综述：代谢组学揭示的代谢物在白菜型油菜、甘蓝型油菜和芥菜型油菜中的作用

《Metabolites》：Roles of Metabolites Unveiled by Metabolomics in Brassica rapa, B. napus and B. juncea

　　

油菜籽是植物油的主要来源，含有多种多样的代谢物。近期的进展，特别是代谢组学（metabolomics）与其他组学（omics）方法的整合，使得不仅能够全面而且能够详细分析响应特定条件的关键代谢物。迄今为止，这些在芸薹属（Brassica）作物代谢组学方面的最新进展尚未得到充分阐明。在这篇综述中，研究人员旨在总结白菜型油菜（Brassica rapa）、甘蓝型油菜（B. napus）和芥菜型油菜（B. juncea）代谢组学研究的最新进展，介绍通过此方法发现的涵盖核酸（nucleic acids）、氨基酸（amino acids）、脂肪酸（fatty acids）、脂质（lipids）、有机酸（organic acids）、生物碱（alkaloids）、苯丙素类（phenylpropanoids）、萜类（terpenoids）、黄酮类（flavonoids）和芥子油苷（glucosinolates）的关键代谢物，重点关注那些与生长发育以及非生物/生物胁迫相关的代谢物，包括大量元素可利用性（macronutrient availability）、温度（temperature）、水分胁迫（water stress）、盐胁迫（salt stress）、铝和镉毒性（aluminum and cadmium toxicity），以及核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）、黑胫病菌（Leptosphaeria maculans）和根肿病菌（Plasmodiophora brassicae）的侵染。还讨论了代谢组学与其他组学整合的未来展望和当前挑战，以及其在育种应用中的潜力，特别是在新标记发现（new marker discovery）、性状预测（trait prediction），甚至代谢选择（metabolic selection）方面，旨在开发具有稳定、高产和品质性状的新油菜品种。

论文主体部分总结如下：

**1. 引言**

油菜籽是全球第二大油料作物，在农业经济中占有重要地位，包括白菜型油菜（*Brassica rapa*，AA）、甘蓝型油菜（*B. napus*，AACC）、芥菜型油菜（*B. juncea*，AABB）和埃塞俄比亚芥（*B. carinata*，BBCC）。其中，异源多倍体甘蓝型油菜（n=19）和芥菜型油菜（n=18）广泛种植于欧洲、加拿大、南亚、中国和澳大利亚。作为植物油的主要来源，油菜籽贡献了全球食用植物油总产量的约13-16%。代谢物是细胞调控过程的产物，包括前体、中间体和终产物，在代谢层面反映植物的生理状态。作为表型变化的直接原因，代谢物更全面地揭示基因功能，连接上游基因功能和下游表型变化。植物代谢物主要分为初生代谢物和次生代谢物两大类，贡献了200,000-1,000,000种代谢物多样性。植物代谢物不仅对生长发育至关重要，还在环境防御和适应中发挥关键作用。一个生物系统合成一组代谢物构成其“代谢组（metabolome）”。基于代谢组，Fiehn于2001年提出“代谢组学（metabolomics）”，定义为“对生物系统中所有代谢物进行全面的定性和定量分析”。根据研究目的和应用，代谢组学通常可分为靶向（targeted）和非靶向（untargeted）方法。前者旨在定量验证特定代谢物的表达差异，主要用于进一步分析已知生化途径的生物学功能；后者则旨在研究实验组和对照组之间具有显著统计学差异的代谢物，更多从定性和半定量角度发现代谢组差异。因此，非靶向代谢组学可用于发现各种新的生物标志物，甚至整个代谢途径。目前，大多数代谢组学研究侧重于靶向和非靶向方法的结合，从“发现”到“验证”，以更好地利用代谢组学的作用。自20世纪90年代引入以来，代谢组学在植物中得到了广泛应用，能够检测新的代谢物、基因和代谢途径。越来越多的证据表明，代谢组学为更好地理解植物代谢物如何合成及其功能提供了有力手段。芸薹属作物富含代谢物类型；整体研究代谢物的变化和调控可为分析植物生长发育及其与环境因素的相互作用奠定基础。强大的多组学技术和分析工具已能够高效鉴定与重要性状相关的众多遗传位点和候选基因。尽管已有一些关于非生物胁迫调控、甘蓝型油菜寄主-病原互作或主要油料作物的组学综述发表，但关于芸薹属作物（包括白菜型油菜、甘蓝型油菜和芥菜型油菜）代谢组学的最新进展至今尚未完全阐明。随着代谢组学的快速广泛应用，越来越多的重要农艺、生理和营养性状，如胚胎发育、种子油脂积累、种皮颜色、非生物/生物胁迫抗性及相关代谢物，已在油菜中得到报道。本文旨在总结近年来油菜代谢组学研究的主要进展，重点关注代谢组学所揭示的代谢物及其在生长发育和防御非生物与生物胁迫中的功能。

