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大咖面对面丨代谢组学辨性状 农业育种更高效

2024.6.24

  种子被誉为“农业芯片”,是实现农业现代化的基础,也是“藏粮于技”的关键。今年2月,中央一号文件提出,推动生物育种产业化扩面提速,加大种源关键核心技术攻关。传统的育种多建立在遗传学方法上,代谢组学研究在定向改良作物品种性状研究近年来发挥出显著优势。近日,河南大学生命科学学院张学斌教授在植物逆境适应和抗病分子机理研究领域发表了一系列重要成果。为此,我们对张学斌教授进行了专访,请他分享其创新历程,并重点描绘代谢组学在农业育种领域的辽阔前景。

  河南大学多组学联合研究中心执行主任/河南省作物逆境多组学国际联合实验室副主任 张学斌 教授

  种业新趋势:精准分子育种 代谢组学成热点

  张学斌表示,种业芯片是我国农业的战略重点,当前面临国际种业巨头对优质作物品种的垄断挑战。为打破这一“瓶颈”,精准分子育种成为关键。在传统育种基础上,结合基于质谱组学的系统生物学技术,以加速培育具有自主知识产权的特色品种。

  当前种业研究不仅限于追求产量,还更关注农作物的性状和品质,其核心在于代谢产物种类及其含量,而代谢组学能够很好地阐明相关的分子机制、代谢调控网络和关键因子等。随着质谱技术的迅猛发展,代谢组学方法为探索作物的性状、产量、发育、抗逆、品质等涉及的调控信息提供了强大的技术支持,极大地推动了作物育种和改良研究。

  近日,张学斌通过代谢组学与多组学相结合的方法,在作物抗逆、抗病机制等方面取得重要突破,为种业创新与发展注入新的活力。

  代谢组学联合蛋白组学、遗传学探索作物抗病机理

  在New Phytologist上,张学斌首次报道了F-box蛋白介导的底物蛋白泛素化及降解调控水杨酸合成的分子机制[1]。研究使用Orbitrap高分辨质谱仪对拟南芥进行非靶向代谢组学分析,解析了其生长受抑的分子机制,发现其体内积累了大量水杨酸及衍生物。采用靶向代谢组学和Orbitrap蛋白组学分析平台以及遗传学技术,进一步证明 F-box基因突变体SAGL1能够抑制水杨酸的合成,SAGL1能够在翻译后层面通过介导关键转录因子SARD1来抑制水杨酸的合成。这一研究为小麦、玉米、水稻、大豆等农作物的抗病改良提供了宝贵的科学依据。

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  Q Exactive Plus非靶向代谢组学分析显示SAG1中水杨酸过度积累

  谢组学联合遗传学解析作物抗逆机制

  张学斌携手河南农业大学团队,在Plant Biotechnology Journal上发表迷迭香基因组与环境适应性分子机理的研究成果[2]。该研究对迷迭香基因组进行了重测序;非靶向代谢组学结合转录组学,解析了与其有效成分即迷迭香酸的分子合成机制,抗性相关的抗氧化物质组织特异性分布特征与分子基础,并探索出迷迭香独特香味来源;对其在胁迫环境下的次生代谢途径进行研究,阐明了其应对不良环境的分子机制。这一研究不仅增进了对外来植物迷迭香的了解,更为培育多抗性良种如中药材等提供了新思路。

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  迷迭香主要抗氧化成分的生物合成途径

  构建完善组学方法体系,高效推动作物定向改良

  张学斌一直致力于构建完善组学方法体系,包括代谢组学、蛋白质组学、激素组学、脂质组学、挥发组学、金属组学等,全力推动中国特色种业发展。由Q Exactive Plus、 Orbitrap Exploris 480、TSQ Altis三重四极杆液质联用 、 TSQ 9610三重四极杆气质联用和iCAP RQ电感耦合等离子体质谱作为主力质谱为平台发展提供了强有力的技术支撑,Orbitrap的高质量分辨率、高质量精确度为鉴定提供了很大帮助。

