURA K，MOCHIDA K，OGIHARA Y．Genome-wide analysis for identification of salt-responsive genes in common wheat[J]．Functional&IntegrativeGenomics，2008，8(3)：277-286．

[14] RODRIGUEZURIBE L，HIGBIE S M，STEWART J M，etal．Identification of salt responsive genes using comparative microarray analysis in upland cotton (GossypiumhirsutumL.) [J]．PlantScience，2011，180(3)：461-469．

[15] UEDA A，KATHIRESAN A，BENNETT J，etal． Comparative transcriptome analyses of barley and rice under salt stress[J]．TheoreticalandAppliedGenetics，2006，112(7)：1 286-1 294．

[16] KOGENARU S，QING Y，GUO Y，etal．RNA-seq and microarray complement each other in transcriptome profiling[J]．BMCGenomics，2012，13：629-645．

[17] TRICK M，LONG Y，MENG J L，etal．Single nucleotide polymorphism (SNP) discovery in the polyploidBrassicanapususing Solexa transcriptome sequencing[J]．PlantBiotechnologyJournal，2009，7(4)：334-346．

[18] WANG W S，ZHAO X Q，LI M，etal．Complex molecular mechanisms underlying seedling salt tolerance in rice revealed by comparative transcriptome and metabolomic profiling[J]．JournalofExperimentalBotany，2015，67(1)：405-419．

[19] AHMED B，AHMED A，etal．RNA-Seq analysis of the wild barley (H. spontaneum) leaf transcriptome under salt stress[J]．ComptesRendusBiologies，2015，338(5)：285-297．

[20] LI S F，F(xiàn)AN C M，LI Y，etal．Effects of drought and salt-stresses on gene expression inCaraganakorshinskiiseedlings revealed by RNA-seq[J]．BMCGenomics，2016，17(1)：1-19．

[21] VALLIYODAN B，NGUYEN H T．Understanding regulatory networks and engineering for enhanced drought tolerance in plants[J]．CurrentOpinioninPlantBiology，2006，9(2)：189-195．

[22] ATIENZA S G，F(xiàn)ACCIOLI P，PERROTTA G，etal．Large scale analysis of transcripts abundance in barley subjected to several single and combined abiotic stress conditions[J]．PlantScience，2005，167(6)：1 359-1 365．

[23] YAOD X，ZHANG X Y，ZHAO X H，etal．Transcriptome analysis reveals salt-stress-regulated biological processes and key pathways in roots of cotton (GossypiumhirsutumL.) [J]．Genomics，2011，98(1)：47-55．

[24] FANXD，WANGJQ，YANG N，etal．Gene expression profiling of soybean leaves and roots under salt，saline-alkali and drought stress by high-throughput Illumina sequencing[J]．Gene，2013，512(2)：392-402．

[25] POSTNIKOVA O A，SHAO J，NEMCHINOV L G．Analysis of the alfalfa root transcriptome in response to salinity stress[J]．Plant&CellPhysiology，2013，54(7)：1 041-1 055．

[26] BAHIELDIN A，ATEF A，etal．RNA-Seq analysis of the wild barley (H.spontaneum) leaf transcriptome under salt stress[J]．ComptesRendusBiologies， 2015，338(5)：285-297．

[27] ZHOU Y，YANG P，CUI F，etal．Transcriptome analysis of salt stress responsiveness in the seedlings of Dongxiang wild rice (OryzarufipogonGriff.) [J]．PlosOne．2016，11(1)：1-25．

[28] CANOVAS F M，DUMAS G E，RECORBET G，etal．Plant proteome analysis[J]．Proteomics，2004，4(2)：285-298．

[29] SCHWEPPE R E，HAYDON C E，etal．The characterization of protein post-translational modifications by mass spectrometry[J]．AccountsofChemicalResearch，2003，34(37)：453-461．

[30] ZHAO Q，ZHANG H，WANG T，etal．Proteomics-based investigation of salt-responsive mechanisms in plant roots[J]．JournalofProteomics，2013，82(8)：230-253．

