蛋白質組 多組學 植物蛋白質組
文獻解讀 | 又挖到一個發Plant journal秘訣!植物蛋白質組深度解析:熱應激對玉米幼穗發育的影響機制

抗逆機制是植物研究領域重要的研究方向。蛋白質組作為植物對環境脅迫響應的終端執行層次,其豐度變化、修飾狀態及互作網絡直接影響了抗逆表型的最終形成。
精準解析植物蛋白質組,能夠揭示轉錄調控無法覆蓋的翻譯后修飾、蛋白降解等關鍵機制,為抗逆機制假說提供更完整驗證鏈條。
脅迫信號相關低豐度蛋白在復雜植物組織中的捕獲效率低下,難以進一步系統解析信號傳導通路。
短暫表達的植物抗逆機制相關蛋白動態變化軌跡追蹤精度不足,在描述脅迫機制時序模型時可能存在要素缺失。
非模式物種蛋白功能注釋信息不足,阻礙跨物種抗逆機制的比較研究。

通過解決樣本前期處理差異性、物質鑒定深度、蛋白質功能注釋限制等問題,三黍生物植物全景蛋白質組為客戶提供平均鑒定數達15000+,深度報告達100頁+的蛋白質組鑒定分析服務,顯著提升抗逆研究的假說驗證可靠性和完整性:脅迫響應蛋白質系統定量補充轉錄調控與表型間關聯驗證;蛋白動態變化圖譜驗證脅迫信號級聯通路;跨物種數據對為進化適應性研究提供新維度……
植物蛋白質組鑒定對于植物抗逆機制研究有多重要?來看發表于the plant journal的這篇文章怎么說。
由于全球變暖和極端天氣事件發生的概率增加,熱應激正逐漸成為制約農業生產的重大因素。為了減輕熱應激導致的產量損失,了解熱應激對玉米幼穗發育的影響機制至關重要。
2025年5月14日,山東農業大學團隊在the plant journal雜志發表了題為“Inhibiting reactive oxygen species production mitigates endoplasmic reticulum damage in florets of developing maize ears under heat stress”的文章,本研究探討了熱應激對熱敏感型和耐熱型玉米品種的影響。 在田間條件下,通過表型、生理、解剖學及多組學技術的綜合應用,從表型到分子層面全面評估了幼穗的特性。

玉米
轉錄組學、蛋白組學、TEM、qPCR、WB等

成熟玉米穗表型差異結果顯示熱敏感品種Xianyu 335(XY-sens)在熱脅迫后表現出比耐熱品種Zhengdan 958(ZD-tol)更嚴重的穗部損傷(圖1B)。產量相關指標變化:
每穗粒數顯著減少:ZD-tol減少32 ± 1.1%,XY-sens減少54 ± 1.9%。
粒重輕微增加:ZD-tol增加4 ± 1.1%,XY-sens增加9 ± 1.0%,但不足以補償粒數損失。
最終產量下降:ZD-tol減產29%,XY-sens減產60%(均P < 0.05)。
小花分化異常(圖1C):總小花數和受精小花數顯著減少,敗育小花數增加。
熱脅迫導致XY-sens頂端小穗分化延遲(位置5-15),同時中部小穗(如位置20)小花分化加速;而ZD-tol僅表現中部小花加速分化,頂端未延遲。

圖1 熱應激降低了籽粒數量,并改變了發育中的耳朵的花粉分化
通過透射電鏡(TEM)觀察,研究了熱應激對玉米幼穗小花細胞結構的影響。對照組兩種品種的細胞結構完整,細胞器如內質網、高爾基體、線粒體等膜結構平滑,線粒體形態飽滿,基質豐富。熱應激30分鐘后,敏感型XY-sens的線粒體嵴開始斷裂甚至消失,而耐熱型ZD-tol沒有明顯變化。隨著處理時間延長到2小時,兩種品種都出現線粒體空泡化,但ZD-tol僅核膜輕微模糊,而XY-sens出現核膜破裂、細胞器減少、內質網擴張等更嚴重的損傷。6小時后,ZD-tol的核膜不完整,內質網輕微擴張,而XY-sens的膜結構模糊,內質網擴張成喇叭狀,脂滴減少。處理1天后,ZD-tol的膜結構模糊,液泡增大,而XY-sens的核膜嚴重降解,細胞結構紊亂。此外,圖2B和C部分涉及ROS積累和氧化應激指標。熱應激2小時后,兩種品種的ROS熒光增加,尤其是XY-sens出現細胞死亡。7天后,XY-sens的過氧化氫和丙二醛水平顯著上升,而ZD-tol的超氧化物歧化酶活性增強,表明其抗氧化防御機制被激活。

