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?#26680;?#21270;介导花瓣衰老机制研究

 

合作老师:华南农业大学  余义勋
发表期刊:《Plant Physiology》     IF:6.28

文章下载链接:http://www.dtbgs.tw/uploads/tmp/genedenovo-resume-1492570663.8373396.pdf

植物花瓣生命周期短,因此是衰老研究的重要材料。衰老(凋谢)是一个非常复杂的过程,它在mRNA、蛋白以及翻译后修饰等多个水平受到调控,其中蛋白质大量降解是衰老的重要标记。?#26680;?#21270;修饰是一种重要的蛋白质翻译后修饰,它能够促进蛋白?#24335;?#35299;,因此?#26680;?#21270;被认为与衰老有关。

另一方面,已有研究表明,?#34433;?#33021;够通过调节转录后修饰介导的蛋白降解参与?#20132;?#29923;凋谢当中,但其机制还不明确。因此,本研究以矮牵牛花瓣为材料,通过转录组、蛋白组和蛋白质?#26680;?#21270;修饰组学分析,研究?#34433;?#23545;花瓣衰老过程的影响机制。


实验取材
取16小时?#34433;?#22788;理(实验组)和空气处理(对照组)各三个重复的花冠组织进行转录组测序、蛋白组以及?#26680;?#32452;质谱分析。

研究思路
文章主要通过蛋白组与?#26680;?#21270;组,辅助以转录组的方法开展研究(图1)。


图1 文章研究思路

结果解读
1、?#34433;?#21152;速花瓣凋谢
在?#34433;?#22788;理后16h,矮牵牛花冠裂片开始内卷,并?#37326;?#26377;透明小点出现,表明花瓣开始凋谢(图2A)。在处理后32h,无论是花冠干重(图2B)还是蛋白含量(图2C)都明显降低。这些结果都表明?#34433;?#21152;速了花瓣凋谢。


图2 ?#34433;?#23545;花冠影响
(A:上面为?#34433;?#22788;理组,下面为未处理对照组;B、C:蓝色为对照组,红色为处理组)

2、?#34433;?#24341;起花瓣转录、蛋白和?#26680;?#21270;组改变
由于花瓣衰?#26174;趍RNA、蛋白以及翻译后修饰三个层面都有密切关系,因此作者分别通过转录组、蛋白组以及?#26680;?#21270;组同时研究?#34433;?#23545;花瓣衰老的影响:

①首先,在转录组层面,利用根茎叶花等八个组织构建参考基因组后,通过转录组测序分析发现16小时的?#34433;?#22788;理引起花瓣的14448个基因表达下调,6303个基因表达?#31995;鰲RT-PCR验证了其中的基因(图3),KEGG注释表明这些差异基因主要与植物激素信号转导等22条通路相关。

②然后,在蛋白水平,通过质谱分析发现了个3606个蛋白,其中?#31995;?#30340;有233个、下调为284个。GO注释发现这些蛋?#23376;?#26434;环分解代谢过程等功能相关。

③最后,在翻译后水平,也就是?#26680;?#21270;组(Ubiquitylome)进行研究。通过抗体?#24739;?#20197;及质谱研究,精确地发现了2270个?#34507;?#37240;?#26680;?#21270;位点(Kub),其中?#34433;?#22788;理后?#31995;?#20301;点有320个,下调的则有127个。这些结果显示?#34433;?#22788;理增加了花冠?#26680;?#21270;水平。KEGG注释表明这些正经历?#26680;?#21270;的蛋白参与到剪接体、RNA转运等多个通路当中(图4)。


图3 转录组与qRT-PCR检测差异表达基因情况


图4.具有差异Kub位点的蛋白功能注释
(A:?#31995;鰲?#21512;?#35843;)和KEGG注释(C:?#31995;鰲?#21512;?#35843;)

3、转录本数量与蛋?#29366;?#22312;一定正相关性
以显著差异上、下调转录本为对象,对比对应的蛋白表达数据发现,?#31995;?#36716;录本与对应蛋?#29366;?#22312;一定相关性(r =0.49),而下调转录本则基本与蛋白数量难以产生联系(r=0.08)。同理,以显著上、下调蛋白为对象,对比对应转录本也发现?#31995;?#37096;分有较高正相关(r=0.53),下调部分相关性较弱(r=0.21)。这可以预期到翻译后修饰有可能参与到蛋白调控当中,从而引起转录本与对应蛋白数量没有完全正相关。


图5 转录本与蛋白表达相关性
(A?#26680;?#26377;差异转录本vs所有差异蛋白、B:?#31995;?#36716;录本vs对应蛋白、C?#21512;?#35843;转录本vs对应蛋白、D:?#31995;?#34507;白vs对应转录本、E?#21512;?#35843;蛋白vs对应转录本)