[31] WASINGER V C，CORDWELL S J，etal．Progress with gene-product mapping of the Mollicutes： Mycoplasma genitalium[J]．Electrophoresis，1995，16(7)：1 090-1 094．

[32] 萬晶宏，賀福初．蛋白質(zhì)組技術(shù)的研究進(jìn)展[J]．科學(xué)通報(bào)，1999，44(9)：904-911．

WAN J H，HE F C．Research progress in technology of proteome[J]．ChineseScienceBulletin，1999，44(9)：904-911．

[33] KOEN S，MAHAN M，F(xiàn)ILIP D，etal．Highly efficient peptide separations in proteomics[J]．JournalofChromatographyB，2008，866(1)：48-63．

[34] O’FARRELL P H．High resolution two-dimensional electrophoresis of proteins[J]．JournalofBiologicalChemistry，1975，250(10)：4 007-4 021．

[35] SHAW M M，RIEDERER B M．Sample preparation for two-dimensional gel electrophoresis[J]．Proteomics，2003，3(8)：1 408-1 417．

[36] G?RG A， WEISS W，DUNN M． Current two-dimensional electrophoresis technology for proteomics[J]．Proteomics，2004，4(12)：3 665-3 685．

[37] MAROUGA R，DAVID S，etal．The development of the DIGE system： 2D fluorescence difference gel analysis technology[J]．Analytical&BioanalyticalChemistry，2005，382(3)：669-678．

[38] HARTMAN N T，SICILIA F，LILLEY K S，etal．Proteomic complex detection using sedimentation[J]．AnalyticalChemistry，2007，79(5)：2 078-2 083．

[39] KOOMEN J，HAWKE D，KOBAYASHI R．Developing an understanding of proteomics：an introduction to biological mass spectrometry[J]．CancerInvestigation，2005，23(1)：47-59．

[40] GYGI S P，RIST B，GERBER S A，etal． Quantitative analysis of complex protein mixtures using isotope-codedaffinity tags[J]．NatureBiotechnology，1999，17(10)：994-999．

[41] ROSS P L，HUANG Y N，MARCHESE J N，etal．Multiplexed protein quantitation inSaccharomycescerevisiaeusing amine-reactive isobaric tagging reagents[J]．MolCellProteomics，2004，3(12)：1 154-1 169．

[42] ONG S E，BLAGOEV B，KRATCHMAROVA I，etal．Stable isotope labeling by amino acids in cell culture，SILAC，as a simple and accurate approach to expression proteomics[J]．Molecular&CellularProteomics，2002，1(5)：376-386．

[43] WASHBURN M P，WOLTERS D，etal．Large-scale analysis of the yeast proteome by multidimensional protein identification technology[J]．NatureBiotechnology．2001，19(3)：242-247．

[44] BAGINSKY S．Plant proteomics：Concepts，applications，and novel strategies for data interpretation[J]．MassSpectrometryReviews，2009，28(1)：93-120．

[45] JIANG Y Q，YANG B，etal．Comparative proteomic analysis of NaCl stress-responsive proteins inArabidopsisroots[J]．JournalofExperimentalBotany， 2007，58(13)：3 591-3 607．

[46] KIM Y O，PAN S，JUNG C H，etal．A zinc finger-containing glycine-rich RNA-binding protein，atRZ-1a，has a negative impact on seed germination and seedling growth ofArabidopsisthalianaunder salt or drought stress conditions[J]．PlantandCellPhysiology，2007，48(8)：1 170-1 181．

[47] Z?RB C，HERBST R，F(xiàn)ORREITER C，etal．Short-term effects of salt exposure on the maize chloroplast protein pattern[J]．Proteomics，2009，9(17)：4 209-4 220．

[48] ZHANG L，TIAN L H，ZHAO J F，etal．Identification of an apoplastic protein involved in the initial phase of salt stress response in rice root by two-dimensional electrophoresis[J]．PlantPhysiology，2009，149(2)：916-928．

