利用蛋白质组学研究铝胁迫下小麦根系细胞壁响应蛋白及细胞组分变化

题目：iTRAQ-based proteomics screen for potential regulators of wheat (Triticum aestivum L.) root cell wall component response to Al stress

蛋白质组学研究铝胁迫下小麦根系细胞壁响应蛋白及细胞组分变化

期刊：Gene

影响因子：2.498

合作技术：iTRAQ

 

研究背景

        全世界50%以上潜在的可耕地属于酸性土壤，铝毒害是酸性土壤上限制作物产量的主要障碍因子之一。根尖是对铝毒害最敏感的部位，表现为根尖伸长受到抑制。植物根伸长主要包括两个过程：细胞伸长和细胞分裂。有研究者认为铝胁迫抑制根伸长的初始效应主要是由于抑制细胞伸长。目前大多数关于铝胁迫的蛋白质组学研究集中在铝毒响应蛋白上，对铝干扰的根系细胞壁及代谢影响的研究较少。

 

研究内容及结果

1. 铝胁迫小麦根蛋白质组学分析

        作者选择苗长均匀的ET8品种小麦（Triticum aestivum L）幼苗分别经CaCl2（对照组，CK）和铝胁迫（实验组，Al）孵育后选取根尖进行iTRAQ定量蛋白质组学检测分析。共鉴定到7401种蛋白质（表1，图1），平均肽段长度为15.56个氨基酸，保持在合理的范围内（图1B），鉴定蛋白序列平均覆盖度为16.98%（图1C）。鉴定到97种差异表达蛋白（fold change ratio≥1.5 or≤0.6, p≤0.05），其中上调蛋白47种，下调蛋白50种。

表1 鉴定蛋白和肽段数目

 

 

图1 蛋白质组学鉴定结果

 

2. 差异表达蛋白功能注释分析

作者随后将差异蛋白进行GO功能注释，发现表达上调的蛋白和下调的蛋白在GO分类上没有明显区别（图2）。GO注释结果显示，在生物过程中差异蛋白主要参与metabolic和cellular processes，细胞组分中cell和cell part占有较大比例，分子功能中差异蛋白主要参与binding（图2）。为了进一步研究这些蛋白质的生物学功能，作者进行了KEGG注释分析，发现这些差异蛋白主要参与Metabolic pathways、biosynthesis of secondary metabolites、microbial metabolism in diverse environments（图3）。

图2  GO功能注释

图3 KEGG功能注释

3. 铝胁迫对根细胞壁组分代谢相关酶的影响

        随后作者进行层次聚类分析，发现和对照组相比，铝胁迫实验组中胁迫调节蛋白表达量发生显著差异（图4）。细胞壁组分的变化是铝胁迫下根细胞伸长抑制的原因之一。因此，作者专注于这些应激类型中涉及的蛋白质的变化。97种差异蛋白质有9种与根细胞壁成分相关，其中5种蛋白序列已知（PM H+-ATPase、peroxidase、 glycosyltransferase、Lipoxygenase、14-3-3 protein）。

图4 差异蛋白层次聚类分析

4. 基因和蛋白表达相关性

        作者挑选了5种根细胞壁组分代谢相关蛋白进行基因表达分析（14-3-3 protein、PM H+-ATPase、glycosyltransferase、phospholipase D、peroxidase），以确定基因表达数据是否能确认蛋白质丰度的变化。qRT-PCR结果表明，与对照相比，铝胁迫显著抑制14-3-3 protein、 PM H+-ATPase, glycosyltransferase、phospholipase D的表达，而peroxidase表达量增高（图5）。其中三种基因的表达水平和组学结果一致（peroxidase、phospholipase D、14-3-3 protein）。基因的表达水平与相应蛋白质的丰度之间的差异可能是由翻译后修饰引起的。

        接下来作者又检测了细胞壁组分含量和代谢相关酶的活性以验证蛋白质组学分析。发现铝胁迫下小麦根系细胞胼胝质酶活性降低了36.68％，纤维素酶活性降低了28.57％，PM H+-ATPase 活性降低了25%，PAL（苯丙氨酸解氨酶）、CAD（肉桂醇脱氢酶）、 POD（过氧化物酶）活性分别增加53.18%、33.06%和52.01%。细胞壁组分也发生显着变化（表2），胼胝质、木质素、H2O2含量分别增加52.65％、29.28％和67.50％，而纤维素含量下降了26.13％。

 

表2 铝胁迫处理后小麦根细胞壁组分

 

图5 小麦根系伸长相关基因的表达水平

文章小结

作者通过高通量蛋白质组学技术筛选得到了小麦根细胞壁响应铝胁迫反应的9种相关蛋白，证明铝胁迫除显著改变根细胞壁组分代谢相关蛋白表达量外，也影响小麦根系细胞组分变化。

 

解析文献

Ye Yang, Li Ma, et al. iTRAQ-based proteomics screen for potential regulators of wheat (Triticum aestivum L.) root cell wall component response to Al stress[J]. Gene, 2018, 675:301-311.

 

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