**2. 代谢组学对代谢物的分析**

对样品中初生和次生代谢物进行定性和定量分析可反映油菜在特定条件下的细胞状态，有助于深入理解调控生物化学生型的细胞层面过程。得益于这些策略带来的技术进步，已鉴定出数千种代谢物，包括糖类、核酸、脂肪酸、脂质、氨基酸、有机酸、生物碱、酚酸、萜类、苯丙素类、黄酮类和芥子油苷（glucosinolates）。例如，Li等在388份甘蓝型油菜成熟种子中发现了2173种代谢物，包括核酸衍生物、氨基酸衍生物、脂质、苯乙醇苷类、萜类、黄酮类和其他代谢物。Zhang等利用来自中国不同地区的白菜型油菜、甘蓝型油菜和芥菜型油菜各六个品种，鉴定了一系列化合物：黄酮类、香豆素类、酚酸类、木脂素类、二苯乙烯类、二芳基庚烷类和单宁。在这三种油菜基因型中，甘蓝型油菜的总酚和总黄酮含量以及抗氧化能力始终最高。通过分析不同油菜种质的黄籽和黑籽代谢组，共鉴定出248个特征，包括芥子油苷、酚酸、黄酮类、脂类化合物和其他极性化合物。同样，Li等在胶州和济南地区种植的大白菜中发现了531种代谢物，其中529种在两个生长区域的样品中均存在，108种与中药相关。大白菜富含各种营养素，包括糖类、脂类、氨基酸及其衍生物、有机酸、酚酸、核苷酸及其衍生物、芥子油苷、黄酮类和维生素。比较研究揭示了代谢谱的区域差异。在89个已表征的差异代谢物（DAMs）中，78个在济南地区含量更高，11个在胶州地区含量更高。S-(甲基)谷胱甘肽和烟酸腺嘌呤二核苷酸是仅在胶州地区检测到的两种代谢物。此外，当对代表不同形态型和地理来源的168份白菜型油菜核心种质进行遗传标记与关键代谢物（包括类胡萝卜素、生育酚和叶绿素）之间的遗传关联研究时，Pino等获得了一组与代谢物相关的显著标记，可能用于选择这些化合物含量更高的基因型。三年后，Pino等利用靶向和基于LC-MS的非靶向代谢组学方法，分析了92份白菜型油菜双单倍体基因型6周龄叶片的次生代谢物。代谢物QTLs（mQTLs）和表达QTLs（eQTLs）的共定位确定了调控生育酚、类胡萝卜素和芥子油苷生物合成的候选调控基因。随后，作者在A03和A09连锁群上发现了两个热点区域，其中eQTLs与芥子油苷生物合成途径中的mQTLs共定位。许多芸薹属物种通过苯丙素途径产生大量可溶性羟基肉桂酸缀合物，主要是芥子酸酯。在甘蓝型油菜中，REDUCED EPIDERMAL FLUORESCENCE1（REF1）编码一种松柏醛/芥子醛脱氢酶，参与将相应醛转化为阿魏酸和芥子酸，因此作为连接木质素和羟基肉桂酸生物合成的潜在分支点酶。种子中BnaREF1的抑制导致非靶向代谢物谱揭示了一种新的化学生型，包括芥子酸酯减少、共轭单-和双-三木质醇的出现、山奈酚糖苷模式的变化以及少量咖啡酸和阿魏酸缀合物，其中少量芥子酸酯缀合物比主要成分芥子碱受影响更大。将这些代谢变化映射到苯丙素网络进一步表明，代谢序列的部分重定向是BnaREF1抑制的主要结果。最近，Yang等为油菜建立了BnIR数据库，包含六个组学层——基因组学、转录组学、表型组学、表观遗传学、变异组学和代谢组学，以及利用各种统计方法得到的众多“变异-基因表达-表型”关联。此外，该数据库集成了一套多组学搜索和分析工具，便于这些数据集的浏览和应用。目前，BnIR是油菜最全面的多组学数据库。两个案例研究验证了其在识别与特定性状相关的候选基因和阐明其潜在调控机制方面的有效性。另一个全面的油菜多组学数据库BnaOmics，在全基因组背景下，也已由中国农业科学院油料作物研究所建立。这些数据库为油菜遗传育种提供了重要的数据支持和检索分析平台。

