系统生物学表型组学糖组学脂质组学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第六讲 其它组学第1页表型组学（Phenomics）基因型、表型和环境三者组成了遗传学研究铁三角。人类在很早之前就依据自己需要有意识驯化动植物，而对于动植物表型考查历史要远远早于对基因型研究。近年来，伴随高通量测序技术快速发展，基因型研究愈加简单快速。然而因为植物表型本身复杂性以及动态改变特征，表型研究严重滞后于基因型研究。第2页因为表型本身复杂性和动态改变，研究者通常只专注于少数几个表型，进行静态粗略研究，而且传统表型调查效率很低，不一样调查者含有主观性，造成不一样调查人员调查结果误差很大;同时因为表型研究技术发展相对滞后，造成表型研究严重滞后于各种组学研究。传统表型检测伎俩已经成为制约植物基础生物学研究包含遗传、基因功效研究、生理等主要限制原因。第3页表型组学(phenomics)最早由Steven AGaran 于1996 年提出。表型组学(phenomics)是硕士物体表现型特征学科。表型组学近年来得到了迅猛发展，其概念也在逐步完善，但还未形成定论。第4页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，如植物株高、花色、产量、酶活力、抗逆性等，是基因型和环境共同作用结果。生物表型组为生物体表现型主要信息集合，包含形态、发育、生化、生理和行为等各种特征，那么研究这些相关内容学科即为表型组学。第5页亦有研究者认为表型组学即为硕士物全部物理外观和化学等表型性状(phenome，表型组)受环境影响其改变规律学科，是一门在基因组水平上系统研究某一生物或细胞在不一样环境条件下全部表型并结合基因(基因组)或蛋白(蛋白组)研究来探究表型本质及它们之间相互关系学科。Robert，Varki 和Tasha等将表型组定义为在遗传和环境原因影响下，生物体组成、行为、生长全部表型集合。第6页经过表型组能够更加好认识和利用基因组、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。TraitsDNARNAProteinsMetabolitesNH2OHOOHOHOHOHOHOOHPhenomicsGenomicsTranscriptomicsProteomics Metabolomics 第7页第8页第9页表型组学研究需求人口急剧增加，城市化进程加紧、人类对生物燃料需求、气候改变、病虫害发生使全球粮食安全受到极大挑战，传统育种已经极难满足三大主要谷类作物(水稻、玉米和小麦)增产需求。传统育种转变为分子辅助育种，经过各种组学伎俩提升了植物育种效率和水平。低通量田间性状调查通常需要对单株单性状逐一调查，需要投入大量人力物力，而且调查结果易受调查员、测量工具及环境条件影响，传统表型研究方法已经无法满足全基因组、转录组等各种组学需要。第10页表型组学研究成熟高通量、非破坏性实时成像技术、光谱技术、图像分析系统、机器人表型分析技术伎俩日渐成熟。当代计算机技术、云计算、统计学和生物信息学等学科发展，处理生物大数据能力越来越强。细胞到整个生物体，从受精卵(合子)到生物体死亡整个生命周期均能实现性状实时捕捉。伴随信息时代和大数据时代降临，表型组学已经进入了数字化时代。第11页植物表型组学研究特点检测性状数据量大，能够动态检测植物性状，能够将同一个性状划分成很多小性状进行检测，数据采集客观、严格，便于形成统一采集标准，有利于高通量自动化分析，数据采集愈加准确和快速，这必将深入提升育种效率和作物栽培管理。第12页表型组学研究意义利用目标群体详细表型信息结合生物基因型。表型组能够更加好认识和利用基因组、转录组、蛋白质组等生物信息。第13页植物表型组学研究技术植物活力根形态叶形态特征光合效率产量相关性状生物量对非生物胁迫响应第14页叶片形态测量仪第15页麦穗形态测量仪第16页夹角测量仪第17页茎秆强度测量仪第18页麦穗数量测量仪第19页全自动考种仪第20页PlantScreen植物表型成像分析系统高通量植物表型组学研究平台第21页第22页田间作物可视化信息采集系统第23页高通量植物表型平台第24页第25页高分辨率多光谱激光三维扫描测量仪第26页高通量植物叶绿素荧光成像系统第27页第28页第29页大型植物叶绿素荧光成像系统第30页第31页多通道植物群体光合气体交换测量系统第32页第33页糖组学（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效研究一门新学科,是基因组学后续和延伸,详细内容包含研究糖与糖之间、糖与蛋白质之间、糖与核酸之间联络和相互作用,其主要研究对象为聚糖。丰富多样聚糖覆盖了生物有机体全部细胞,不但表达细胞类型和状态,也参加了许多生物学行为,如细胞发育、分化、肿瘤转移、微生物感染、免疫反应等;聚糖还表达生物和分子进化作用,如糖酵解、生物合成保守性以及核糖起源等。第34页糖组学研究意义1、细胞表面都被各种形式聚糖所包被,帮助我们识别细胞类型和状态.但单从基因组信息无法预测最终聚糖结构,所以,迫切需要开发新糖组学研究伎俩和思绪以分析糖组结构和功效。