葉片中臨時(shí)淀粉的正常代謝對(duì)保證作物光合作用捷凄、延緩衰老和保持高產(chǎn)具有重要作用凿叠。酪蛋白激酶 I1（OsCKI1）在很多重要生理過(guò)程中起著至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用俯逾，包括水稻的根系發(fā)育程腹、激素信號(hào)傳導(dǎo)和低溫處理適應(yīng)性生長(zhǎng)匣吊。然而，它在調(diào)節(jié)暫時(shí)性淀粉代謝或葉片過(guò)早衰老方面的潛在作用仍不清楚寸潦。本研究利用多組學(xué)研究思路色鸳，對(duì)osckI1 等位基因突變體lses1（葉片淀粉過(guò)量和衰老1）及其野生型品種（WT）的葉片進(jìn)行了表型組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組分析见转，揭示OsCKI1在水稻葉片中的分子調(diào)控機(jī)制缕碎。
01?文章詳情??
文章題目：Integration of transcriptomic and proteomic analyses reveals several levels of metabolic regulation in the excess starch and early senescent leaf mutant lses1 in rice
中文題目：轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組聯(lián)合分析揭示了水稻葉片淀粉過(guò)量和早衰突變體lses1的幾種代謝調(diào)節(jié)水平
發(fā)表時(shí)間：2022.03
期刊名稱：BMC plant biology
影響因子：5.260
實(shí)驗(yàn)方法：mRNA測(cè)序+iTRAQ LC-MS/MS 蛋白質(zhì)組檢測(cè)
DOI：10.1186/s12870-022-03510-2
02?研究思路??
03?研究?jī)?nèi)容? ?
1、突變體lses1葉片的表型和生理特性
研究者觀察發(fā)現(xiàn)三葉期前l(fā)ses1突變體和野生型（WT）之間的表型沒(méi)有差異池户。從三葉期開始，突變體較老的葉片在葉尖位置開始枯萎凡怎，表現(xiàn)出過(guò)早的葉片衰老表型校焦，隨發(fā)育過(guò)程枯萎程度加深，并往較高的葉位發(fā)展统倒。突變體葉片中淀粉含量在早晚的測(cè)定結(jié)果均高于WT寨典，但突變體自身的含量早上6點(diǎn)略低于晚上6點(diǎn)。用碘-碘化鉀染色發(fā)現(xiàn)晚上6點(diǎn)突變體和WT的三個(gè)葉位葉片均能被染成深藍(lán)色房匆，但突變體的顏色稍暗耸成，早上6點(diǎn)WT的葉片顏色為淺黃褐色报亩，而突變體的葉片呈現(xiàn)不同程度的藍(lán)色。這說(shuō)明突變體葉片白天光合作用產(chǎn)生的淀粉在夜間未完全分解和利用井氢。此外弦追，研究者還測(cè)定了突變體和WT葉片中的多種指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)突變體葉片膜脂過(guò)氧化作用增強(qiáng)花竞，ROS清除系統(tǒng)失衡劲件，葉綠素降解。
2约急、DEG的鑒定和分析
為了分析突變體和WT的基因表達(dá)情況零远，研究者利用mRNA測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)了4989個(gè)差異表達(dá)基因（DEG）并聚類成2個(gè)模塊。GO-BP富集結(jié)果表明與細(xì)胞凋亡和淀粉代謝相關(guān)的幾個(gè)類別顯著富集厌蔽，包括碳水化合物代謝過(guò)程牵辣、氧化還原過(guò)程、淀粉代謝過(guò)程奴饮、對(duì)非生物刺激的反應(yīng)過(guò)程纬向、核苷酸代謝過(guò)程、酒精代謝過(guò)程和色素代謝過(guò)程拐云。有趣的是LSES1的表達(dá)沒(méi)有顯著差異罢猪，這表明LSES1的單堿基錯(cuò)義突變不影響轉(zhuǎn)錄的積累。
3叉瘩、DEP的鑒定和分析
利用質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行蛋白質(zhì)組檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了568個(gè)差異表達(dá)蛋白（DEP）膳帕，455個(gè)上調(diào)，113個(gè)下調(diào)薇缅。與預(yù)期相同危彩，LSES1蛋白在lse1突變體中沒(méi)有表達(dá)，這表明LSES1的單堿基錯(cuò)義突變導(dǎo)致的氨基酸替換可能改變了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)泳桦。對(duì)DEP進(jìn)行GO富集分析發(fā)現(xiàn)在生物過(guò)程類別中汤徽，翻譯是富集程度最高的，其次是細(xì)胞生物合成過(guò)程灸撰、生物合成過(guò)程和單糖代謝過(guò)程谒府。在細(xì)胞成分類別中，細(xì)胞質(zhì)部分是富集度最高的亞類浮毯，其次是細(xì)胞質(zhì)完疫、胞質(zhì)部分和核糖體。在分子功能類別中债蓝，結(jié)構(gòu)分子活性居首位壳鹤，其次是核糖體結(jié)構(gòu)成分、rRNA結(jié)合和RNA結(jié)合饰迹。
4芳誓、PPI網(wǎng)絡(luò)中的功能類群