圖2 熱應激破壞膜結構并觸發脂質過氧化
為了研究熱應激的分子反應,作者分析了短時和長時間熱暴露后差異表達基因(DEGs)的變化(P < 0.05,圖3A)及GO和KEGG分析。結果表明,ZD-tol(耐熱品種)中蛋白酶體蛋白分解代謝相關的基因(泛素依賴和非依賴途徑)以及細胞質翻譯相關基因表達下調。同時,ZD-tol的差異表達基因在多個代謝途徑中富集,如碳水化合物、能量、氨基酸、脂質代謝和次級代謝物生物合成,顯示出代謝重編程。而XY-sens(熱敏感品種)則上調了與未折疊蛋白反應(UPR)、蛋白質穩定、伴侶輔助的蛋白折疊、防御反應以及淀粉和蔗糖代謝相關的基因,表明其內質網損傷更嚴重,并激活了UPR通路,同時增強代謝以應對脅迫(圖3B)。

圖3 熱應激改變了多個基因途徑的表達
為了評估熱應激下ER的狀態,作者檢測了包括ZmBiP1、ZmBiP2、ZmBiP3、ZmbZIP60、ZmCNX1、ZmCRT1a、ZmPDIL1-1和ZmPDIL2-2在內的UPR標志基因的表達水平。短期熱應激后,XY-sens多個基因(ZmBiP1、ZmBiP2、ZmBiP3、ZmbZIP60、ZmCNX1)被誘導,而ZD-tol僅ZmBiP3和ZmbZIP60上調。此外,ZD-tol中的ZmBiP3在7天后顯著上調。圖4B則顯示UPR標記基因(如ZmBiP1和ZmbZIP60)的剪接形式在熱應激后發生改變,揭示了熱應激下ER損傷的品種間差異,并間接支持抑制ROS對ER的保護作用。

圖4 熱應激觸發內質網應激
為了驗證熱應激后玉米ER應激是否普遍存在,作者隨機選取了四種廣泛栽培的玉米品種。根據產量數據,WS69和MY73品種在熱應激后的產量下降幅度大于DH605和DH618品種(圖5A)。盡管各品種間熱耐受性存在差異,但在V12階段經歷熱應激后,所有ER標志基因的表達均呈現上調趨勢(P < 0.05),且增幅更大,在WS69和MY73(圖5B)中觀察到。該結果證實,玉米穗在經歷熱應激后確實會發生內質網應激。

圖5 實驗2中四種玉米品種在熱脅迫下的特性
蛋白質組學數據表明,熱脅迫1天后,耐熱品種(ZD-tol)和熱敏感品種(XY-sens)分別檢測到102和98個差異表達蛋白(DEPs);脅迫7天后,DEPs數量分別增至184和205個,且下調蛋白多于上調蛋白(圖6A)。關鍵DEPs包括與細胞解毒、晝夜節律、蛋白質折疊及內質網相關過程。其中,P23345在ZD-tol中上調而在XY-sens中下調,K7UGM3僅在XY-sens中下調(圖6C)。內質網損傷與ROS抑制的關聯:熱脅迫誘導的DEPs顯著富集于內質網蛋白質加工通路(KEGG分析),且多數蛋白上調,表明內質網應激響應增強。細胞解毒相關蛋白(如P23345)的上調可能通過抑制活性氧(ROS)產生減輕內質網損傷,而熱敏感品種中該蛋白下調可能加劇損傷。此外,ERAD相關蛋白(C0P4Q3、B4F9E8)的上調進一步支持內質網修復機制激活(圖6C)。以上結果表明,抑制ROS的產生可能通過增強細胞解毒和ERAD過程緩解內質網損傷。

圖6 熱應激調節多種信號通路
使用ROS抑制劑NAC后,熱應激下的玉米花序中ROS含量顯著降低,ZD-tol和XY-sens分別減少了28%和39%。同時,ER應激標記基因的表達水平也下降,TEM觀察顯示NAC處理后的XY-sens的ER形態保持較好,而水處理組的ER出現擴大和變形。這說明NAC通過減少ROS積累,減輕了ER的損傷。
噴灑ROS抑制劑后,玉米的敗育小花數量減少23%-39%,小花受精率和籽粒數量分別增加13%-42%和27-57%。ZD-tol和XY-sens的產量損失分別減少了17%和31%,其中XY-sens的效果更為明顯。這可能是因為NAC維持了ER結構和細胞功能,從而減少了小花敗育,提高了產量。

圖7 NAC抑制熱應激下ROS爆發,減輕內質網應激
表1 N

本文主要研究了熱應激條件下,抑制活性氧(ROS)產生對玉米幼穗的影響。研究發現,熱應激會導致玉米的內質網(ER)損傷,而抑制ROS的產生可以減輕這種損傷。文章通過對不同玉米品種(熱耐受型和熱敏感型)在熱應激下的生理和分子反應進行比較,揭示了熱應激對玉米幼穗發育的負面影響以及抑制ROS的潛在保護作用。

排版:野凌
審核:三黍生物企宣部