2、糖基化是全部真核蛋白质翻译后加工一个形式,但糖基化远较单一结构形式磷酸化复杂得多,所以聚糖研究存在各种技术困难,蛋白质组学中大多数方法不适用糖基化研究。第35页糖组学研究策略研究策略为:(1)分析物种生物所产生全部聚糖;(2)以糖肽为研究对象确认编码糖蛋白基因;(3)结合有效理化和生化性质,研究糖蛋白糖链性质。研究重点在于:(1)编码糖蛋白基因;(2)实际糖基化位点;(3)聚糖结构;(4)糖基化作用。结构糖组学主要包含“糖捕捉”技术、前沿亲和层析技术等,功效糖组学主要包含微阵列技术等。第36页植物凝集素探针植物凝集素（lectin）是一类非免疫起源，无酶活性，能与聚糖特异性结合蛋白质，作为探针能够捕捉到混合物中聚糖，为目标细胞、组织或集体糖组学研究提供一手资料。最惯用植物凝集素有刀豆素A、半乳糖凝集素、花生凝集素、橙黄网胞盘菌凝集素等。不一样植物凝集素用于分离不一样类型糖蛋白和糖肽。在糖捕捉操作中植物凝集素应用还是有一定限制。第37页利用植物凝集素亲和柱捕捉糖蛋白过程植物凝集素亲和柱捕捉一组糖蛋白；糖蛋白被蛋白酶彻底水解；水解产物在经植物凝集素亲和柱捕捉到糖肽；肽链和糖链分别经HPLC/MS分离判定；取得肽序列和糖链分子质量；分析蛋白质序列并查询数据库取得相关遗传信息；分析聚糖结构取得糖基化信息。使用不一样植物凝集素柱进行第二和第三次循环，捕捉其它类型糖肽，能够对某个细胞核集体进行较全方面糖组学研究。第38页功效糖组学研究技术伴随糖组学研究深入，基于芯片原理人们创造了用于糖组研究各类糖芯片，得到了广泛应用。因为其含有信息量大、可进行自动化操作等特点，就如基因芯片对于基因研究和蛋白质芯片对于蛋白质组研究一样，糖芯片在糖组学研究中一样也将饰演主要角色。第39页凝集素-糖相互作用芯片依据凝集素和寡糖之间特异性相互作用，将寡糖或糖基复合物固定于芯片上，再用荧光素标识凝集素进行杂交，检测阳性信号分析与已知凝集素相互作用寡糖结构。这种方法最大优点是能够同时检测多个样本，含有批量化、标准化和自动化特点。第40页杂交糖类/糖蛋白芯片杂交糖类/糖蛋白芯片能够快速测定在结合过程中，蛋白质-蛋白质相互作用和糖类-蛋白质相互作用。经过将糖蛋白和它表面寡糖都点到点阵上，就能够快速证实结合决定簇。第41页糖组学展望糖组学研究还处于起步阶段。妨碍糖组学快速发展主要是研究技术限制和糖链本身结构复杂性，当前尚没有一个技术能够快速、大量测定细胞全部糖链结构。在期望能有更便捷测定糖链结构技术同时，怎样利用现有技术开展糖组学研究则更应生物学家需要考虑问题。糖芯片技术出现对于研究聚糖结构和功效起到了相当大推进作用，必将在糖组学研究中得到更为广泛应用。第42页脂质组学(Lipidomics)脂质组学是对生物体、组织或细胞中脂质以及与其相互作用分子进行系统分析一门新兴学科。脂质含有各种主要生物功效，脂质代谢异常可引发很多人类疾病，包含糖尿病、肥胖症、癌症以及神经退行性疾病等。当前，脂质组学研究已成为一个前景辽阔热门领域，并广泛地应用到包含药品研发、分子生理学、分子病理学、功效基因组学、营养学以及环境与健康等主要领域第43页脂质是一类难溶于水而易溶于非极性溶剂生物有机分子。细胞中脂质分子大致能够分为3大类：非极性脂质(包含胆固醇、胆固醇酯和甘油三酯)极性脂质(包含磷脂类、鞘脂类和糖脂类)脂质代谢物(指脂质合成或水解过程中产生物质，它们中许多是含有生理活性第二信使物质)第44页脂质组学(Lipidomics)Han和Gross首次提出脂质组学(Lipidomics)概念。脂质组学是硕士物体内全部脂质分子特征，以及它们在蛋白质表示和基因调控过程中作用学科。第45页薄层色谱(TLC)法最早应用于脂质分析色谱法。它将脂类用硅胶板上行法展层,展开后板上喷脂质显色剂。各种脂质在TLC板上展开后,脂质定量可采取薄层色谱扫描仪计算积分值,或将脂质斑点刮下来,然后测定其含量。TLC法分为单向和双向2种。第46页单向TLC能够同时分析几个样品,但极难将组分完全分开。双向TLC可将脂类各组分完全分开,不过它1次只能分析1个样品。TLC法含有直观、快捷优点,能快速分离脂质,而且价格比较廉价。脂质经过TLC初步分离后也能够用气相色谱和高效液相色谱做深入分析。第47页TLC法需要样品量大,测定灵敏度和分辨率都很低。TLC板上斑点在切除过程中极易发生不饱和脂类氧化,因而破坏了部分脂类结构。第48页其它方法高效薄层层析法(high performance thin layer chromatography，HPTLC)GC-MSESI-MSMALDI-TOF-MS第49页脂质组学数据库因为缺乏普遍接收脂类分类规则，脂质数据库建立都是各研究单位依据各自研究范围建立。当前脂质数据库土要有3个，分别是LMSD、LipidBank和LlPlDAT。第50页脂质组学发展前景脂质组学在分析方法和应用方面即使取得了突破性进展，不过因为其起步晚，与其它组学相比还有很大差距。相对于核酸和蛋白质而言，人们对脂质了解还极少，对植物脂质了解则更少。所以能够预言，在揭示各种生命现象机制中，系统研究脂质功效与作用机理还有很大发展潜力。脂质组学发展将对医学和生命科学一些相关领域发展起到一定推进作用。第51页