**3. 与生长发育相关的代谢物**

**3.1 胚胎发育**

胚胎是油菜种子的核心组成部分，占种子重量的80%以上。然而，由于发育受限，胚胎必须调整其大小和形状以适应种子内的有限空间。Borisjuk等采用基于NMR的非侵入性成像技术研究发育中的甘蓝型油菜种子，揭示了脂质浓度梯度在胚胎弯曲后建立。这些梯度被发现与局部电子传输速率（ETR）和储存产物积累相关。根据空间分辨代谢模型的预测，外子叶和下胚轴/胚根产生其大部分质体还原剂和光合ATP，而被外子叶包裹的内子叶则依赖于异养生长。在类似田间的高光条件下，仅预测外子叶和下胚轴/胚根对种子储存代谢有显著的Rubisco旁路贡献。此外，植物体内与体外胚胎的比较表明，体内代谢通量受到局部调控，并与种子结构密切相关，促进了胚胎对光和空间的高效利用。为了研究种子发育过程中蛋白质丰度的动态变化，Lorenz等在特定时间点从胚乳和胚胎中提取总可溶性蛋白组分。他们发现，与糖类转化和循环、氨基酸生物合成、抗坏血酸代谢和氧化还原平衡相关的蛋白对甘蓝型油菜种子发育尤为重要。在另一项研究中，Iwase等报道，WOUND INDUCED DEDIFFERENTIATION1（AtWIND1）可增强拟南芥ESR1/DRN（ENHANCER OF SHOOT REGENERATION1/DORNR?SCHEN）基因在甘蓝型油菜中同源基因的转录，而ESR1/DRN是AtWIND1的直接转录靶标。此外，植物激素的时间谱分析揭示了AtWIND1激活后甘蓝型油菜外植体中内源生长素与细胞分裂素之间平衡的扰动。在这些外植体中还发现了动态的代谢组重编程，包括脯氨酸（Pro）、腐胺和γ-氨基丁酸（GABA）等化合物的积累，这些物质传统上被添加到组织培养基中以促进植物细胞重编程。

**3.2 油脂积累**

普遍认为，许多磷脂酰胆碱（PC）和甘油三酯（TAG）种类在整个胚胎内呈现异质性分布，因为组织特异性转录组学揭示了质体脂肪酸合成、内质网TAG组装和脂滴包装的关键基因，可能构成了高/低油性状和异质性脂质模式的基础。Li等通过对388份甘蓝型油菜自交系自然群体采用广泛靶向代谢组学方法，定量了131个与种子含油量相关的标记代谢物。这些代谢物随后被选作进一步代谢物全基因组关联研究（mGWAS）和代谢物转录组全基因组关联研究（mTWAS）的靶标。通过整合加权相关网络分析，作者构建了一个包含4384个节点和21000条边的代谢物三重关系网络（mQTLs、基因和共表达模块）。通过实验验证了该多组学分析预测的三个候选基因（BnaA03.TT4、BnaC02.TT4和BnaC05.UK）的功能，证明它们通过调控甘蓝型油菜黄酮类代谢显著影响种子含油量，展示了整合标记代谢物与多组学分析解析作物农艺性状遗传基础的潜力。为了探究油脂积累过程中的代谢变化，Tan等从种子和角果皮中提取代谢物，并通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）进行表征。在四个发育阶段共鉴定出443种代谢物。其中，数十个在种子成熟过程中表现出差异表达，包括20个已知的种子发育相关代谢物。此外，Tan等检测了三种处理（去叶（Ld）、韧皮部剥除（Pe）和选择性角果遮光（Sd））下角果皮和种子的代谢改变。发现油脂积累过程中，含油量依赖于来自角果皮的代谢流入，而非叶片光合作用和韧皮部运输。此外，Pe和Sd处理的种子意外地积累了有机酸和糖衍生物。与这些发现一致，Pe和Sd处理的种子在糖储存、脂肪酸代谢和油脂储存相关基因的表达上显示出显著变化。此外，研究表明甘蓝型油菜中蛋白质和油脂储存之间存在权衡关系。当关键napin和cruciferin编码基因下调时，Rolletschek等发现可溶性糖（主要是蔗糖）是最丰富的代谢物类别，其次是氨基酸（特别是天冬氨酸（Asp）、精氨酸（Arg）、谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gln））和有机酸（特别是苹果酸和柠檬酸）。值得注意的是，转基因胚胎中多胺和氨基酸的含量大约是野生型分离后代（WTS）胚胎的两倍。与WTS相比，转基因胚胎中Gln、His、Arg、Val和Trp显著增加，而Asp、瓜氨酸、鸟氨酸（Orn）和天冬酰胺（Asn）虽增加但不显著。转基因胚胎中由PEPC反应产生的草酰乙酸水平显著升高。储存蛋白抑制诱导了富含油体蛋白的膜堆叠（增加六倍）和一种新的内质网形态，这有助于维持胚胎碳/氮稳态。此外，当利用先前发表的来自388份甘蓝型油菜种质的代谢组数据时，Li等鉴定了137个与千粒重（TSW）显著相关的标记代谢物，以及21个与TSW和种子含油量均显著相关的标记代谢物。综合多组学分析揭示了734个mQTLs、5225个eQTLs和9077个转录组广泛显著关联的基因，强调了转录因子BnaA03.TGA6（TGACG motif-binding factor 6）在影响TSW中的作用。功能验证实验表明，tga6突变体与野生型植物相比表现出改变的代谢物水平并产生更大的种子，揭示了甘蓝型油菜TSW的遗传基础。