  拟靶向代谢组学成为重要方法体系

  张学斌发挥了Orbitrap高质量分辨率以及TSQ Altis高准确度、灵敏度优势,开创了作物拟靶向代谢组学方法体系,该体系兼具非靶向代谢组学定性与靶向分析精准定量优势,不依赖于标准品,方法高效、节约成本,在上述两项科研成果得到了成功应用。随着植物代谢组学快速发展,该方法正逐步成为作物优良性状筛选的重要工具,显著提升生物育种的效率和准确性。

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   代谢组学平台:Q Exactive Plus高分辨质谱仪、TSQ Altis 三重四极杆液质联用仪

  白质组学、挥发组学和金属离子组学

  研究植物生产发育过程中体内蛋白质和翻译后修饰水平,有助于深入探索作物抗逆机制及提升抗病性。基于Orbitrap Exploris 480质谱平台,张学斌团队已经构建了非标记、标记定量和修饰蛋白质组学等方法体系,研究作物在特定条件和发育阶段的蛋白质表达、互作和修饰及随时间的变化,为探索优良形状背后的分子机制,实现精准育种提供有力支撑。挥发组学、金属离子组学在研究植物代谢产物、风味以及粮食作物对土壤重金属吸收机制方面发挥关键作用,三重四极杆气质联用仪和ICPMS技术成为这一研究的主要手段。

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  蛋白组学、挥发组学及金属组学平台: Orbitrap Exploris 480高分辨质谱仪、TSQ 9610三重四极杆气质联用仪、iCAP RQ 电感耦合等离子体质谱仪

  让更多种子装上“中国芯”,质谱技术赋能种业高质量发展

  我国“种业芯片”正处于创新发展阶段,如何让更多种子装上“中国芯”是未来的重要方向。后基因组时代,我们关注的不仅是作物的性状、品质,还包括气味、口感。这些品质特征是一系列代谢产物发挥作用,如挥发性、水溶性或脂溶性的化合物,代谢组学成为植物育种新的热点研究方向。质谱技术是解析这些代谢产物的利器,能够助力精准地育种和改良作物,让它们更好看、更好吃、更健康!

  人物简介:

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  张学斌 教授,河南大学

  2008年获得英国诺丁汉大学理学博士学位,先后就职于英国的洛桑实验站和美国布鲁克海文国家实验室,2018年加入河南大学,组建了独立研究团队和《河南大学多组学联合研究中心》、《河南省作物逆境多组学国际联合实验室》,并担任河南大学多组学联合研究中心执行主任,河南省作物逆境多组学国际联合实验室副主任。获得人社部高层次留学人才、河南省特聘教授、中原英才计划-引才系列、河南省高层次人才C类,入选河南大学人才特区支持计划。主要研究方向包括:植物酚类化合物合成与代谢、多组学联合解析植物逆境适应的分子机理、F-box基因家族功能解析等,旨在为小麦、玉米、大豆等重要农作物的抗逆性能、品质提供重要技术支撑。在国际知名学术期刊发表研究论文60余篇,总引用超过2500次,申请发明专利4项。

  参考文献:

  1.The Kelch-F-box protein SMALL AND GLOSSY LEAVES 1 (SAGL1) negatively influences salicylic acid biosynthesis in Arabidopsis thaliana by promoting the turn-over of transcription factor SYSTEMIC ACQUIRED RESISTANCE DEFICIENT 1 (SARD1). K Yu, et al., L AJ Mur*,X Zhang*. New phytologist,2022, 235(3),Issue3, Pages 885-897.

  2. High-quality chromosome-level genome assembly and multi-omics analysis of rosemary (Salvia rosmarinus) reveals new insights into the environmental and genome adaptation. Yong Lai, Jinghua Ma, Xuebin Zhang, et al. Plant Biotechnology Journal. 16 February 2024.


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