系统生物学 第六讲 表型组学、糖组学、脂质组学

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1、第六讲其他组学表型组学（Phenomics）基因型、表型和环境三者构成了遗传学研究的铁三角。人类在很早之前就根据自己的需要有意识的驯化动植物，而对于动植物表型的考察历史要远远早于对基因型的研究。近年来，随着高通量测序技术的快速发展，基因型的研究更加简单快速。然而由于植物表型本身的复杂性以及动态变化的特性，表型研究严重滞后于基因型研究。由于表型本身的复杂性和动态变化，研究者通常只专注于少数几个表型，进行静态粗略的研究，而且传统的表型调查效率很低，不同调查者具有主观性，导致不同调查人员的调查结果误差很大;同时由于表型研究技术发展相对滞后，导致表型研究严重滞后于各种组学研究。传统的

2、表型检测手段已经成为制约植物基础生物学研究包括遗传、基因功能研究、生理等的主要限制因素。表型组学(phenomics)最早由StevenA．Garan于1996年提出。表型组学(phenomics)是研究生物体表现型特征的学科。表型组学近年来得到了迅猛发展，其概念也在逐步完善，但尚未形成定论。Gjuvsland、Freimer和Houle等生物学家认为，表型(Phenotype)即生物某一特定物理外观或组成，如植物的株高、花色、产量、酶活力、抗逆性等，是基因型和环境共同作用的结果。生物的表型组为生物体表现型主要信息的集合，包括形态、发育、生化、生理和行为等各种特征，那么研究这

3、些相关内容的学科即为表型组学。亦有研究者认为表型组学即为研究生物全部物理外观和化学等表型性状(phenome，表型组)受环境影响其变化规律的学科，是一门在基因组水平上系统研究某一生物或细胞在不同环境条件下所有表型并结合基因(基因组)或蛋白(蛋白组)的研究来探究表型的本质及它们之间相互关系的学科。Robert，Varki和Tasha等将表型组定义为在遗传和环境因素的影响下，生物体组成、行为、生长所有表型的集合。通过表型组可以更好的认识和利用基因组、转录组、蛋白质组等生物信息，它与基因组、转录组、蛋白质组等各种组学以及生物信息学、统计学一起构建了系统生物学大厦。TraitsDNA

4、RNAProteinsMetabolitesNH2OHOOHOHOHOHOHOOHPhenomicsGenomicsTranscriptomicsProteomicsMetabolomics表型组学研究的需求人口的急剧增长，城市化进程的加快、人类对生物燃料的需求、气候变化、病虫害发生使全球粮食安全受到极大挑战，传统育种已经很难满足三大主要谷类作物(水稻、玉米和小麦)的增产需求。传统的育种转变为分子辅助育种，通过各种组学手段提高了植物育种效率和水平。低通量的田间性状调查通常需要对单株单性状逐一调查，需要投入大量的人力物力，并且调查结果易受调查员、测量工具及环境条件的影响，传统的

5、表型研究方法已经无法满足全基因组、转录组等各种组学的需要。表型组学研究的成熟高通量、非破坏性的实时成像技术、光谱技术、图像分析系统、机器人表型分析的技术手段日渐成熟。现代计算机技术、云计算、统计学和生物信息学等学科的发展，处理生物大数据的能力越来越强。细胞到整个生物体，从受精卵(合子)到生物体死亡的整个生命周期均能实现性状的实时捕捉。随着信息时代和大数据时代的来临，表型组学已经进入了数字化时代。植物表型组学研究特点检测的性状数据量大，可以动态检测植物的性状，可以将同一个性状划分成很多小的性状进行检测，数据采集客观、严格，便于形成统一的采集标准，有利于高通量自动化的分析，数据采

6、集更加准确和快速，这必将进一步提高育种效率和作物的栽培管理。表型组学研究意义利用目标群体详细的表型信息结合生物的基因型。表型组可以更好的认识和利用基因组、转录组、蛋白质组等生物信息。植物表型组学研究技术植物活力根形态叶的形态特性光合效率产量相关性状生物量对非生物胁迫的响应叶片形态测量仪麦穗形态测量仪夹角测量仪茎秆强度测量仪麦穗数量测量仪全自动考种仪PlantScreen植物表型成像分析系统——高通量植物表型组学研究平台田间作物可视化信息采集系统高通量植物表型平台高分辨率多光谱激光三维扫描测量仪高通量植物叶绿素荧光成像系统大型植物叶绿素荧光成像系统多通道植物群体光合气体交换测量

7、系统糖组学（Glycomics）20世纪末,继基因组学、蛋白质组学之后,糖组学也日益受到人们关注。糖组学是对糖链组成及其功能研究的一门新学科,是基因组学的后续和延伸,具体内容包括研究糖与糖之间、糖与蛋白质之间、糖与核酸之间的联系和相互作用,其主要研究对象为聚糖。丰富多样的聚糖覆盖了生物有机体的所有细胞,不仅体现细胞的类型和状态,也参与了许多生物学行为,如细胞发育、分化、肿瘤转移、微生物感染、免疫反应等;聚糖还体现生物和分子的进化作用,如糖酵解、生物合成的保守性以及核糖的起源等。糖组学研究意义1、细胞表面