文献解读 | 联合蛋白质组和代谢组解析玉米冷胁迫的响应机制

发布于 2022-05-18 11:08

代谢组学和蛋白质组学研究玉米对冷胁迫的响应机制

影响因子：6.362

期刊：Plant Cell Environ

时间：2021.05

研究背景

2021年5月，Plant Cell Environ上线了代谢组和蛋白质组联合分析解析玉米对冷胁迫响应机制的文章，题为“Maize metabolome and proteome responses to controlled cold stress partly mimic early-sowing effects in the field and differ from those of Arabidopsis”。该研究通过蛋白组和代谢组关联分析发现不同基因型玉米对冷胁迫反应相似，并且这些结果也在田间实验条件得到验证。文章中确定了几个候选代谢物和蛋白质，可以作为预测对田间早播的生物标记物。这些结果可能有助于培育耐寒玉米新品种。

样本细则

本研究采用开花日期接近的18个基因分型的材料，进行生长箱实验，实验设计包括4个温度(20、16、13和8.5℃设置)，三步降温，每一步持续2天。每个处理8株植株，2株用于生理指标检测，6株用于蛋白组和代谢组实验，分别是3个生物学重复，组织部位是叶片。液氮速冻叶片样品并储存在-80℃中。

研究思路

研究结果

1 、生理指标检测——短时低温影响叶片光合作用

在20℃生长箱中培养玉米，然后三次降温（16℃、13℃和8.5℃），每次2天，收集植物叶片用于后续实验。使用光合作用指标来指示冷害对玉米的影响。从下表可以看出，温度降低，光合作用指标Fv/Fm、ϕPSII等显著下降（p < 0.05，表2)。因此，低温影响玉米叶片光合作用。

表2.在生长箱中4个温度阶段的叶片叶绿素荧光参数

2、代谢组和蛋白组分析——代谢物和蛋白质受到温度梯度的影响

为了进一步分析低温对玉米的影响，作者进行了代谢组及蛋白组分析。通过代谢组和蛋白组分析分别得到1375个代谢物及1159个蛋白质。双因素方差分析显示，所有的代谢物和1093个蛋白质在不同分组中有显著差异(p < 0.05)。大多数代谢物和蛋白质同时受到温度和基因型效应的影响。另外，叶片总蛋白含量和淀粉含量显著受温度影响(p < 0.05，表3)：叶片总蛋白含量和淀粉含量在16℃时显著下降，后保持不变。

表3. 不同温度条件下玉米叶片总蛋白质含量

3、代谢组和蛋白组分析——16℃对代谢物和蛋白质的影响最大

为了直观显示低温对玉米叶片成分的影响，作者基于代谢组学数据(图1a–c)和蛋白质组学数据(图1d–f)进行了PCA分析。图中可以看出叶片代谢组和蛋白质组受第一个温度梯度(20℃ - 16℃)最大。为了突出低温影响的分子功能，对代谢组和蛋白质组数据进行了火山图分析（图2、3）。差异筛选条件为FC > 1.2和p值< 0.01，发现共有716种代谢物或和214种蛋白质受到显著影响（图2、3）。其中，温度变化从20℃到16℃的代谢物或蛋白质的数量最多，其他分组变化较少。

图1.对代谢组或蛋白质组数据PCA分析

图2.代谢组学数据火山图分析

图3.蛋白组学数据火山图分析

进一步研究低温影响的物质变化，结果显示在16℃时，下调的代谢产物为2种糖、6种氨基化合物、苹果酸和4种苯并嗪类化合物(图2a)，上调代谢产物包括3种糖、4种有机酸、1种氨基酸、1种苯并恶嗪类化合物、4种黄酮类化合物和9种羟基肉桂酸。而在16℃时下调了93个蛋白质和114种已知功能的蛋白质（图3a）。

4、代谢组学和蛋白质组学联合分析——揭示玉米对温度变化的反应模式

为了直观的了解代谢物和蛋白质在不同温度下的变化方式，作者进行了K-means分析（图4）。其中簇1由6种代谢物和42种蛋白质组成，从20-16℃迅速下降然后保持稳定。它包括苹果酸、三种氨基酸、六种核糖体蛋白质和九种参与卟啉或叶绿素代谢过程的蛋白质。簇2由7种代谢物和13种蛋白质组成，从20-16℃迅速下降然后缓慢增加。它包括天冬氨酸、胆碱、HMBOA葡萄糖苷、DIM2BOA葡萄糖苷、两种超氧化物歧化酶和四种参与氮代谢的蛋白质。簇3由13种代谢物和22种蛋白质组成，从20-16℃迅速增加后缓慢增加。簇4由4种代谢物和1种蛋白质组成，表现出先增加后下降的趋势。簇5由1种代谢物和7种蛋白质组成，表现出逐渐下降的趋势。簇6由10种化合物和33种蛋白质组成，从20-16℃迅速升高后保持稳定。它包括淀粉和淀粉合酶IIc前体、反式乌头酸、三种参与脂质代谢过程的蛋白质和五种蛋白酶。

图4.代谢物和蛋白质的K-means分析

图5. 基因和代谢物通路图

5、田间验证实验——生长箱和田间对低温的反应相似

进一步分析生长箱中温度变化对玉米表型的影响是否与田间实验结果类似，作者分析了26种化合物和125种蛋白质的变化在田间实验中是否测量到：在田间实验中有9种代谢物与生长箱实验表现出相似的模式。这些代谢物包括反式乌头酸盐、香豆酰羟基柠檬酸盐、金黄色糖基鼠李糖苷、咖啡酰奎宁酸盐、铁酰奎宁酸盐、一种异牡荆苷、DIBOA-葡萄糖苷、苹果酸和谷氨酰胺。在田间试验中71种蛋白质与生长箱实验遵循类似的模式。包括1种蔗糖合成酶、lethal leaf-spot 1、铜伴侣蛋白、半胱氨酸蛋白酶1前体、1种二烯氧合酶、1种香豆酸辅酶A连接酶、几种谷胱甘肽转移酶和过氧化物酶、6-磷酸果糖激酶、磷酸甲基嘧啶合酶、镁螯合酶和核糖体蛋白L5。并且对含量最大的6种代谢物和蛋白进行展示（图6）。

图6. 6代谢物和6种蛋白质在生长箱（右侧的y轴）和田间试验（左侧的y轴）之间的叶片响应

迈维小结

本研究调查了18个具有广泛遗传多样性的玉米基因型。在控制温度条件下探究叶片的代谢组学和蛋白质组学特征，并揭示了所有基因型玉米共同对低温的响应机制，并在田间试验中被印证。本研究也确定了几个候选代谢物和蛋白质，可以作为生物标记物（可能响应温度条件），以通过生长箱实验预测对田间早播的响应。总之，结合代谢组学和蛋白质组学可能有助于培育耐寒玉米新品种。