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2025.07.16

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。



受限于蛋白質組技術的不足,植物抗逆研究的深度還有更深的拓展空間:
01


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。

02


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。

03


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。

植物全景蛋白質組易拉寶.jpg

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這篇文章怎么說。



背景

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。


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研究材料

玉米



技術方法

轉錄組學、蛋白組學、TEM、qPCR、WB等



技術路線
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研究結果










1.熱應激降低籽粒數,改變花粉分化

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。

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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



2.熱應激破壞膜結構并觸發脂質過氧化

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。

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圖2 熱應激破壞膜結構并觸發脂質過氧化



3.熱應激改變了多個基因途徑的表達

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)。

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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。

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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。

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圖5 實驗2中四種玉米品種在熱脅迫下的特性



4.熱應激調節多種信號通路

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。

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圖6 熱應激調節多種信號通路



5.ROS抑制劑減輕熱應激下內質網損傷、降低產量損失

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。

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圖7 NAC抑制熱應激下ROS爆發,減輕內質網應激

表1 N

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小結

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


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