大咖面對面丨代謝組學(xué)辨性狀 農(nóng)業(yè)育種更高效
種子被譽(yù)為“農(nóng)業(yè)芯片”，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，也是“藏糧于技”的關(guān)鍵。今年2月，中央一號文件提出，推動生物育種產(chǎn)業(yè)化擴(kuò)面提速，加大種源關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。傳統(tǒng)的育種多建立在遺傳學(xué)方法上，代謝組學(xué)研究在定向改良作物品種性狀研究近年來發(fā)揮出顯著優(yōu)勢。近日，河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張學(xué)斌教授在植物逆境適應(yīng)和抗病分子機(jī)理研究領(lǐng)域發(fā)表了一系列重要成果。為此，我們對張學(xué)斌教授進(jìn)行了專訪，請他分享其創(chuàng)新歷程，并重點(diǎn)描繪代謝組學(xué)在農(nóng)業(yè)育種領(lǐng)域的遼闊前景。
河南大學(xué)多組學(xué)聯(lián)合研究中心執(zhí)行主任/河南省作物逆境多組學(xué)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室副主任 張學(xué)斌 教授
種業(yè)新趨勢：精準(zhǔn)分子育種 代謝組學(xué)成熱點(diǎn)
張學(xué)斌表示，種業(yè)芯片是我國農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略重點(diǎn)，當(dāng)前面臨國際種業(yè)巨頭對優(yōu)質(zhì)作物品種的壟斷挑戰(zhàn)。為打破這一“瓶頸”，精準(zhǔn)分子育種成為關(guān)鍵。在傳統(tǒng)育種基礎(chǔ)上，結(jié)合基于質(zhì)譜組學(xué)的系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)，以加速培育具有自主知識產(chǎn)權(quán)的特色品種。
當(dāng)前種業(yè)研究不僅限于追求產(chǎn)量，還更關(guān)注農(nóng)作物的性狀和品質(zhì)，其核心在于代謝產(chǎn)物種類及其含量，而代謝組學(xué)能夠很好地闡明相關(guān)的分子機(jī)制、代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵因子等。隨著質(zhì)譜技術(shù)的迅猛發(fā)展，代謝組學(xué)方法為探索作物的性狀、產(chǎn)量、發(fā)育、抗逆、品質(zhì)等涉及的調(diào)控信息提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，極大地推動了作物育種和改良研究。
近日，張學(xué)斌通過代謝組學(xué)與多組學(xué)相結(jié)合的方法，在作物抗逆、抗病機(jī)制等方面取得重要突破，為種業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展注入新的活力。
代謝組學(xué)聯(lián)合蛋白組學(xué)、遺傳學(xué)探索作物抗病機(jī)理
在New Phytologist上，張學(xué)斌首次報道了F-box蛋白介導(dǎo)的底物蛋白泛素化及降解調(diào)控水楊酸合成的分子機(jī)制[1]。研究使用Orbitrap高分辨質(zhì)譜儀對擬南芥進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析，解析了其生長受抑的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)積累了大量水楊酸及衍生物。采用靶向代謝組學(xué)和Orbitrap蛋白組學(xué)分析平臺以及遺傳學(xué)技術(shù)，進(jìn)一步證明 F-box基因突變體SAGL1能夠抑制水楊酸的合成，SAGL1能夠在翻譯后層面通過介導(dǎo)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子SARD1來抑制水楊酸的合成。這一研究為小麥、玉米、水稻、大豆等農(nóng)作物的抗病改良提供了寶貴的科學(xué)依據(jù)。
Q Exactive Plus非靶向代謝組學(xué)分析顯示SAG1中水楊酸過度積累
代謝組學(xué)聯(lián)合遺傳學(xué)解析作物抗逆機(jī)制
張學(xué)斌攜手河南農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊，在Plant Biotechnology Journal上發(fā)表迷迭香基因組與環(huán)境適應(yīng)性分子機(jī)理的研究成果[2]。該研究對迷迭香基因組進(jìn)行了重測序；非靶向代謝組學(xué)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)，解析了與其有效成分即迷迭香酸的分子合成機(jī)制，抗性相關(guān)的抗氧化物質(zhì)組織特異性分布特征與分子基礎(chǔ)，并探索出迷迭香獨(dú)特香味來源；對其在脅迫環(huán)境下的次生代謝途徑進(jìn)行研究，闡明了其應(yīng)對不良環(huán)境的分子機(jī)制。這一研究不僅增進(jìn)了對外來植物迷迭香的了解，更為培育多抗性良種如中藥材等提供了新思路。
迷迭香主要抗氧化成分的生物合成途徑
構(gòu)建完善組學(xué)方法體系，高效推動作物定向改良
