種子被譽為“農業芯片”，是實現農業現代化的基礎，也是“藏糧于技”的關鍵。今年2月，中央一號文件提出，推動生物育種產業化擴面提速，加大種源關鍵核心技術攻關。傳統育種多建立在遺傳學方法上，代謝組學研究在定向改良作物品種性狀研究近年來發揮出顯著優勢。
近日，河南大學生命科學學院張學斌教授在植物逆境和抗病分子機理研究領域發表了一系列重要成果。為此，我們對張學斌教授進行了專訪，請他分享其創新歷程，并重點描繪代謝組學在農業育種領域的遼闊前景。
河南大學多組學聯合研究中心執行主任/河南省作物逆境多組學國際聯合實驗室副主任 張學斌 教授
種業新趨勢
精準分子育種 代謝組學成熱點
張學斌表示：
種業芯片是我國農業的戰略重點，當前面臨國際種業巨頭對優質作物品種的壟斷挑戰，為打破這一“瓶頸”，精準分子育種成為關鍵。在傳統育種基礎上，結合基于質譜組學的系統生物學技術，以加速培育具有自主知識產權的特色品種。
當前種業研究不僅限于追求產量，還更關注農作物的性狀和品質，其核心在于代謝產物種類及其含量，而代謝組學能夠很好地闡明相關的分子機制、代謝調控網絡和關鍵因子等。隨著質譜技術的迅猛發展，代謝組學方法為探索作物的性狀、產量、發育、抗逆、品質等涉及的調控信息提供了強大的技術支持，極大地推動了作物育種和改良研究。
近日，張學斌通過代謝組學與多組學相結合的方法，在作物抗逆、抗病機制等方面取得重要突破，為種業創新與發展注入新的活力。
代謝組學聯合蛋白組學、遺傳學探索作物抗病機理
在New Phytologist 上，張學斌首次報道了F-box蛋白介導的底物蛋白泛素化及降解調控水楊酸合成的分子機制[1]。研究使用Orbitrap™高分辨質譜儀對擬南芥進行非靶向代謝組學分析，解析了其生長受抑的分子機制，發現其體內積累了大量水楊酸及衍生物。采用靶向代謝組學和Orbitrap蛋白組學分析平臺以及遺傳學技術，進一步證明 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關鍵轉錄因子SARD1來抑制水楊酸的合成。這一研究為小麥、玉米、水稻、大豆等農作物的抗病改良提供了寶貴的科學依據。
Q Exactive Plus非靶向代謝組學分析揭示SAG1中水楊酸過度積累
代謝組學聯合遺傳學解析作物抗逆機制
張學斌攜手河南農業大學團隊，在Plant Biotechnology Journal上發表迷迭香基因組與環境適應性分子機理的研究成果[2]。該研究對迷迭香基因組進行了重測序；非靶向代謝組學結合轉錄組學，解析了與其有效成分即迷迭香酸的分子合成機制，抗性相關的抗氧化物質組織特異性分布特征與分子基礎，并探索出迷迭香獨特香味來源；對其在脅迫環境下的次生代謝途徑進行研究，闡明了其應對不良環境的分子機制。這一研究不僅增進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
構建完善組學方法體系 高效推動作物定向改良
張學斌一直致力于構建完善組學方法體系，包括代謝組學、蛋白質組學、激素組學、脂質組學、揮發組學、金屬組學等，全力推動中國特色種業發展。由Q Exactive™ Plus、 Orbitrap Exploris™ 480、TSQ Altis™三重四極桿液質聯用 、 TSQ™ 9610三重四極桿氣質聯用和iCAP™ RQ電感耦合等離子體質譜作為主力質譜為平臺發展提供了強有力的技術支撐，Orbitrap的高質量分辨率、高質量精確度為鑒定提供了很大幫助。
擬靶向代謝組學成為重要方法體系
張學斌發揮了Orbitrap高質量分辨率以及TSQ Altis高準確度、靈敏度優勢，開創了作物擬靶向代謝組學方法體系，該體系兼具非靶向代謝組學定性與靶向分析精準定量優勢，不依賴于標準品，方法高效、節約成本，在上述兩項科研成果得到了成功應用。隨著植物代謝組學快速發展，該方法正逐步成為作物優良性狀篩選的重要工具，顯著提升生物育種的效率和準確性。
代謝組學平臺：Q Exactive Plus高分辨質譜儀、TSQ Altis 三重四極桿液質聯用儀
蛋白質組學、揮發組學和金屬組學
研究植物生長發育過程中體內蛋白質和翻譯后修飾水平，有助于深入探索作物抗逆機制及提升抗病性。基于Orbitrap Exploris 480質譜平臺，張學斌團隊已經構建了非標記、標記定量和修飾蛋白質組學等方法體系，研究作物在特定條件和發育階段的蛋白質表達、互作和修飾及隨時間的變化，為探索優良形狀背后的分子機制，實現精準育種提供有力支撐。揮發組學、金屬組學在研究植物代謝產物、風味以及糧食作物對土壤重金屬吸收機制方面發揮關鍵作用，三重四極桿氣質聯用儀和ICPMS技術成為這一研究的主要手段。
蛋白組學、揮發組學及金屬組學平臺： Orbitrap Exploris 480高分辨質譜儀、TSQ 9610三重四極桿氣質聯用儀、iCAP RQ 電感耦合等離子體質譜儀
讓更多種子裝上“中國芯” 質譜技術賦能種業高質量發展
我國“種業芯片”正處于創新發展階段，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，我們關注的不僅是作物的性狀、品質，還包括氣味、口感。這些品質特征是一系列代謝產物發揮作用，如揮發性、水溶性或脂溶性的化合物，代謝組學成為植物育種新的熱點研究方向。質譜技術是解析這些代謝產物的利器，能夠助力精準地育種和改良作物，讓它們更好看、更好吃、更健康！
人物簡介
張學斌 教授
河南大學
2008年獲得英國諾丁漢大學理學博士學位，先后就職于英國的洛桑實驗站和美國布魯克海文國家實驗室，2018年加入河南大學，組建了獨立研究團隊和《河南大學多組學聯合研究中心》、《河南省作物逆境多組學國際聯合實驗室》，并擔任河南大學多組學聯合研究中心執行主任，河南省作物逆境多組學國際聯合實驗室副主任。獲得人社部高層次留學人才、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，入選河南大學人才特區支持計劃。主要研究方向包括：植物酚類化合物合成與代謝、多組學聯合解析植物逆境適應的分子機理、F-box基因家族功能解析等，旨在為小麥、玉米、大豆等重要農作物的抗逆性能、品質提供重要技術支撐。在國際知名學術期刊發表研究論文60余篇，總引用超過2500次，申請發明專利4項。
參考文獻：
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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