**3.3 种皮颜色与黄酮类合成**

为了探究种皮颜色的机制，Shen等对芥菜型油菜的深色种子和黄色种子进行了转录组和代谢分析。分析揭示了236种化合物，包括17种芥子油苷、31种酚酸、38种脂质、47种黄酮类、69种其他羟基肉桂酸化合物和34种未知化合物。其中，36种化合物，特别是表儿茶素及其衍生物，在深色和黄色种皮的芥菜型油菜基因型中，随着种子发育表现出显著不同的积累模式。此外，BjuTT8、BjuTT19、BjuANS、BjuDFR和BjuBAN的转录水平密切追踪表儿茶素及其衍生物在种子发育过程中的变化，表明该途径参与了芥菜型油菜种皮颜色的决定。此外，推测TT8A的序列变异与甘蓝型油菜、白菜型油菜和芥菜型油菜的种皮颜色稳定性相关，可能在芸薹属多倍化过程中经历了功能分化。同样，在不同白菜型油菜品种的综合代谢组、转录组和全基因组关联研究（GWAS）中，Zhao等发现，比较黄籽和黑籽时，有2499个基因差异表达，116个代谢物差异积累。这些分子特征与黄酮类生物合成途径密切相关。使用加权基因共表达网络分析（WGCNA），作者检测到330个参与种子颜色决定的核心网络基因，以及与黄酮类生物合成相关的差异表达最显著的基因。基于159份白菜型油菜种质发育种子中42种不同黄酮类积累水平的mGWAS分析，鉴定出1626个数量性状核苷酸（QTNs），包括一个位于A09染色体上的主效位点。通过整合QTN鉴定、转录组学和功能分析，研究人员共鉴定了241个与不同黄酮类相关的候选基因。利用已鉴定的代谢物和候选基因集，在白菜型油菜中重建了黄酮类生物合成途径。当使用UHPLC-MS/MS研究水杨酸（SA）如何调控油菜种子颜色时，Xia等首次证明SA水平升高增强了甘蓝型油菜种皮中的花青素积累，从而促进黑籽形成。相反，SA水平降低有利于黄籽性状的表达。此外，外源SA处理（1 mmol/L）导致黄籽品种“黄矮早”（HAZ）种皮色素沉着显著增加，产生更高比例的深棕色种子。黄酮类生物合成基因通常分为两类：结构基因和调控基因。早期的黄酮类生物合成相关基因，也称为早期生物合成基因（EBGs），编码关键酶包括查尔酮异构酶（CHI）、查尔酮合酶（CHS）、黄烷酮3-羟化酶（F3H）、类黄酮3′-羟化酶（F3′H）和类黄酮3′,5′-羟化酶（F3′5′H），参与共同前体分子的生物合成。相比之下，晚期生物合成基因（LBGs）编码酶如黄酮醇合酶（FLS）、二氢黄酮醇4-还原酶（DFR）、无色花青素还原酶（LAR）、花青素还原酶（ANR/BAN）、无色花青素双加氧酶（LDOX，也称为花青素合酶，ANS）和UDP-葡萄糖:类黄酮3-O-葡萄糖基转移酶（UFGT）。这些LBG编码的酶催化花青素、黄酮醇和黄酮等黄酮途径其他终产物以及酚酸的生物合成。调控基因主要包括一组转录因子编码基因，包括TT1、TTG1、TT2、TT8和TT16，它们参与调控花青素和原花青素（PAs）的产生。例如，TT2（R2R3-MYB蛋白）、TT8（bHLH蛋白）和TTG1（WD40蛋白）组装成三元MBW（MYB–bHLH–WDR）复合物。该复合物关键调控结构基因的表达水平和时空模式，从而在黄酮类生物合成途径中发挥关键作用。整合转录组和WGCNA与花青素代谢数据，Cui等提出MYB75的上调增强了F3H的表达，从而在油菜有色花发育中发挥关键作用。利用多组学数据集，Zhang等实验验证了BnaC07.CCR-LIKE（CCRL）和BnaTT8正向调控种皮和木质素含量。他们还预测了在甘蓝型油菜种子发育过程中控制苯丙烷衍生化合物与油脂生物合成之间碳资源分配的关键基因。在另一项独立研究中，Knoch等对包含477份春性品系的多样化油菜群体进行表型数据分析，报告了61,298个稳健的数量性状位点（QTLs），包括mQTLs（187个）、eQTLs（56,814个）和表型QTLs（4297个），其中许多QTLs聚集在明显热点区域。

