Access Agilent 电子期刊（2016 年 6 月）

安捷伦多组学解决方案阐述了低剂量的伽马射线对稻种的影响

S. A. Deepak，安捷伦应用开发科学家

电离辐射（如伽马辐射）严重影响生物体的生长发育。[1] 2011 年 3 月，福岛的日本东北大地震以及随后的海啸引发福岛第一核电站 (FDNPP) 灾难。此次灾难迫使日本在 2012 至 2013 年对该区域一些地方生产的农产品施加消费限制，因为观察到放射性核素污染。[2,3] 在本文中，我们介绍了暴露于受污染土壤中的长期低剂量伽马辐射所引起的稻种变化。我们的研究利用了安捷伦多组学解决方案（图 1）的数据综合分析优势。

图 1. 用于鉴定水稻中辐射压力的生物标记物的基因表达和代谢物分析以及随后的多组学数据整合的有效工作流程

图 2. 由于稻种暴露于低剂量伽马辐射引起水稻中差异表达的代谢通路：A) 苯丙烷类生物合成通路，B) 脂肪酸代谢通路

采集 FDNPP 核灾难后福岛 Iitate 农场稻田受放射性核素污染的土壤中生长的稻株 (Oryza sativa L. cultivar Koshihikari) 并利用锗半导体检测器测量土壤中的辐射水平。还测量了收获的种子的辐射水平，发现其低于允许的限值 (100 bq)。利用生长于 Minamisoma 的相同种类稻株的种子作为对照。

鉴别引发防御相关通路的基因

利用安捷伦水稻目录微阵列芯片进行全局基因表达分析，然后利用 Agilent GeneSpring 软件得到的差异和统计分析结果表明，水稻中的 2331 个差异基因对低剂量伽马辐射产生响应。这些基因属于植物防御、细胞壁合成、次生代谢物合成、脂肪酸代谢、抗氧化剂和生成、能量循环通路。属于次级代谢（苯丙烷）和脂肪酸代谢通路的大多数基因明显地受到了表达上调（图 2）。

苯丙烷通路产生木质素单体，其用作细胞壁中木质素强化的前体。木质素以其部分芳香化合物性质，已知还具有抗伽马辐射特性。[4] 基于对暴露于切尔诺贝利反应堆设施周围禁区的受放射性核素污染的土壤的水稻叶片的研究，PR10 病程相关基因表明表达增强，并且该基因还被识别为水稻叶片中辐射应激的潜在标记物。总之，在上游和下游通路基因和代谢物的表达中观察到正相关关系。

LC/MS 和 GC/MS 全面覆盖代谢物

利用互补的分析技术 LC/MS 和 GC/MS，我们可以扩展代谢物的覆盖范围并鉴别稻种中的所有 383 种代谢物。利用 GeneSpring 的 Agilent Mass Profiler Professional (MPP) 模块的差异分析可鉴别暴露于低剂量伽马辐射的稻种中的 50 种代谢物。这些不同的代谢物属于水稻中的能量、脂肪酸、氨基酸、核苷酸和次级代谢通路。作为细胞壁蛋白质重要组分的氨基酸脯氨酸受到显著的表达上调，在辐射稻种中的变化达到 +17.5 倍。脯氨酸对于保护细胞免受有害环境效应引起的自由基的影响具有重要作用，它的积累是植物中耐逆性的良好指标。

以通路为中心的多组学数据整合揭示了植物防御机制

GeneSpring/MPP 13.1 的多组学分析 (MOA) 模块可用于结合基因表达与代谢组数据。结果显示了两种组学之间的若干通路中的重叠项（表 1）。两种代谢物，亚麻酸和 12-氧-植物二烯酸 (12-OPDA)，以及 α-亚麻酸代谢中的 ACX 基因，均得到表达上调。该通路包括激素茉莉酸的合成，它与植物的应激反应相关。基因和代谢物的调控的正相关关系很明显，其揭示了稻种中对辐射具有协调良好的防御。这些结果表明多组学方法有助于更好地理解生物复杂性。

通路	基因表达		代谢物
通路	匹配项	通路项	匹配项	通路项
嘌呤代谢	3	132	2	92
戊糖磷酸途径	2	48	1	35
硫代谢	1	35	1	29
半胱氨酸和蛋氨酸代谢	4	85	3	57
α-亚麻酸代谢	3	33	1	40
嘧啶代谢	2	112	1	66
甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢	3	55	2	51
鞘脂类代谢	2	22	1	25
氨酰基-tRNA 生物合成	2	114	4	52
精氨酸和脯氨酸代谢	2	63	3	90

表 1. 水稻通路中基因表达和代谢物数据之间的一些重叠项

安捷伦整合生物学解决方案

为帮助科学家找出复杂生物数据中有意义的解析结果，安捷伦为执行多组学研究（包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学）提供了仪器和软件。Agilent GeneSpring 13.1 生物信息学软件可加快以通路为中心的多组学数据整合。

如需了解本研究的详细信息，请参见完整版应用简报 5991-6416EN，了解更多有关 Agilent GeneSpring 多组学工作流程如何用于对来自植物源的样品进行基因表达和代谢物分析的信息。研究人员证明使用安捷伦平台和软件工具组合的整合组学分析是一种强大的分析方法，可用于鉴定经受环境压力的植物中发生的重要事件。安捷伦对应用简报的所有作者表示感谢，他们使本文成为可能。

参考文献

G. Hayashi et al. “Unraveling low-level gamma radiation-responsive changes in expression of early and late genes in leaves of rice seedlings at Iitate village, Fukushima”. J. Hered. 2014, 723-738.
M. Saito. “Fukushima rice passes radiation tests for first time since disaster”. Reuters, January 4, 2015.
T. Imanaka et al. “Early radiation survey of Iitate village, which was heavily contaminated by Fukushima Daiichi accident, conducted on 28 and 29 March 2011”. The Radiation Safety J, 2012, 680-686.
F. E. Brauns and D. A. Brauns. “The chemistry of lignin: Covering the literature for the years 1949—1958”. Academic Press Inc. New York, USA, 1960, 564.