[49] PENG Z Y，WANG M C，LI F，etal．A proteomic study of the response to salinity and drought stress in an introgression strain of bread wheat[J]．MolecularandCellularProteomics，2009，8(12)：2 676-2 686．

[50] AGHAEI K，EHSANPOUR A A，SHAH A H，etal．Proteome analysis of soybean hypocotyl and root under salt stress[J]．AminoAcids，2009，36(1)：91-98．

[51] ASKARI H，EDQVIST J，HAJHEIDARI M，etal．Effects of salinity levels on proteome ofSuaedaaegyptiacaleaves[J]．Proteomics，2006，6(8)：2 542-2 554．

[52] WANG X C，F(xiàn)AN P X，SONG H M，etal．Comparative proteomic analysis of differentially expressed proteins in shoots ofSalicorniaeuropaeaunder different salinity[J]．JournalofProteomeResearch，2009，8(7)：3 331-3 345．

[53] PANG Q Y，CHEN S X，DAI S J，etal．Comparative proteomics of salt tolerance inArabidopsisthalianaandThellungiellahalophila[J]．JournalofProteomeResearch， 2010，9(5)：2 584-2 599．

[54] 張 恒，鄭寶江，宋保華，等．植物鹽脅迫應(yīng)答蛋白質(zhì)組學(xué)分析[J]．生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31(22)：6 936-6 946．

ZHANG H，ZHENG B J，SONG B H，etal．Salt-responsive proteomics in plants[J]．ActaEcologicaSinica，2011，31(22)：6 936-6 946．

[55] KIM，D W，RAKWAL R，etal．A hydroponic rice seedling culture model system for investigating proteome of salt stress in rice leaf[J]．Electrophoresis，2005，26(23)：4 521-4 539．

[56] CARUSO G，CAVALIERE C，GUARINO C，etal．Identification of changes inTriticumdurumL. leaf proteome in response to salt stress by two-dimensional electrophoresis and MALDI-TOF mass spectrometry[J]．Analytical&BioanalyticalChemistry，2008，391(1)：381-390．

[57] PARKER R，F(xiàn)LOWERS T J，MOORE A L，etal．An accurate and reproducible method for proteome profiling of the effects of salt stress in the rice leaf lamina[J]．JournalofExperimentalBotany，2006，57(5)：1 109-1 118．

[58] YAN S，TANG Z，etal．Proteomic analysis of salt stress-responsive proteins in rice root[J]．Proteomics，2005，5(1)：235-244．

[59] ASKARI H，EDQVIST J，HAJHEIDARI M，etal．Effects of salinity levels on proteome ofSuaedaaegyptiacaleaves[J]．Proteomics，2006，6(8)：2 542-2 554．

[60] JIANG Y Q，YANG B，etal．Comparative proteomic analysis of NaCl stress-responsive proteins inArabidopsisroots[J]．JournalofExperimentalBotany，2007，58(13)：3 591-3 607．

[61] SALEKDEHA G H，SIOPONGCO J，WADE L J，etal．A proteomic approach to analyzing drought-and salt-responsiveness in rice[J]．FieldCropsResearch，2002，76(2-3)：199-219．

[62] WITZEL K，WEIDNER A，SURABHI G K，etal．Salt stress-induced alterations in the root proteome of barley genotypes with contrasting response towards salinity[J]．JournalofExperimentalBotany，2009，60(12)：3 545-3 557．

[63] TADA Y，KASHIMURA T．Proteomic analysis of salt-responsive proteins in the mangrove plant，Bruguieragymnorhiza[J]．PlantCellPhysiololy，2009，50(3)：439-446．

[64] CHENG Y W，QI Y C，ZHU Q，etal．New changes in the plasma-membrane-associated proteome of rice roots under salt stress[J]．Proteomics，2009，9(11)：3 100-3 114．

[65] NICHOLSON J K，LINDON J C，HOLMES E．Metabonomics：understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data[J]．Xenobiotica，1999，29(11)， 1 181-1 189．