**4. 与非生物和生物抗性相关的代谢物**

芸薹属植物的种子能够产生多种多样的特殊代谢物，这些代谢物既具有益处也具有抗营养性，影响种子品质并提供对环境胁迫的抵抗力。一些初生代谢物，如非酶抗氧化剂抗坏血酸和类胡萝卜素，在植物中起保护作用，对抗活性氧（ROS）的产生。相比之下，一系列次生代谢物，包括黄酮类、萜类、酚类、木质素、芥子油苷和单宁，被认为是生物和非生物胁迫耐受性的标志物。油菜中黄酮类（如花青素、黄烷醇、黄烷酮、黄酮和异黄酮）、羟基肉桂酸、羟基苯甲酸和酚类的积累速率是其他油籽的10-30倍。

**4.1 与非生物抗性相关的代谢物**

**4.1.1 大量元素胁迫响应**

为了评估甘蓝型油菜根的转录组和代谢组分析能否表征N、P、K、S、Mg和Ca单独缺乏的影响，Courbet等证明，在任何可见表型反应之前，所有大量元素缺乏都诱导了跨多种代谢途径的显著转录组和代谢组调控，其中某些改变在所有处理条件下均一致观察到。此外，利用代谢方法，作者鉴定了一组区分不同大量元素缺乏的38种生化物质，可作为诊断大量元素缺乏的潜在分子指标。在另一项研究中，Peng等系统表征了油菜对氮饥饿的脂质组和代谢组响应。他们发现氮饥饿严重抑制植物生长，并显著降低大多数氨基酸的水平。单半乳糖二酰甘油（MGDG）水平在叶和根中均显著下降，而双半乳糖二酰甘油（DGDG）水平仅在根中显著降低，导致氮饥饿下MGDG/DGDG比率显著降低。同时，磷脂酰甘油、硫代异鼠李糖二酰甘油和葡萄糖醛酸二酰甘油的丰度不同程度降低。此外，氮缺乏改变了与卡尔文循环、三羧酸（TCA）循环和能量代谢相关的代谢物水平。这些发现表明，氮缺乏诱导了膜脂代谢和碳代谢途径的扰动。类似地，当利用多组学方法阐明白菜型油菜如何适应氮缺乏条件时，Gong等在叶和根中分别发现了1917和1481个差异表达基因（DEGs）。这些DEGs主要与光合作用、氧化应激反应和氨基酸代谢相关，并与苯丙素生物合成、氨基酸代谢和能量途径中的显著代谢变化相对应。通过使用WGCNA整合代谢组和转录组数据，鉴定了参与氮胁迫适应反应的核心基因-代谢物模块，为提高氮利用效率提供了有价值的见解。相反，过量的NH₄⁺吸收对植物有毒，导致叶片黄化、根系结构异常和生长受阻等负面后果。全面的代谢组学分析证实谷氨酰胺（Gln）代谢在介导NH₄⁺耐受性中起重要作用。此外，N-糖基化途径，特别是甘露糖代谢，被NH₄⁺显著诱导；在NH₄⁺处理下，T5植株芽中的甘露糖浓度是S211植株芽中的2.75倍。这一发现表明，甘露糖可能不仅作为代谢组标志物，还可能参与赋予油菜NH₄⁺耐受性的生理适应反应。

**4.1.2 低温响应**

冬季低温阻碍种子萌发和油菜早期生长，最终导致产量降低。当使用五个冬性和五个春性甘蓝型油菜生态型表征冷胁迫响应时，Jian等发现脂质、甘油磷脂、脱落酸（ABA）和次生代谢在冷胁迫下可能对冬性和春性生态型具有不同功能。类似地，据报道，在遭受冷胁迫的耐寒甘蓝型油菜品种中，花生四烯酸和脯氨酸积累上调，而吲哚乙酸（IAA）参与低温萌发，在寒冷条件下赋予更高的萌发率。此外，代谢组分析表明，苯丙氨酸、氨基糖、核苷酸糖、嘌呤和黄酮类生物合成是油菜幼苗冷驯化（CA）后富集最多的途径。转录组和代谢组变化的同步分析揭示了油菜中特定基因-代谢物相互作用的动态性质。差异代谢物（DAMs）和差异表达基因（DEGs）之间的相关性分析表明，RAP、DREB、ZAT12、TCP2、ASP1、ASP4和ASP3，以及2-染料木素、N-乙酰-D-葡糖胺和3-羟基苯甲醇葡萄糖苷，在油菜冷驯化后发挥了重要作用。总之，这些发现阐明了油菜在冷驯化后耐受零下温度能力的分子调控机制。基于冷冻处理藏红花的转录组和代谢组变化，Yin等发现精氨酸脱羧酶基因BrrADC2.2的积累模式与腐胺水平平行。此外，CBF表达的诱导子1（BrrICE1.1）被证明直接结合BrrADC2.2的启动子，从而激活其表达并随后增强腐胺积累。进一步通过腐胺及其特定抑制剂DL-α-(二氟甲基)精氨酸（DFMA）的外源处理，研究了腐胺对藏红花耐冻性的贡献。此外，利用转录组学和靶向代谢组学分析，作者证明BrrICE1.1结合BrrADC2.2和CBFs的启动子参与藏红花的耐冻性。

