眼下正是播種的季節(jié)，小小種子，承載端牢中國(guó)飯碗的希望。種子是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，如何在有限的耕地上實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、高抗、優(yōu)質(zhì)營(yíng)養(yǎng)、高效安全的糧食生產(chǎn)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的首要任務(wù)之一。
隨著智能育種4.0時(shí)代的到來，基于質(zhì)譜分析平臺(tái)的蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、空間代謝組學(xué)可聯(lián)合全基因組關(guān)聯(lián)分析，以全息化的視角從分子層面，聚焦核心種質(zhì)資源，為糧食作物的性狀、產(chǎn)量、發(fā)育、抗逆、病害等涉及的調(diào)控信息提供了強(qiáng)大的依據(jù)和技術(shù)支撐，近年來為加快作物育種和改良做出了重大貢獻(xiàn)。
植物磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)新技術(shù)
分析植物組織或細(xì)胞中蛋白質(zhì)的表達(dá)水平和修飾情況，可以揭示植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程、逆境響應(yīng)和代謝調(diào)控等關(guān)鍵生物學(xué)過程。蛋白質(zhì)的可逆磷酸化是目前已知的最重要信號(hào)傳遞方式，深度解析磷酸化蛋白質(zhì)組是全面理解磷酸化如何行使功能的有效手段。
然而，植物磷酸化蛋白質(zhì)組的深度解析更具挑戰(zhàn)性。因?yàn)橹参锛?xì)胞具有致密的細(xì)胞壁和大量的色素與其它次生代謝產(chǎn)物，極大增加了蛋白質(zhì)提取的難度，嚴(yán)重地干擾了磷酸肽富集的效率和特異性。近期，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所汪迎春課題組在Molecular Plant上發(fā)表研究論文，報(bào)道了一種具有突破性的植物磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)新技術(shù)GreenPhos。
這項(xiàng)技術(shù)采用了簡(jiǎn)化、穩(wěn)健的工作流程，能高靈敏度、高特異性快速地富集來自包括擬南芥、水稻、番茄和衣藻在內(nèi)的各種綠色生物組織中的磷酸肽。利用該技術(shù)可定量分析不同植物的磷酸蛋白質(zhì)組，其鑒定深度和定量重復(fù)性，有望成為植物磷酸蛋白組學(xué)的通用技術(shù)。該技術(shù)主要面向高等植物及其它綠色生物(如衣藻)，實(shí)現(xiàn)最小的樣品損失，大大提高了時(shí)間和成本效益，因此命名為GreenPhos。應(yīng)用該技術(shù)已深度解析了擬南芥響應(yīng)不同時(shí)長(zhǎng)鹽脅迫的差異磷酸化蛋白質(zhì)組，發(fā)現(xiàn)了包括剪接體蛋白和一些激酶響應(yīng)鹽脅迫的磷酸化事件。
GreenPhos為更深入地理解蛋白質(zhì)磷酸化在植物生命過程中的功能提供了強(qiáng)有力的工具，在作物育種、品質(zhì)以及抗逆密切相關(guān)的磷酸化蛋白及其位點(diǎn)中有著廣泛的應(yīng)用前景。Orbitrap Fusion Lumos結(jié)合功能強(qiáng)大的MaxQuant軟件為該研究提供了蛋白組學(xué)金標(biāo)準(zhǔn)分析平臺(tái)，Orbitrap技術(shù)已經(jīng)成為蛋白質(zhì)組學(xué)、翻譯后修飾研究及單細(xì)胞蛋白組學(xué)的理想選擇。
使用GreenPhos對(duì)鹽脅迫擬南芥幼苗進(jìn)行磷酸蛋白組定量分析
代謝組學(xué)揭示水稻鐵脅迫應(yīng)答機(jī)制
代謝組學(xué)作為基因和表型的橋梁，可與基因組學(xué)相結(jié)合，應(yīng)用于遺傳育種、作物表型預(yù)測(cè)等方面。代謝物也是植物對(duì)外界環(huán)境的防御網(wǎng)絡(luò)，基于代謝組學(xué)策略分析植物在逆境條件下代謝物的變化，可以推測(cè)植物在脅迫應(yīng)答過程中對(duì)代謝途徑的調(diào)整，是研究植物抗逆機(jī)制的重要手段之一。
鐵脅迫是水稻栽培中的嚴(yán)重問題，尤其是在鐵含量高的土地上。印尼茂物農(nóng)業(yè)大學(xué)MIFTAHUDIN課題組應(yīng)用 Q Exactive Plus Orbitrap平臺(tái)的非靶向代謝組學(xué)策略揭示了水稻(Oryza sativa L.)在鐵脅迫下的關(guān)鍵代謝途徑。
