山东农大揭示氮肥对小麦种子蛋白质组学影响
山东农大揭示氮肥对小麦种子蛋白质组学影响
氮肥是影响小麦生长和产量的重要因素。近日，山东农业大学张春庆团队在《Food Chemistry》期刊上发表了一篇题为"萌发前后不同氮水平下小麦种子的蛋白质组学分析"的研究论文，通过蛋白质组学技术揭示了不同氮水平下小麦种子的蛋白质差异，为理解氮肥对小麦生长的影响提供了新的视角。
实验设计与结果
研究者选择了两个氮水平：N0（0 kg / ha）和N240（240 kg / ha），这是华北地区冬小麦生产的常规氮肥水平进行了蛋白质组学分析。在吸水后（DAI）的3至8天中，N240下的幼苗显示出的植物干重明显高于N0下的植物干重（图1A和B），此外，在N0和N240下，幼苗之间的植物干重差异从3 DAI增加到8 DAI。为了表现出幼苗生长的差异，研究者将N0和N240下的种子播种在发芽8天的同一发芽盒中，N240种子的幼苗明显比N0种子高和强（图1C）。因此，研究者在蛋白质组学分析中选择了2015年发芽前8 HAI和发芽前72 HAI（植物干重开始出现差异）的样品（图1D）。
图1 亲本氮水平对小麦幼苗生长的影响
通过iTRAQ研究者鉴定出总共691,187个光谱，32,866个肽段和6958个蛋白质。根据先前的研究，他们使用倍数变化> 1.2（增加的丰度）或<0.83（增加的丰度）和错误发现率（FDR）<0.05作为DAP的显着性标准来鉴定蛋白质。
低氮水平下种子醇溶蛋白的丰度急剧下降
研究者发现，在N240和8 HAI下，N240下样品的丰度分别比在N0下（PB8和PA8）分别增加了118和72个DAP。在丰度增加的DAP中，最丰富的蛋白质是贮藏蛋白质，例如麦醇溶蛋白、谷蛋白和球蛋白（补充表S2），而倍数变化最大的两个DAP（A5JSA6和A0A023WGB8）均为α-麦醇溶蛋白，A5JSA6在PB8中的丰度比PA8高2.9124倍。在8 HAI，种子贮藏蛋白的丰度与干燥种子相似，因为在胚根出现之前贮藏蛋白很少，因此，N0和N240下种子之间贮藏蛋白的差异是由于亲本的氮水平引起的。除了存储蛋白外，最大的DAP是E3泛素连接酶ARI1（A0A1D5XQG4），其PB8的丰度比PA8高2.4418倍。E3泛素连接酶参与蛋白质泛素化，可能为随后的发芽和幼苗生长提供营养，在丰度降低的DAP中，最大的是A0A1D5SFC9（类前螺螺二烯加氧酶）。
在级别2的GO分类分析显示，具有最大DAP的GO术语分别为是生物过程组中的代谢过程（GO：0008152，90个DAP），细胞组分组中的细胞（GO：0005623，68个DAP）和分子功能组的催化活性（GO：0003824，74个DAP）（图2A）。在GO富集分析中，PB8与PA8中最显着富集的GO术语是包括多种存储蛋白的营养储库活性（GO：0045735，32 DAP）（表1）。大部分的存储蛋白是丰度显着增加，其中麦醇溶蛋白是最丰富的蛋白质，结果表明，在低氮水平下，种子醇溶蛋白的丰度急剧降低；KEGG通路分析表明，具有最大DAP的通路是淀粉和蔗糖代谢，包括11个DAP（图2B）。
图2 PB8与PA8中差异丰富的蛋白质的功能分类分析
低氮水平下幼苗的光合作用受到损害
在N240水平下， 72 HAI的样品与N0水平下（PB72对PA72）相比，分别有66和58个DAP的丰度显着增加和减少。在丰度增加的DAP中，DAP的最大倍数变化是C1K5B6（叶绿素a-b结合蛋白，PB72 vs. PA72 = 2.8856），其次是C6YBD7（叶绿体核糖-1、5-双磷酸羧化酶激活酶，PB72对PA72 = 1.8267）；此外，G8D5C5和P11383（核糖二磷酸羧化酶大链）也显示出增强的丰度。参与淀粉和蔗糖代谢（W5B347），脂质代谢（A0A1D5TA69，C6K7G3，A0A1D5YTJ8）和蛋白质代谢（A0A1D5S1Q5，A0A1D6A911，A0A1D6SA09，W5B650，A0A1D5YND3）的DAP也有所增加，这些参与营养的DAP可能会促进幼苗生长。在丰度降低的DAP中，DAP的最大倍数变化是A0A1D5WIT6（未表征的蛋白质，PB72与PA72 = 0.4891），类似于gi | 300681421（假定唾液酸）。PB72与PA72相比，一些参与防御的DAP的丰度也降低了，例如防御素（W5E822，A0A060APV7和W5E5R0）和发病相关蛋白（C3UZE5）。