**4.1.3 水分胁迫响应**

水对植物生长发育至关重要。然而，当土壤极度干燥或超过其最大持水量时，植物分别遭受干旱或渍涝胁迫，严重损害正常生长。在持续降雨和渍涝胁迫下，与黄酮类生物合成和维生素B₆稳态相关的特定代谢物，如表阿夫儿茶精和柚皮素，在G230叶片中显著增加。相反，仅在G218的根和叶组织中检测到吡哆醇磷酸盐的显著下调。此外，叶面喷施维生素B₆被证明能短暂但有效地改善G218的耐涝性。总之，这些发现表明黄酮类生物合成和维生素B₆代谢途径对甘蓝型油菜的耐涝性和耐低氧胁迫至关重要。主成分分析（PCA）显示，在充分浇水条件下表儿茶素和绿原酸，在干旱胁迫下杨梅素，是贡献自由基清除活性（RSA）的关键成分。层次聚类分析（HCA）显示，在两种灌溉制度下，香草酸、没食子酸、儿茶素和杨梅素紧密相关。在GWAS鉴定的60个候选基因（CGs）中，18个参与胁迫诱导途径、黄酮类修饰和苯丙素途径。在这些CGs中，PAL1、UGT89B1、CHI、CCR1、FLS3和CYP75B137参与黄酮类生物合成。RNA-seq显示，干旱胁迫下早期黄酮类生物合成相关基因（PAL、CHI和CYP75B137）以及后期阶段基因（FLS3、CCR1和UGT89B1）的转录增加。此外，与黄酮类和酚酸调控相关的ERF119和NAC035在干旱胁迫下也上调。为了开发针对干旱胁迫的微生物生防剂，Kim等鉴定乳酸为代谢指标，当用纤细赖氨酸芽孢杆菌（Lysinibacillus capsici）TT41处理白菜型油菜时，增强了其耐旱性。此外，单独外源施用乳酸足以有效诱导干旱胁迫耐受性。此外，对遭受干旱胁迫的甘蓝型油菜幼苗叶面外源施用富勒醇，导致在京都基因与基因组百科全书（KEGG）途径中，干旱和富勒醇响应的差异表达基因和差异积累代谢物主要富集在氨基酸代谢（特别是氨基酸生物合成以及精氨酸和脯氨酸代谢）、碳水化合物代谢（包括碳代谢和半乳糖代谢）和次生代谢物生物合成中。关于碳水化合物代谢，干旱减少了寡糖（如蔗糖）的积累，但增加了单糖（如甘露糖和肌醇）的积累。在氨基酸代谢方面，干旱胁迫减少了苯丙氨酸（Phe）和色氨酸（Trp）等氨基酸的积累，但增加了谷氨酸（Glu）和脯氨酸（Pro）的积累。对于次生代谢物代谢，土壤干旱下的甘蓝型油菜表现出黄酮类和酚类物质（如反式-3-香豆酸和金丝桃苷）的减少。然而，在干旱条件下富勒醇处理的甘蓝型油菜中，碳水化合物积累基本保持不变。在缺水条件下，富勒醇处理减少了一些氨基酸（如Pro）的积累，但增强了黄酮类和酚类物质（如反式-3-香豆酸和木犀草素）的积累。这些发现表明，富勒醇减轻了干旱胁迫对黄酮类和酚类物质水平的抑制影响，从而增强了甘蓝型油菜的耐旱性。

**4.1.4 盐胁迫响应**

土壤盐渍化是限制作物生长和生产力的主要环境问题。为了阐明油菜在碱性盐胁迫下的耐受机制，Wang等进行了代谢组学分析，发现一系列氨基酸和脂肪酸的积累增加，包括脯氨酸（Pro）、谷氨酸（Glu）、组氨酸（His）、苯丙氨酸（Phe）、瓜氨酸、酪氨酸（Tyr）、色氨酸（Trp）、亚油酸及其衍生物、亚麻酸、油酸、芥酸和神经酸，而碳水化合物（如蔗糖、海藻糖、UDP-D-半乳糖、甘露糖、果糖和6-磷酸葡萄糖）的代谢降低，表明脂肪酸和氨基酸代谢在碱性盐胁迫下起重要作用。通过对差异表达基因（DEGs）、差异积累代谢物（DAMs）和差异表达蛋白（DEPs）进行功能富集分析，确定了控制甘蓝型油菜响应盐胁迫的关键因子。结果表明，ABA和茉莉酸（JA）是响应盐胁迫的两种关键激素。盐胁迫24小时是一个重要里程碑，此时甘蓝型油菜调整多条途径以避免对盐胁迫的过度反应和不必要的能量消耗。BnPP2C的升高表达为此调控提供了切实证据。暴露于盐胁迫后，JA和ABA协同作用以减少甘蓝型油菜中盐诱导的损伤。盐胁迫后所有BnaJAZs的表达上调突出了JA在盐胁迫响应中不可或缺的作用。此外，几种代谢物，如N-乙酰基-5-羟色胺、L-半胱氨酸（L-Cys）和L-(+)-精氨酸（L-(+)-Arg），在维持活性氧（ROS）稳态中发挥关键作用。过氧化氢酶-3、半胱氨酸脱硫酶、HSP90和P450_97A3被鉴定为参与盐胁迫响应最关键差异蛋白。

