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本论文主要内容为基于核磁共振(NMR)的植物代谢组方法学研究及其在植物逆境生理学和发育生理学中的应用。绪论部分对植物代谢组学的概念、研究手段、研究方法以及目前的研究进展进行了简介；第二章评估了基于NMR的植物代谢组学3种提取方法，并对NMR检测出的代谢物进行了定性、定量及相关性分析，进而讨论了NMR可见的初生及次生代谢产物及其涉及的代谢途径；在上述研究基础上，第三章进一步以烟草为模式植物，研究了其在盐胁迫下代谢组的动态应答；此外，还将基于NMR的植物代谢组学方法应用于茄子雌雄配子在体发育的代谢波动的研究(第四章)。
盐胁迫是影响全世界作物产量的主要非生物胁迫之一，日益严重的土壤盐渍化在世界范围内影响非常严重。为了研究盐分剂量和持续时间对植物的影响，第三章以烟草为研究对象，采用核磁共振(NMR)技术结合多变量分析方法，系统地分析了烟草在不同盐分浓度和持续时间胁迫下的代谢组变化。1HNMR结果显示，烟草的初级代谢物组包括有机酸、氨基酸、碳水化合物、胆碱代谢物、嘧啶和嘌呤代谢产物等40多个代谢物，且这种代谢物轮廓随着盐胁迫的严重程度发生明显的变化。正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)结果表明，短期低剂量的盐胁迫(50 mM NaCl处理1天)引起蔗糖、葡萄糖和果糖的积累，同时，苹果酸、尿嘧啶和次黄嘌呤含量显著下降，暗示了烟草在低盐胁迫下可能通过三羧酸循环(TCA)实现了氮-碳转化。我们进一步发现，高剂量的盐(500mM NaCl)导致脯氨酸和肌醇的逐步积累，而转氨基产物和胆碱类代谢物被消耗。这些结果表明盐胁迫引起了转氨基反应、TCA循环、糖酵解/糖异生、谷氨酸介导的脯氨酸合成、以及胆碱、嘧啶和嘌呤等代谢网络系统而广泛地变化。这些发现加深了对烟草在盐胁迫下的代谢适应的理解，并展示了以NMR为基础的代谢组学分析方法在植物盐胁迫等生理生化研究中广泛的应用前景。
配子体细胞的细胞周期及其调控一直是植物学乃至生命科学研究的焦点问题之一。第四章以被子植物茄子为材料，应用基于NMR的代谢组学方法，结合传统形态学分析，系统表征了茄子雄性和雌性配子体发育过程中代谢组的整体波动规律。1H NMR结果显示，茄子花粉和子房初生代谢物组包括糖类、氨基酸类、有机酸/胺类、胆碱类、莽草酸途径相关以及嘧啶和嘌呤类等6类50多种代谢产物。其中，乙酰胆碱在茄子花粉和子房中的存在据我们所知是首次报道。主成分分析(PCA)结果表明，小孢子和大孢子在体发育过程中代谢组轮廓呈现弧形和近圆形的轨迹，这一方面可能反映了发育过程中细胞增殖(有丝分裂和减数分裂)对大小孢子发育的影响；另一方面也表明大小孢子发育过程可能存在代谢组水平的不同步性。进而我们对处于不同发育阶段的大小孢子进行了成对OPLS-DA分析，结果表明：1．莽草酸途径相关的代谢物如莽草酸、奎宁酸等；2．胆碱类代谢物如胆碱、乙酰胆碱等；3．氮代谢相关代谢物如脯氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺等；4．糖类代谢物如蔗糖、葡萄糖、果糖等；5．TCA循环相关代谢物琥珀酸、富马酸、苹果酸等；6．核苷酸代谢相关物如尿苷、尿嘧啶、葫芦巴碱等发生了显著性改变，强调了脯氨酸、莽草酸、奎宁酸、乙酰胆碱及葫芦巴碱等代谢物在配子体发育过程中可能的生理功能。这是第一次采用代谢组学与经典的形态分析相结合的方法研究了茄子雌雄配子在体发育的全过程，揭示了处于不同细胞发育阶段的茄子雌雄配子代谢组的波动规律，在很大程度上扩大和深化了配子体发育过程中的细胞周期及其调控的进一步理解。