在生物过程组和细胞成分组中，PB72和PA72（图3A）中的GO分类分析与PB8和PA8中的相似。在分子功能组中，结合途径（GO：0005488，47个DAP）显示出最大的DAP。GO富集分析表明，内肽酶抑制剂活性（GO：0004866，9 DAPs，FDR = 0.000235）和内肽酶调节剂活性（GO：0061135，9 DAPs，FDR =0.000235）代表了PB72与PA72中最丰富的GO术语。此外，PB72与PA72相比，光合作用（GO：0015979，7 DAP，FDR = 0.01312）和光系统II（GO：0009523，3 DAP，FDR = 0.03025）也富集。在KEGG途径分析中，核糖体，淀粉和蔗糖代谢以及α-亚麻酸代谢是最典型的途径，其次是脂肪酸降解，谷胱甘肽代谢，亚油酸代谢和光合作用（图3B）。
图3 PB72与PA72中差异丰富的蛋白质的功能分类分析
为了调查发芽前DAP对面团品质性状的影响，研究者检测了面团的发育时间和面团稳定时间。N0谷物的面团发育时间（1.9分钟）和面团稳定时间（2.8分钟）显着低于N240谷物的面团发育时间（5.2分钟和7.7分钟），这会影响食品加工（图4A）。PB72相对于PA72而言，参与光合作用的蛋白质显示出更高的丰度，这表明N240种子的幼苗的光合作用可能强于N0种子。此外，发芽8天时N240种子的幼苗比N0种子更绿，这可能与叶绿素含量有关（图1C）。为了验证结果，研究者通过SPAD 502检测了叶绿素含量，在N240下从6到8 DAI（6 DAI之前的幼苗太小，无法通过SPAD 502检测到）的SPAD叶绿素仪读数显着高于N0（图4B）。
图4 2015年N0和N240下面团质量性状和幼苗叶绿素含量的比较
讨论
一个参与调节谷物种子发芽时营养物动员的模型表明，胚乳中储存的营养物（淀粉，蛋白质，核酸，脂质和植酸）被降解为小分子，然后这些小分子被转运至胚胎以支持幼苗生长，然而，在不同的亲本氮水平下，哪些途径在调节幼苗生长中起重要作用仍然未知。在这项研究中，储藏蛋白代表了储藏养分的最大差异，此外，一些可能涉及动员存储的养分的DAP也映射到KEGG途径，例如淀粉和蔗糖代谢，氨基酸的生物合成，核糖体，α-亚麻酸代谢，脂肪酸降解和亚油酸代谢。尽管涉及多种存储养分的 DAPs存在差异，但在不同亲本氮水平下，幼苗生长中的存储蛋白可能比其他存储养分更为突出。
种子贮藏蛋白的代谢取决于内肽酶活性，该活性在种子发芽的早期阶段增加，而内肽酶抑制剂的活性在种子发芽过程中降低，内肽酶抑制剂在种子发芽及随后的幼苗生长过程中的功能研究很少。在绿豆种子发芽过程中，内肽酶抑制剂与内肽酶活性的贮藏蛋白代谢调节不相关，这可能与保护细胞质免受包括蛋白酶在内的蛋白质体的意外破裂有关，因此，参与肽链内切酶抑制剂活性的大多数DAP（表2）都增加了，可能与贮藏蛋白含量有关。N240种子的高贮藏蛋白含量可能比N0种子需要更多的内肽酶抑制剂保护，此外，半胱氨酸型内肽酶抑制剂的活性在小麦种子发育的转录组和蛋白质组学分析中也很丰富，防御过程中涉及的丝氨酸型内肽酶抑制剂和α-淀粉酶抑制剂也可保护小麦种子免受内源水解酶的攻击，因此，本研究中内肽酶抑制剂活性的差异可能在种子发育过程中出现，或者与种子发芽和幼苗生长有关。
光合作用是幼苗生长的必不可少的过程，它影响生长速率和生物量。光合作用涉及多个组成部分，例如光系统，光合色素和CO2还原途径，这些可能会因各种胁迫条件而受损，从而降低了总体光合能力，然而，小麦幼苗中光合作用的哪些成分受父母氮水平的影响仍然不清楚。在这项研究中，七个DAP的光合作用得到了丰富（GO：0015979，p = 0.01312），并且PB72与PA72相比，所有DAP的丰度都增加了。这些DAP参与叶绿素ab结合蛋白（C1K5B6），核糖双磷酸羧化酶大链（G8D5C5和P11383），析氧复合物（A4UQP4），析氧增强剂（A0A1D6RID7），ATP合酶δ链（A0A1D）类叶绿体（A0A1D5TTW3），可能有利于光合作用，从而促进在合适的亲本氮水平下生产的种子的幼苗生长。先前的蛋白质组学研究表明，低温胁迫对玉米幼苗的叶绿素a-b结合和放氧增强剂蛋白的含量降低，因此，两种蛋白质可能参与多种应激反应。此外，C1K5B6，A4UQP4和A0A1D6RID7也富含光系统II（GO：0009523，p = 0.03025），光系统II受损且叶绿素在高镉胁迫下，小麦幼苗的铁含量降低。结果表明，在低氮水平下，叶绿素含量下降。
总之，亲本氮水平（0和240 kg / ha）显着改变了种子和幼苗的蛋白质组成，从而影响了面团发育时间，面团稳定时间和幼苗生长。蛋白质组学分析表明，DAPs主要参与种子贮藏蛋白，幼苗的光合作用以及参与调动贮藏养分以促进幼苗生长对亲本氮水平的途径，合适的父母氮水平对食物营养，食物加工和幼苗生长至关重要。
本文原文来自山东农业大学张春庆团队的研究成果