利用蛋白質(zhì)組學(xué)研究鋁脅迫下小麥根系細(xì)胞壁響應(yīng)蛋白及細(xì)胞組分變化

信息來(lái)源：金開(kāi)瑞作者：genecreate 發(fā)布時(shí)間：2019-01-02 10:06:33

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

蛋白質(zhì)組學(xué)研究鋁脅迫下小麥根系細(xì)胞壁響應(yīng)蛋白及細(xì)胞組分變化

期刊：Gene

影響因子：2.498

合作技術(shù)：iTRAQ

研究背景

全世界50%以上潛在的可耕地屬于酸性土壤，鋁毒害是酸性土壤上限制作物產(chǎn)量的主要障礙因子之一。根尖是對(duì)鋁毒害最敏感的部位，表現(xiàn)為根尖伸長(zhǎng)受到抑制。植物根伸長(zhǎng)主要包括兩個(gè)過(guò)程：細(xì)胞伸長(zhǎng)和細(xì)胞分裂。有研究者認(rèn)為鋁脅迫抑制根伸長(zhǎng)的初始效應(yīng)主要是由于抑制細(xì)胞伸長(zhǎng)。目前大多數(shù)關(guān)于鋁脅迫的蛋白質(zhì)組學(xué)研究集中在鋁毒響應(yīng)蛋白上，對(duì)鋁干擾的根系細(xì)胞壁及代謝影響的研究較少。

研究?jī)?nèi)容及結(jié)果

1. 鋁脅迫小麥根蛋白質(zhì)組學(xué)分析

作者選擇苗長(zhǎng)均勻的ET8品種小麥（Triticum aestivum L）幼苗分別經(jīng)CaCl2（對(duì)照組，CK）和鋁脅迫（實(shí)驗(yàn)組，Al）孵育后選取根尖進(jìn)行iTRAQ定量蛋白質(zhì)組學(xué)檢測(cè)分析。共鑒定到7401種蛋白質(zhì)（表1，圖1），平均肽段長(zhǎng)度為15.56個(gè)氨基酸，保持在合理的范圍內(nèi)（圖1B），鑒定蛋白序列平均覆蓋度為16.98%（圖1C）。鑒定到97種差異表達(dá)蛋白（fold change ratio≥1.5 or≤0.6, p≤0.05），其中上調(diào)蛋白47種，下調(diào)蛋白50種。

表1 鑒定蛋白和肽段數(shù)目

圖1 蛋白質(zhì)組學(xué)鑒定結(jié)果

2. 差異表達(dá)蛋白功能注釋分析

作者隨后將差異蛋白進(jìn)行GO功能注釋，發(fā)現(xiàn)表達(dá)上調(diào)的蛋白和下調(diào)的蛋白在GO分類上沒(méi)有明顯區(qū)別（圖2）。GO注釋結(jié)果顯示，在生物過(guò)程中差異蛋白主要參與metabolic和cellular processes，細(xì)胞組分中cell和cell part占有較大比例，分子功能中差異蛋白主要參與binding（圖2）。為了進(jìn)一步研究這些蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能，作者進(jìn)行了KEGG注釋分析，發(fā)現(xiàn)這些差異蛋白主要參與Metabolic pathways、biosynthesis of secondary metabolites、microbial metabolism in diverse environments（圖3）。

圖2 GO功能注釋

圖3 KEGG功能注釋

3. 鋁脅迫對(duì)根細(xì)胞壁組分代謝相關(guān)酶的影響

隨后作者進(jìn)行層次聚類分析，發(fā)現(xiàn)和對(duì)照組相比，鋁脅迫實(shí)驗(yàn)組中脅迫調(diào)節(jié)蛋白表達(dá)量發(fā)生顯著差異（圖4）。細(xì)胞壁組分的變化是鋁脅迫下根細(xì)胞伸長(zhǎng)抑制的原因之一。因此，作者專注于這些應(yīng)激類型中涉及的蛋白質(zhì)的變化。97種差異蛋白質(zhì)有9種與根細(xì)胞壁成分相關(guān)，其中5種蛋白序列已知（PM H+-ATPase、peroxidase、 glycosyltransferase、Lipoxygenase、14-3-3 protein）。

圖4 差異蛋白層次聚類分析

4. 基因和蛋白表達(dá)相關(guān)性

作者挑選了5種根細(xì)胞壁組分代謝相關(guān)蛋白進(jìn)行基因表達(dá)分析（14-3-3 protein、PM H+-ATPase、glycosyltransferase、phospholipase D、peroxidase），以確定基因表達(dá)數(shù)據(jù)是否能確認(rèn)蛋白質(zhì)豐度的變化。qRT-PCR結(jié)果表明，與對(duì)照相比，鋁脅迫顯著抑制14-3-3 protein、 PM H+-ATPase, glycosyltransferase、phospholipase D的表達(dá)，而peroxidase表達(dá)量增高（圖5）。其中三種基因的表達(dá)水平和組學(xué)結(jié)果一致（peroxidase、phospholipase D、14-3-3 protein）。基因的表達(dá)水平與相應(yīng)蛋白質(zhì)的豐度之間的差異可能是由翻譯后修飾引起的。

接下來(lái)作者又檢測(cè)了細(xì)胞壁組分含量和代謝相關(guān)酶的活性以驗(yàn)證蛋白質(zhì)組學(xué)分析。發(fā)現(xiàn)鋁脅迫下小麥根系細(xì)胞胼胝質(zhì)酶活性降低了36.68％，纖維素酶活性降低了28.57％，PM H+-ATPase 活性降低了25%，PAL（苯丙氨酸解氨酶）、CAD（肉桂醇脫氫酶）、 POD（過(guò)氧化物酶）活性分別增加53.18%、33.06%和52.01%。細(xì)胞壁組分也發(fā)生顯著變化（表2），胼胝質(zhì)、木質(zhì)素、H2O2含量分別增加52.65％、29.28％和67.50％，而纖維素含量下降了26.13％。

表2 鋁脅迫處理后小麥根細(xì)胞壁組分

圖5 小麥根系伸長(zhǎng)相關(guān)基因的表達(dá)水平

文章小結(jié)

作者通過(guò)高通量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)篩選得到了小麥根細(xì)胞壁響應(yīng)鋁脅迫反應(yīng)的9種相關(guān)蛋白，證明鋁脅迫除顯著改變根細(xì)胞壁組分代謝相關(guān)蛋白表達(dá)量外，也影響小麥根系細(xì)胞組分變化。

解析文獻(xiàn)

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.

相關(guān)服務(wù)

iTRAQ（isobaric tags for relative and absolute quantitation）是一種體外同重同位素標(biāo)記的相對(duì)與絕對(duì)定量技術(shù)，利用多種同位素試劑標(biāo)記蛋白多肽N末端或賴氨酸側(cè)鏈基團(tuán)，經(jīng)高精度質(zhì)譜儀串聯(lián)分析，可同時(shí)比較多達(dá)8種樣品之間的蛋白表達(dá)量，是近年來(lái)定量蛋白質(zhì)組學(xué)中應(yīng)用最廣泛的高通量篩選技術(shù)。

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