熱脅迫是植物最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境因子之一，植物已經(jīng)進(jìn)化出各種機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)它。然而，熱應(yīng)激引起的脂質(zhì)重塑的作用尚未完全了解。本研究結(jié)合基于UPLC-QTOF/ MS的脂質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，揭示了熱脅迫下蓖麻脂質(zhì)重塑的分子基礎(chǔ)。作者在蓖麻幼苗中檢測(cè)到297種脂類(lèi)化合物，其中54種在高溫脅迫下表現(xiàn)出豐度變化。特別是多不飽和三酰基甘油(TAG)和甘油二酰基(DAG)顯著增加，而多不飽和單乳糖二酰基甘油(MGDG)顯著減少。當(dāng)熱應(yīng)激減輕后，這些脂質(zhì)分子恢復(fù)到正常水平。作者發(fā)現(xiàn)熱誘導(dǎo)的標(biāo)簽主要在細(xì)胞質(zhì)中積累。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明，用于標(biāo)記的多不飽和脂肪酸(FAs)并非來(lái)自從頭合成，而是可能來(lái)自脂質(zhì)重塑通過(guò)脂肪酶活性，并隨后通過(guò)二酰基甘油酰基轉(zhuǎn)移酶(DGAT)酯化成標(biāo)記。該研究的結(jié)果表明，TAG可能作為中間體脂質(zhì)轉(zhuǎn)換提供了植物應(yīng)對(duì)熱脅迫的一種機(jī)制，拓寬了對(duì)植物熱脅迫適應(yīng)過(guò)程中脂質(zhì)重塑的理解。
該論文“Integrated lipidomic and transcriptomic analysis reveals triacylglycerol accumulation in castor bean seedlings under heat stress ”于2022年2月25日，由西北大學(xué)與中科院昆明植物所的研究人員合作在Industrial Crops & Products發(fā)表。
研究材料
蓖麻變種ZB306種子表面消毒后，置于濕濾紙上，25℃萌發(fā)。2天后，將萌發(fā)的種子移栽到盆栽土壤中，光照16小時(shí)/8小時(shí)循環(huán)，25℃/22℃，在溫室中生長(zhǎng)。將4周大的幼苗分為兩組，每組20株。將25℃光照12 h的幼苗定義為對(duì)照組(以下簡(jiǎn)稱CK)，將45℃光照12 h的幼苗定義為熱應(yīng)激組(簡(jiǎn)稱HS)。熱處理后，半數(shù)幼苗恢復(fù)正常(25℃12 h-night)，定義為恢復(fù)組(RHS)。每組幼苗分別采集，立即用液氮冷凍保存在-80℃的超低溫冰箱中進(jìn)行后續(xù)分析。
技術(shù)方法
脂質(zhì)薄層色譜分析，LC-MS質(zhì)譜分析，亞細(xì)胞定位，轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，qRT-PCR。
研究結(jié)果
與CK組的幼苗相比，HS幼苗沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的表型差異，表明蓖麻幼苗對(duì)熱脅迫具有很強(qiáng)的耐受性。作者采用脂質(zhì)薄層色譜分析發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)激可以誘導(dǎo)蓖麻幼苗中TAG的積累和MGDG的減少。