張學(xué)斌一直致力于構(gòu)建完善組學(xué)方法體系，包括代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、激素組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)、揮發(fā)組學(xué)、金屬組學(xué)等，全力推動中國特色種業(yè)發(fā)展。由Q Exactive Plus、 Orbitrap Exploris 480、TSQ Altis三重四極桿液質(zhì)聯(lián)用 、 TSQ 9610三重四極桿氣質(zhì)聯(lián)用和iCAP RQ電感耦合等離子體質(zhì)譜作為主力質(zhì)譜為平臺發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，Orbitrap的高質(zhì)量分辨率、高質(zhì)量精確度為鑒定提供了很大幫助。
擬靶向代謝組學(xué)成為重要方法體系
張學(xué)斌發(fā)揮了Orbitrap高質(zhì)量分辨率以及TSQ Altis高準(zhǔn)確度、靈敏度優(yōu)勢，開創(chuàng)了作物擬靶向代謝組學(xué)方法體系，該體系兼具非靶向代謝組學(xué)定性與靶向分析精準(zhǔn)定量優(yōu)勢，不依賴于標(biāo)準(zhǔn)品，方法高效、節(jié)約成本，在上述兩項科研成果得到了成功應(yīng)用。隨著植物代謝組學(xué)快速發(fā)展，該方法正逐步成為作物優(yōu)良性狀篩選的重要工具，顯著提升生物育種的效率和準(zhǔn)確性。
? 代謝組學(xué)平臺：Q Exactive Plus高分辨質(zhì)譜儀、TSQ Altis 三重四極桿液質(zhì)聯(lián)用儀
蛋白質(zhì)組學(xué)、揮發(fā)組學(xué)和金屬離子組學(xué)
研究植物生產(chǎn)發(fā)育過程中體內(nèi)蛋白質(zhì)和翻譯后修飾水平，有助于深入探索作物抗逆機(jī)制及提升抗病性?；贠rbitrap Exploris 480質(zhì)譜平臺，張學(xué)斌團(tuán)隊已經(jīng)構(gòu)建了非標(biāo)記、標(biāo)記定量和修飾蛋白質(zhì)組學(xué)等方法體系，研究作物在特定條件和發(fā)育階段的蛋白質(zhì)表達(dá)、互作和修飾及隨時間的變化，為探索優(yōu)良形狀背后的分子機(jī)制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)育種提供有力支撐。揮發(fā)組學(xué)、金屬離子組學(xué)在研究植物代謝產(chǎn)物、風(fēng)味以及糧食作物對土壤重金屬吸收機(jī)制方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，三重四極桿氣質(zhì)聯(lián)用儀和ICPMS技術(shù)成為這一研究的主要手段。
蛋白組學(xué)、揮發(fā)組學(xué)及金屬組學(xué)平臺： Orbitrap Exploris 480高分辨質(zhì)譜儀、TSQ 9610三重四極桿氣質(zhì)聯(lián)用儀、iCAP RQ 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀
讓更多種子裝上“中國芯”，質(zhì)譜技術(shù)賦能種業(yè)高質(zhì)量發(fā)展
我國“種業(yè)芯片”正處于創(chuàng)新發(fā)展階段，如何讓更多種子裝上“中國芯”是未來的重要方向。后基因組時代，我們關(guān)注的不僅是作物的性狀、品質(zhì)，還包括氣味、口感。這些品質(zhì)特征是一系列代謝產(chǎn)物發(fā)揮作用，如揮發(fā)性、水溶性或脂溶性的化合物，代謝組學(xué)成為植物育種新的熱點(diǎn)研究方向。質(zhì)譜技術(shù)是解析這些代謝產(chǎn)物的利器，能夠助力精準(zhǔn)地育種和改良作物，讓它們更好看、更好吃、更健康！
人物簡介：
張學(xué)斌 教授，河南大學(xué)
2008年獲得英國諾丁漢大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位，先后就職于英國的洛桑實(shí)驗(yàn)站和美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室，2018年加入河南大學(xué)，組建了獨(dú)立研究團(tuán)隊和《河南大學(xué)多組學(xué)聯(lián)合研究中心》、《河南省作物逆境多組學(xué)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室》，并擔(dān)任河南大學(xué)多組學(xué)聯(lián)合研究中心執(zhí)行主任，河南省作物逆境多組學(xué)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室副主任。獲得人社部高層次留學(xué)人才、河南省特聘教授、中原英才計劃-引才系列、河南省高層次人才C類，入選河南大學(xué)人才特區(qū)支持計劃。主要研究方向包括：植物酚類化合物合成與代謝、多組學(xué)聯(lián)合解析植物逆境適應(yīng)的分子機(jī)理、F-box基因家族功能解析等，旨在為小麥、玉米、大豆等重要農(nóng)作物的抗逆性能、品質(zhì)提供重要技術(shù)支撐。在國際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表研究論文60余篇，總引用超過2500次，申請發(fā)明專利4項。
參考文獻(xiàn)：
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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