[66] FIEHN O．Metabolomics-the link between genotypes and phenotypes[J]．PlantMolecularBiology，2002，48(2)：155-171．

[67] EISENREICH W，BACHER A．Advances of high-resolution NMR techniques in the structural and metabolic analysis of plant biochemistry[J]．Phytochemistry，2007，68(22-24)：2 799-2 815．

[68] WARD J L，BAKER J M，BEALE M H．Recent applications of NMR spectroscopy in plant metabolomics[J]．FEBSJournal，2007，274(5)：1 126-1 131．

[69] 尹 恒，李曙光，白雪芳，等．植物代謝組學(xué)的研究方法及其應(yīng)用[J]．植物學(xué)通報(bào)，2005，22(5)：532-540．

YIN H，LI S G，BAI X F，etal．Research advances in plant metabolomics[J]．ChineseBulletinofBotany，2005，22(5)：532-540．

[70] 劉賢青，羅 杰．植物代謝組學(xué)技術(shù)及研究進(jìn)展[J]．科技導(dǎo)報(bào)，2015，33(16)： 33-38．

LIU X Q，LUO J．Advances of technologies and research in plant metabolomics[J]．Science&TechnologyReview，2015，33(16)： 33-38．

[71] KIM H K，CHOI Y H，etal．NMR-based metabolomic analysis of plants[J]．NatureProtocol.，2010，5(3)：536-549．

[72] LISEC J，SCHAUER N，KOPKA J，etal．Gas chromatography mass spectrometry-based metabolite profiling in plants[J]．NatureProtocol.，2006，1(1)：387-396．

[73] KUSANO M，F(xiàn)UKUSHIMA A，ARITA M，etal．Unbiased characterization of genotype- dependent metabolic regulations by metabolomic approach inArabidopsisthaliana[J]．BMCSystemsBiology，2007，1(1)：1-17．

[74] RC DE VOS，MOCO S，etal．Untargeted large-scale plant metabolomics using liquid chromatography coupled to mass spectrometry[J]．NatureProtocol.，2007，2(4)：778-791．

[75] 阿基業(yè)．代謝組學(xué)數(shù)據(jù)處理方法-主成分分析[J]．中國臨床藥理學(xué)與治療學(xué)，2010，15(5)：481-489．

A J Y．Analysis of metabolomic data:principal component analysis[J]．Chin.J.Clin.Pharm.Therap.，2010，15(5)：481-489．

[76] EBBELS T，CAVILL R．Bioinformatic methods in NMR-based metabolic profiling[J]．ProgressinNuclearMagneticResonancespectroscopy，2009，55(4)：361-374.

[77] WECKWERTH W， MORGENTHAL K． Metabolomics： from pattern recognition to biological interpretation[J]．DrugDiscoveryToday，2005，10(22)：1 551-1 558．

[78] 許廣艷，葛衛(wèi)紅．代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)及其應(yīng)用[J]．時(shí)珍國醫(yī)國藥，2011，22(7)：1 755-1 758．

XU G Y，GE W H．Data analytical techniques in metabolomic study and its applications[J]．LishizhenMedicineandMateriaMedicaResearch，2011，22(7)：1 755-1 758．

[79] LINDON J C，HOLMES E，etal．Pattern recognition methods and applications in biomedical magnetic resonance[J]．ProgressinNuclearMagneticResonanceSpectroscopy，2001，39(1)：1-40．

[80] STATNIKOV A，WANG L，ALIFERIS C F．A comprehensive comparison of random forests and support vector machines for microarray-based cancer classification[J]．BMCbioinformatics，2008，9(1)：1-10．

[81] RODZIEWICZ P， SWARCEWICZ B，etal．Influence of abiotic stresses on plant proteome and metabolome changes[J]．ActaPhysiologiaePlantarum，2014， 36(1)：1-19．

[82] JOHNSON H E，BROADHURST D，etal．Metabolic fingerprinting of salt-stressed tomatoes[J]．Phytochemistry，2003，62(6)：919-928．