多重比較表明，與CK組相比熱處理導(dǎo)致 TAG、DAG 和 PC 含量顯著增加，MGDG、SQDG 和 PE 含量顯著降低，而PA，PG和PI含量在熱處理后有略微增加，在熱應(yīng)激解除后，SQDG和PE的含量恢復(fù)到與CK相當(dāng)?shù)乃剑琓AG和DAG相對(duì)于HS顯著降低，但仍高于CK幼苗。在從熱處理中恢復(fù)后，PC 的水平持續(xù)增加，而 RHS 中的 MGDG 含量恢復(fù)到高于 HS 或 CK 的水平。此外，作者觀察到熱應(yīng)激并沒(méi)有引起總FFA含量的明顯變化，但不飽和FAs的含量顯著降低。此外，對(duì)不同脂質(zhì)分子的鑒定顯示，有39種脂質(zhì)表達(dá)上調(diào)，15種脂質(zhì)表達(dá)下調(diào)，值得注意的是，在熱應(yīng)激下，DAG和TAG顯著積累，增加了2- 43倍，尤其是DAG6:6、TAG54:6、TAG54:7、TAG54:8和TAG54:9。
作者分析了與上述不同脂質(zhì)化合物酯化的 FA 物種。發(fā)現(xiàn) PA、PC、PE、TAG 和 DAG 含有相似的 FA 種類(lèi)，主要由 C16:0、C18:2 和 C18:3 組成，而 PG 主要由 C16:0 組成，約占總數(shù)的 68% FA。MGDG 和 DGDG 主要由 C18:3 組成，分別占總 FA 的 93% 和 82%。另一方面，MG主要含有C18:3（~72％），SQDG主要由C16：0（~41％）和C1:3（~49％）組成。
為了研究熱誘導(dǎo)的TAGs、具體積累的部位，作者用一種叫尼羅紅的親脂質(zhì)染料進(jìn)行熒光定位，發(fā)現(xiàn)在熱處理后的葉片獲得的原生質(zhì)體中產(chǎn)生了大量的脂滴（紅色熒光），而在從CK獲得的原生質(zhì)體中僅觀察到少量脂滴。熱應(yīng)激恢復(fù)后，脂滴數(shù)量相對(duì)于HS明顯減少，但仍高于CK（見(jiàn)圖5），與TAG含量的變化一致。
作者分析了熱脅迫下TAG積累的分子學(xué)基礎(chǔ)，通過(guò)檢測(cè)蓖麻基因組作者確定了 135 個(gè)基因，這些基因編碼參與 FA 合成等。在熱脅迫下蓖麻幼苗中17個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，25個(gè)基因表達(dá)下調(diào)。其中參與FA合成的關(guān)鍵基因，如ACCase、3- keto酰基acp合成酶I (KAS I)、3- keto酰基acp還原酶(KAR)、棕櫚酰酰基載體蛋白硫酯酶(FATB)和LACS1在熱應(yīng)激下顯著下調(diào)。
作者還選擇了6個(gè)上調(diào)基因(DGAT1、DGAT2、OLE1、OLE4、PLIP2和HIL1)和4個(gè)下調(diào)基因(TGD2、TGD4、FAD8和MGD1)進(jìn)行qRT-PCR驗(yàn)證。所有上調(diào)的基因以及4個(gè)下調(diào)的基因中有3個(gè)得到了qRT-PCR的證實(shí)，TGD2在熱脅迫下的表達(dá)沒(méi)有發(fā)生變化。這些結(jié)果表明，熱誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄水平的變化協(xié)調(diào)了脂質(zhì)代謝的變化。
作者對(duì)熱應(yīng)激和恢復(fù)過(guò)程中蓖麻幼苗的脂質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)進(jìn)行了綜合分析，并鑒定了大量熱響應(yīng)脂質(zhì)分子和基因。發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)激可顯著誘導(dǎo) TAGs 合成并儲(chǔ)存在胞質(zhì)溶膠中，但在恢復(fù)過(guò)程中它們會(huì)減少。TAG 可能是回收從其他脂質(zhì)釋放的 FA 的瞬時(shí)中間體，尤其是葉綠體脂質(zhì)，如 MGDG。轉(zhuǎn)錄組分析確定了許多與協(xié)調(diào)脂質(zhì)重塑的熱反應(yīng)性脂質(zhì)相關(guān)的基因。該研究結(jié)果增加了對(duì)熱應(yīng)激下蓖麻和其他植物物種脂質(zhì)周轉(zhuǎn)的理解，同時(shí)為操縱特定脂質(zhì)分子，尤其是 TAG 提供了潛在的應(yīng)用，以提高植物的耐熱性。