4、蛋白组与?#26680;?#21270;组存在?#21512;?#20851;性
由于之前假设,?#34433;?#22788;理能够引起?#26680;?#21270;的?#31995;鰨?#20174;而导致蛋白的大量降解,因此下一步则研究花冠的蛋白组与?#26680;?#32452;之间的关系。通过蛋白组与?#26680;?#21270;组的关联分析,可以发现存在?#26680;?#21270;位点的蛋白共有1121个,其中985个正在经历?#26680;?#21270;作用。通过对蛋白?#39318;?#20307;表达水平和?#26680;?#21270;修饰蛋白数量进行比较,发现无论整体(图4A)还是从上下调的蛋白(图4 B、C)以及?#26680;?#21270;蛋白(图4D、E)开始进行比较,蛋白组与?#26680;?#21270;组之间存在?#21512;?#20851;性。表示?#26680;?#21270;与蛋白降解有关。


图6 总蛋白表达与?#26680;?#21270;位点蛋白相关性
(A?#26680;?#26377;差异转录本vs所有具有?#26680;?#21270;位点差异蛋白(r=-0.38);B:?#31995;?#34507;白vs对应?#26680;?#21270;位点(r=-0.51);C?#21512;?#35843;蛋白vs对应?#26680;?#21270;位点(r=-0.4);D:?#31995;?#20301;点vs对应蛋白(r=-0.32);E?#21512;?#35843;位点vs对应蛋白(r=-0.25);F:整体统计)

5、?#26680;?#21270;参与?#34433;?#24341;起的蛋白降解
数据不单证明蛋?#23376;敕核?#21270;位点成?#21512;?#20851;,而?#21307;?#19968;步发现,?#34433;?#22788;理能够促进参与?#26680;?#21270;的蛋白的表达,从而引起蛋白大量降解。在转录组数据中,发现229个与?#26680;?#21270;相关的unigene在?#34433;?#22788;理后发生?#31995;鰲?#32780;蛋白组数据则发现4个蛋白在处理后发生?#31995;鰲?#21516;时,在发生?#26680;?#21270;?#31995;?#30340;蛋白当中,有44个的表达下调,只有8个?#31995;鰲?br />
这表明?#34433;?#22788;理后,参与?#26680;?#21270;的基因和蛋白(如E3 ubiquitin-protein ligases)都大量表达,这些?#26680;?#21270;蛋白的表达最终引起其他蛋白产生?#26680;?#21270;,从而导致总体蛋白的大量降解。最后,KEGG分析发现,这些在蛋白和?#26680;?#21270;水平有相反趋势的蛋白主要参与?#20132;?#37230;类物质合成、苯丙脂类代谢等通路当?#23567;?br />
6、?#34433;?#36890;过多个途径引起花瓣凋谢
最后,综合转录组、蛋白组以及?#26680;?#21270;组的数据,作者详细地对?#34433;?#24341;起花瓣凋谢的多条通?#26041;?#34892;详细解释。?#34433;┯盏剂?#20197;下与衰老相关的通路改变:

①转录组和蛋白组数据都显示,?#34433;┯盏剂?#38750;?#26680;?#20381;?#21040;?#35299;酶的上升:如半?#35013;?#37240;降解?#28014;?#19997;氨酸降解酶等。

②?#34433;?#20419;进了与自噬作用相关蛋白的?#31995;鰨?#22914;自噬蛋白PhATG8。

③?#34433;?#22788;理影响植物激素合成和信号传导途径(图7):?#34433;?#22788;理后,SAM合成?#31119;ㄒ蚁?#29983;物合成的关键?#31119;?#30340;?#26680;?#21270;位点大量上升,引起蛋白的数目下降,然而另一个?#34433;?#21512;成关键酶ACO由于去?#26680;?#21270;作用而出现?#31995;鰲?#36825;些证据表明?#34433;?#22788;理影响生物体内部的?#34433;?#21512;成与其他激素的合成,如ABA、生长素等。

④最后,作者还发现了?#34433;?#20419;进蔗糖合成和运输、阻碍苯环类以及苯丙脂类挥发性物质的合成、减缓氨基酸合成等。这些发现都有助于了解?#34433;?#22914;何影响花瓣生命周期。


图6 ?#34433;?#24433;响?#34433;?#29983;物合成和信号传导示意图

文章小结
本文结合转录组、蛋白组与?#26680;?#21270;多个组学,在mRNA水平、蛋白水平以及翻译后修饰水平深入研究花瓣的衰老机制。对大量衰老相关蛋白在衰老过程中?#26680;?#21270;修饰水平和蛋白质水平上的变化进行了重点分析,获得了大量新的蛋白质?#26680;?#21270;修饰位点,从蛋白质?#26680;?#21270;修饰这一角度对花瓣衰老进行了新的诠释。

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