[83] GONG Q，LI P，MA S，etal．Salinity stress adaptation competence in the extremophileThellungiellahalophilain comparison with its relativeArabidopsisthaliana[J]．PlantJournal，2005，44(5)：826-839．

[84] KIM J K，BAMBA T，etal．Time-course metabolic profiling inArabidopsisthalianacell cultures after salt stress treatment[J]．JournalofExperimentalBotany，2007， 58(3)：415-424．

[85] WIDODO，JH PATTERSON，E NEWBIGIN，etal．Metabolic responses to salt stress of barley (HordeumvulgareL.) cultivars，Sahara and Clipper，which differ in salinity tolerance[J]．JournalofExperimentalBotany，2009，60(14)：4 089-4 103．

[86] WU D Z，CAI S G，CHEN M，etal．Tissue Metabolic responses to salt stress in wild and cultivated barley[J]．PlosOne，2013，8(1)：e55431．

[87] NI J W，YANG X Y，etal．Salinity-induced metabolic profile changes inNitrariatangutorumBobr. suspension cells[J]．PlantCellTissue&OrganCulture，2015，122(1)：239-248．

[88] NEUWEGER H，ALBAUM S P，etal．MeltDB：A software platform for the analysis and integration of metabolomics experiment data[J]．Bioinformatics，2008， 24(23)：2 726-2 732．

[89] LUO J，F(xiàn)UELL C，PARR A，etal．A novel polyamine acyltransferase responsible for the accumulation of spermidine conjugates inArabidopsisseed[J]．PlantCell，2009，21(1)：318-333．

[90] CHAN EKF，ROWE H C，LIEBENSTEIN D J．Understanding the evolution of defense metabolites inArabidopsisthalianausing genome-wide association mapping[J]．Genetics， 2010，185(3)：991-1 007．

[91] KOVACS Z，SIMON-SARKADI L，etal．Differential effects of cold， osmotic stress and abscisic acid on polyamine accumulation in wheat[J]．AminoAcids，2010，38(2)： 623-631．

[92] CHEN W，GONG L，GUO Z，etal．A novel integrated method for largescale detection， identification，and quantification of widely targeted metabolites：Application in the study of rice metabolomics[J]．MolecularPlant，2013，6(6)：1 769-1 780．

[93] SHI H T，CHAN Z L．Improvement of plant abiotic stress tolerance through modulation of the polyamine pathway[J]．JournalofIntegrativePlantBiology，2014，56(2)：114-121．

[94] RANGAN P，SUBRAMANI R，KUMAR R，etal．Recent advances in polyamine metabolism and abiotic stress tolerance[J]．BiomedResearchInternational，2014，2014(7)：871-882．

[95] LAHNER B，GONG J，MAHMOUDIAN M，etal．Genomic scale profiling of nutrient and trace elements inArabidopsisthaliana[J]．NatureBiotechnology，2003，21(10)：1 215-1 221．

[96] SALT D E．Update on plant ionomics[J]．PlantPhysiology，2004，136(1)：2 451-2 456．

[97] PARENT S é，PARENT L E，EGOZCUE J J，etal．The plant ionome revisited by the nutrient balance concept[J]．FrontiersinPlantScience，2013，4(6)：39-49．

[98] SINGH U M，SAREEN P，etal．Plant ionomics：a newer approach to study mineral transport and its regulation[J]．ActaPhysiologiaePlantarum．2013，35(9)：2 641-2 653．

[99] SALT D E，BAXTER I，LAHNER B．Ionomics and the Study of the plant ionome[J]．AnnualReviewofPlantBiology，2008，59(10)：709-733．

[100] BAXTER I，OUZZANI M，etal．Purdue ionomics information management system．An integrated functional genomics platform[J]．PlantPhysiology，2007，143(2)：600-611．

[101] BAXTER I R，GUSTIN J L，SETTLES A M，etal．Ionomic characterization of maize kernels in the intermated B73× Mo17 population[J]．CropScience,2013，53：208-220．