文章對(duì)兩個(gè)水稻品種即IR64(對(duì)鐵敏感)和Pokkali(耐鐵)在400ppm鐵溶液脅迫10天后進(jìn)行了代謝譜分析，結(jié)果表明，鐵脅迫影響了兩個(gè)水稻品種的根和莖組織的代謝譜，根和莖組織之間的代謝物存在明顯差異，采用非靶代謝組學(xué)檢測(cè)到了102種代謝物。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，莖組織中的1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(ACC)和根組織中的半乳糖在鐵脅迫下顯著上調(diào)，認(rèn)為是水稻品種Pokkali鐵耐受性的代謝物標(biāo)志物，其中ACC在之前轉(zhuǎn)錄組研究有過報(bào)道。參與這兩種代謝標(biāo)志物生物合成途徑的酶編碼基因可能是探索水稻鐵耐受性的一個(gè)潛在靶點(diǎn)。該研究為進(jìn)一步研究水稻的抗逆和農(nóng)作物改良奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Q Exactive Plus Orbitrap質(zhì)譜平臺(tái)為該研究樣本的連續(xù)檢測(cè)提供了卓越的穩(wěn)定性。
多組學(xué)聯(lián)合培育出“超級(jí)西紅柿”
隨著組學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，多組學(xué)聯(lián)合分析，可以相互驗(yàn)證，也可以相互補(bǔ)充，有助于全面、深入地研究植物遺傳進(jìn)化、生長(zhǎng)發(fā)育、改良育種、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值等課題，是生物育種的重點(diǎn)方向。
維生素D缺乏是全球性健康問題之一，大多數(shù)食物包含植物性食品維生素D含量很低，難易滿足人體需求。來自英國(guó)John Innes Centre的Cathie Martin 科研團(tuán)隊(duì)通過代謝組學(xué)、空間代謝組學(xué)和基因編輯等技術(shù)進(jìn)行了西紅柿的品種改良，培育出了富含豐富維生素D的“超級(jí)西紅柿”。
研究者對(duì)關(guān)鍵基因進(jìn)行了編輯，采用基于Q Exactive Orbitrap對(duì)影響番茄品系生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量以及維生素D3增加的相關(guān)代謝物，如：植物甾醇、油菜素、7-脫氫膽固醇、α-番茄堿等含量變化進(jìn)展了代謝組學(xué)分析，還對(duì)番茄不同組織進(jìn)行了空間代謝組學(xué)研究，分析了相關(guān)物質(zhì)的空間分布，對(duì)該研究成果提供了重要的技術(shù)支撐。
總 結(jié)
隨著Orbitrap技術(shù)的迅猛發(fā)展，憑借其卓越的分辨率、穩(wěn)定性及靈敏度等優(yōu)勢(shì)，為植物蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)及空間代謝組學(xué)研究提供了金標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜平臺(tái)，為生物育種工作提供科學(xué)依據(jù)及整體質(zhì)譜組學(xué)解決方案，全面助力農(nóng)業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力的提升。
參考文獻(xiàn)：
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2. TURHADI T, HAMIM H, MUNIF G,et al. UHPLC-Q-Orbitrap HRMS-Based Metabolomic Show Biological Pathways Involved in Rice (Oryza sativa L.) under Fe Toxicity Stress. Malaysiana 52(2)(2023): 513-531.
3. Jie L, Aurelia S, Cathie M, et al. Biofortified tomatoes provide a new route to vitamin D sufficiency. Nature Plants 8(2022): 611–616.
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