**4.1.5 铝和镉毒性响应**

铝毒是酸性土壤地区的一个重要的非生物胁迫因子，它损害根部对水分和养分的吸收，从而阻碍作物生长。通过对138个重组自交系整合代谢组学与QTL定位和转录组学，鉴定出138个枢纽基因参与油菜根部对铝胁迫的响应，主要功能涉及脂质、碳水化合物和次生代谢物的代谢。同时，对于镉污染土壤的植物修复，甘蓝型油菜因其生物量大和金属积累能力强而具有巨大潜力。利用细胞组分的精细分离结合离子组学，Zhang等揭示，与敏感基因型相比，抗性基因型中更多的镉积累在芽的液泡和根的果胶中。转录组学辅助的基因共表达网络确定BnaCn.ABCC3和BnaA8.PME3为决定油菜镉抗性（PCR）的核心成员。高分辨率代谢谱进一步表明，与敏感基因型相比，抗性基因型中芽镉螯合物的积累更多，以及根果胶的生物合成更强和去甲基化程度更高。此外，结合代谢组学分析和瞬时过表达实验，Liu等证明BnaBAHD120和BnaBAHD040（两者在种子发育后期上调）大大提高了酰化代谢物的积累，从而改善了生物和非生物胁迫抗性。在另一项独立研究中，Wei等在本氏烟草中瞬时过表达BnaBGLU77并结合非靶向代谢组学分析，揭示了对β-葡萄糖苷化合物周转（降解和积累）的显著调节影响。这些发现表明BnaBGLU77编码蛋白在代谢稳态和胁迫响应中可能具有功能。

**4.2 与生物抗性相关的代谢物**

**4.2.1 核盘菌侵染**

核盘菌（*Sclerotinia sclerotiorum*）的半活体营养特性及其在土壤中以菌核形式长期存续，使得该病原体通过常规农艺措施极难控制。因此，开发替代策略需要对病原体和寄主的发病过程有基本了解。利用蛋白质组学和代谢组学分析，Teng等证明，在核盘菌侵染期间，白菜型油菜中硫胺素合成被激活，并有助于寄主防御。整合蛋白质组学和代谢组学分析进一步揭示，褪黑素（MT）处理激活了氨基酸代谢。在被侵染的白菜型油菜叶片中经MT处理后，ATP含量、抗氧化酶活性、半胱氨酸合酶、硫转移相关蛋白和芥子油苷（GSLs）均增加。综上，这些结果表明白菜型油菜叶片促进硫胺素的形成，这有助于植物防御核盘菌侵染。此外，MT进一步驱动白菜型油菜中ATP依赖的抗氧化激活和芥子油苷生物合成，从而有效抑制核盘菌侵染。此外，Qasim等发现，在抗性甘蓝型油菜品系中，与感性品系相比，响应核盘菌侵染时次生代谢物生物合成途径的基因（包括苯丙素类、芥子油苷、黄酮类、精氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸途径）相对更被诱导。Barreda等观察到长链（C8–C11）甲基亚磺酰烷基芥子油苷主要积累在种皮和胚乳中，而中/短链（C3–C7）甲基亚磺酰烷基芥子油苷积累在胚胎中。阐明种子内特殊代谢物的空间动态为合理开发优化有益与潜在有毒代谢物分配的作物品种提供了宝贵见解，从而改善种子营养特征。有关利用多组学策略解析的芸薹属-核盘菌病理系统的更多详细信息，请参考Singh等的综述。

**4.2.2 黑胫病菌侵染**

由黑胫病菌（*Leptosphaeria maculans*）引起的黑胫病是甘蓝型油菜的主要病害，常见于欧洲、加拿大和澳大利亚。当在21°C和28°C下分析被黑胫病菌侵染的抗性（R）和感性（S）甘蓝型油菜品种的代谢谱时，Amjadi等鉴定出与脂质代谢、氨基酸代谢、生物碱生物合成、黄酮类生物合成和苯丙素生物合成相关的途径与高温和病原体联合胁迫相关。此外，类胡萝卜素生物合成、赖氨酸生物合成和嘧啶代谢被归类为可能有助于病原体抗性丧失的高温胁迫特异性机制。