[102] BAXTER I，HERMANS C，LAHNER B，etal．Biodiversity of mineral nutrient and trace element accumulation inArabidopsisthaliana[J]．PlosOne，2012，7(4)：e35121．

[103] 曹繼容，鐘廣炎，王其兵．植物離子組學(xué)及其研究方法與應(yīng)用進(jìn)展[J]．植物學(xué)報(bào)，2014，49(4)：504-513．

CAO J R，ZHONG G Y，WANG Q B．Progress in methodology and application of plant ionomics[J]．ChineseBulletinofBotany，2014，49(4)：504-513．

[104] CHAO D Y，GABLE K，etal．Sphingolipids in the root play an important role in regulating the leaf ionome inArabidopsisthaliana[J]．PlantCell，2011，23(3)：1 061-1 081．

[106] ARDINI F，SOGGIA F，ABELMOSCHI M L，etal．Effect of heat stress on the ionomic profile ofNicotianalangsdorffiiwild-type and mutant genotypes[J]．InternationalJournalofEnvironmentalAnalyticalChemistry，2016，96(5)：460-473．

[107] LOTFI N，VAHDATI K，KHOLDEBARIN B，etal．Mineral composition of some walnut cultivars (JuglansregiaL.) for evaluation of ionome and ionomics under salt stress condition[J]．InternationalSymposiumonBiotechnologyofFruitSpecies：Biotechfruit，2009，839：293-300．

[108] HILL C B，JHA D，BACIC A，etal．Characterization of ion contents and metabolic responses to salt stress of differentArabidopsisAtHKT1;1 genotypes and their parental strains[J]．MolecularPlant，2013，6(2)：350-368．

[109] WU D Z，SHEN Q F，CAI S G，etal．Ionomic responses and correlations between elements and metabolites under salt stress in wild and cultivated barley[J]．Plant&CellPhysiology，2013，54(12)：1 976-1 988．

[110] SHEN Q F，F(xiàn)U L B，QIU L，etal．Time-course of ionic responses and proteomic analysis of a Tibetan wild barley at early stage under salt stress[J]．PlantGrowthRegulation，2016：1-11， doi：10．1007/s10725-016-0180-0．

(編輯:宋亞珍)

Omics Research Progress of Plants under Salt Stress

LI Huanyong1,2，YANG Xiuyan1,2，TANG Xiaoqian1,2，ZHANG Huaxin1*

(1 Research Center of Saline and Alkali Land of State Forestry Administration，Beijing 100091，China；2 State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding，Beijing 100091，China)

The effects of salt stress on plant growth were mainly caused by ion toxicity, osmotic stress and secondary oxidative stress. The expression of the related gene activated rapidly and carried out transcriptional regulation, then the corresponding protein is synthesized to control metabolite synthesis and ion transport to regulate the osmotic balance when plants under salt stress. With the rapid development of modern molecular biology, the study of salt tolerance mechanism of plants under salt stress has also deepened to the level of transcriptome, proteome, metabolome and ionome. The “omics” research of plants under salt stress provided a powerful tool for salt tolerance gene identification and the mining of iconic metabolites. This paper mainly summarized the methods and the application of transcriptomics, proteomics, metabolomics and ionomics under salt stress. The mechanism of salt tolerance was revealed, which provided a support for the selection and cultivation of excellent salt-tolerance plants. It also has an important theoretical and practical value.

salt stress；transcriptomics；proteomics；metabolomics；ionomics

1000-4025(2016)12-2548-10

10.7606/j.issn.1000-4025.2016.12.2548

2016-11-09;修改稿收到日期:2016-12-06

“十二五”科技支撐計(jì)劃(2015BAD07B0102)

李煥勇(1987-)，男，在讀博士生，主要從事耐鹽堿植物育種研究。E-mail：huanyong0913@163.com

*通信作者:張華新，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事耐鹽堿植物遺傳育種方面的研究。E-mail：zhanghx1998@126.com

Q945.78;Q946.92;Q789

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