**4.2.3 野油菜黄单胞菌侵染**

当研究野油菜黄单胞菌野油菜致病变种（*Xanthomonas campestris* pv. *campestris*，Xcc）诱导的两个油菜品种Westar（感性）和ZS5（抗性）叶片中的转录组和代谢变化时，Zhou等表明Xcc侵染在Westar中触发了比ZS5更强烈的转录组和代谢变化。转录组学揭示，在两个品种中角质/软木脂/蜡生物合成、苯丙素生物合成、Phe代谢和Trp代谢途径富集。吲哚芥子油苷和IAA是源于Trp的两种代谢物。侵染后，两个品种中吲哚芥子油苷途径基因表达和芥子油苷水平均显著升高。此外，外源IAA促进黑腐病，而IAA合成抑制剂在感性和抗性油菜品种中均减轻了该病害。

**4.2.4 根癌农杆菌侵染**

当使用¹H核磁共振（NMR）光谱结合多变量数据分析时，Simoh等发现，被卸甲菌株LBA4404侵染的白菜型油菜叶片与被致瘤的胭脂碱（α-酮戊二酸和Arg的缀合物）和章鱼碱（Arg和丙酮酸的缀合物）菌株侵染的叶片相比，代谢物谱存在明显差异。观察到的差异尤其体现在黄酮类、苯丙素类、糖类以及游离氨基酸/有机酸的含量上。然而，每种侵染类型的偏最小二乘判别分析（PLS-DA）表明，总体而言，一些苯丙素类和黄酮类在侵染后被抑制，表明LBA4404和致瘤菌株对白菜型油菜代谢物谱的影响不同。

**4.2.5 根肿病菌侵染**

由专性活体营养病原体根肿病菌（*Plasmodiophora brassicae*）引起的根肿病影响所有芸薹属物种。在一项研究侵染代谢反应动态和多样性的研究中，Wagner等报道，早期次生侵染诱导的氨基酸、谷胱甘肽和S-甲基半胱氨酸积累与甘蓝型油菜根肿病易感性相关。此外，根肿病易感性常见的代谢标志是病原体合成的海藻糖的积累，这主要发生在侵染后期。为了应对甘蓝型油菜根部被根肿病菌侵染后代谢反应固有的复杂性，Wagner等在一个分离后代中进行了代谢组分析和病原定量，以定位参与抗性和代谢调节的QTLs。作者确定了分别位于C03和C09染色体上的两个QTLs赋予的抗性中，水田芥苷（gluconasturtiin）和两种未知代谢物可能的作用。仅有甘氨酸和谷胱甘肽同时与三个主要抗性QTLs相关联，表明它们在寄主-病原相互作用中发挥核心作用。相比之下，几个基因型特异性侵染反应被发现与抗性或易感性遗传上无关。

**5. 结论与未来展望**

迄今为止，整合转录组学、代谢组学、蛋白质组学和基因组学的多组学分析已成为筛选和分析植物中参与各种代谢途径的关键基因的有效工具。此外，基因-代谢物网络已得到较好理解，特别是在许多物种（包括拟南芥、红甘蓝和绿甘蓝、红芥菜和紫瘤状茎用芥菜）的黄酮类生物合成途径中。在油菜中，代谢组学的广泛应用及其近期与转录组学、蛋白质组学和基因组学的整合，使得越来越多的重要农艺、生理和营养性状，以及标志物与代谢物之间的遗传关联得以鉴定，包括油菜的胚胎发育、种子含油量、种皮颜色、健康相关植物化学物质以及与生物和非生物胁迫抗性相关的代谢物，为未来研究开辟了新视野。组学技术进一步促进了对寄主、病原体以及这两个物种之间分子互作的深入理解，这为发展对多种病原体具有广谱韧性，同时保持产量和作物品质的高质量芸薹属作物提供了有前景的策略。然而，使用代谢组学方法研究油菜代谢物仍存在许多挑战和限制。首先，必须消除生长环境和实验方法等外部因素对植物代谢组的影响，以确保系统一致性和准确结果。其次，尽管各种代谢组学技术的快速发展使得能够分析大量化合物，但由于油菜代谢物的极端复杂性和相关数据库的不完整性，代谢组学研究所产生的数据只能覆盖植物代谢组的一部分。第三，对于已鉴定的代谢物，其在植物体内的生物学意义极为复杂，当前方法仍无法全面理解生长、发育和抗逆性在植物体内的机制。尽管如此，通过整合多组学和系统生物学数据，包括代谢物全基因组关联研究、代谢物转录组全基因组关联研究等方法，可以构建更全面的植物代谢物生物学网络，从而更深入地理解代谢物在植物体内的功能和机制。未来，随着新标记发现、特殊性状预测、代谢途径选择，甚至人工智能的应用，代谢组学在与其他组学整合后，将极大发挥其在油菜育种中的潜力。最终，通过标记辅助选择和分子设计育种，以更全面、精准和准确的方式培育出优质、抗病的芸薹属作物，从而开发出稳定、高产、优质的新油菜品种。