為了探索DEP的生物學(xué)特性余舶，通過(guò)STRING數(shù)據(jù)庫(kù)整合這些蛋白質(zhì)的相互作用，并用Cytoscape 的 MCODE 插件根據(jù)默認(rèn)參數(shù)對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行聚類分析锹淌，總共確定了四個(gè)高度相關(guān)的功能類群匿值。值得注意的是，PPI（蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用）網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)了兩種糖代謝相關(guān)蛋白質(zhì)葛圃、四種細(xì)胞增殖相關(guān)蛋白和兩種磷脂代謝相關(guān)蛋白質(zhì)千扔。對(duì)這四個(gè)功能類群的蛋白進(jìn)行GO-BP富集分析，發(fā)現(xiàn)幾個(gè)關(guān)鍵過(guò)程顯著富集在這四個(gè)類群中：蛋白質(zhì)代謝過(guò)程库正、大分子代謝過(guò)程曲楚、光合作用、質(zhì)體組織褥符、分解代謝過(guò)程龙誊、己糖代謝過(guò)程、脂質(zhì)代謝過(guò)程和有機(jī)酸過(guò)程喷楣√舜螅總的來(lái)說(shuō)，在研究 lses1 葉片過(guò)量淀粉形成和早衰表型方面铣焊，這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了PPI網(wǎng)絡(luò)分析的潛在作用逊朽。
5、碳水化合物代謝和細(xì)胞凋亡代謝相關(guān)基因/蛋白
為了更全面地闡明水稻葉片臨時(shí)淀粉和早衰的調(diào)控機(jī)制曲伊，研究者從WT和突變體中篩選了與碳水化合物代謝和細(xì)胞凋亡代謝相關(guān)的差異表達(dá)基因/蛋白叽讳。其中參與碳水化合物代謝的有339個(gè)DEG和91個(gè)DEP，幾個(gè)淀粉和糖類代謝相關(guān)基因在轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)水平上呈現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)坟募，例如編碼葡萄糖-1-磷酸腺苷轉(zhuǎn)移酶大亞基(AGP-L)岛蚤、類葉綠體麥芽糖過(guò)剩蛋白1(MEX1)、可溶性淀粉合成酶1(SSS1)懈糯、蔗糖合成酶1(SUS1)涤妒、果糖激酶2(FRK-2)、焦磷酸-6-磷酸果糖1-磷酸轉(zhuǎn)移酶亞基(PFP-ALPHA)赚哗、胞質(zhì)丙酮酸激酶同工酶(PK)她紫、蘋果酸脫氫酶(MDH)、酒精脫氫酶1(ADH1)和海藻糖-6-磷酸合成酶3(TPS3)的基因都表現(xiàn)出轉(zhuǎn)錄和蛋白豐度的增加屿储。這些基因/蛋白的上調(diào)和下調(diào)可能導(dǎo)致葉片碳水化合物代謝的失衡犁苏。
參與細(xì)胞凋亡相關(guān)代謝的有510個(gè)DEG和158個(gè)DEP，其中扩所，編碼參與清除ROS的L-抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX1；APX3)朴乖、參與磷脂代謝的非特異性脂轉(zhuǎn)移蛋白(nsLTP2)以及參與核酸代謝的腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶形式2(APRT)的基因都在mRNA和蛋白質(zhì)水平上受到調(diào)控祖屏。與ROS產(chǎn)生相關(guān)的幾個(gè)基因/蛋白質(zhì)助赞，如蛋白質(zhì)光系統(tǒng)I鐵硫中心(psaC)和編碼細(xì)胞色素Bc1復(fù)合亞單元(CR7)的基因，在突變體中分別顯示出蛋白質(zhì)豐度和轉(zhuǎn)錄水平的增加袁勺。此外雹食，與葉綠素代謝相關(guān)的基因，如編碼葉綠體蛋白STAYGREEN(SGR)期丰、推測(cè)的紅色葉綠素分解代謝還原酶(rccR)和ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白C(ABCC3)的基因群叶，在突變體中的轉(zhuǎn)錄水平高于WT。綜上所述钝荡，這些基因在轉(zhuǎn)錄/蛋白水平的變化揭示了葉片中葉綠素代謝和氧化還原動(dòng)態(tài)平衡的變化街立，這與之前的生理特性檢測(cè)結(jié)果基本一致。
6埠通、由差異表達(dá)基因/蛋白質(zhì)介導(dǎo)的多重代謝調(diào)節(jié)
最后赎离，研究者基于上述研究結(jié)果，繪制了一個(gè)可能的代謝調(diào)控機(jī)制圖端辱，用于解釋突變體葉片中的多重代謝水平變化梁剔。35個(gè)基因被用來(lái)描述突變體葉片中與碳水化合物代謝、氧化還原穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)的通路舞蔽，并標(biāo)記了每個(gè)基因在轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)水平上的變化荣病。結(jié)果表明，暫時(shí)性淀粉的過(guò)度積累可能是導(dǎo)致突變體葉片早衰和碳水化合物代謝失衡的主要因素渗柿，突變基因LSES1/OsCKI1可能通過(guò)ABA介導(dǎo)的信號(hào)通路調(diào)節(jié)淀粉代謝和細(xì)胞凋亡个盆。??
04?結(jié)果總結(jié)??
本研究發(fā)現(xiàn)與WT相比，lses1突變體表現(xiàn)出葉片淀粉過(guò)量和明顯的葉尖枯萎表型做祝、ROS和MDA含量高且葉綠素含量與保護(hù)酶活性低砾省。幾個(gè)與碳水化合物代謝和細(xì)胞凋亡相關(guān)的重要基因在mRNA和蛋白質(zhì)水平上的變化是一致的。PPI網(wǎng)絡(luò)可能在探究 lses1 葉片過(guò)早衰老方面發(fā)揮輔助作用混槐。轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)整合分析表明编兄，與淀粉和糖代謝、細(xì)胞凋亡和 ABA 信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)的多個(gè)關(guān)鍵基因/蛋白質(zhì)顯著差異表達(dá)声登。臨時(shí)淀粉異常增加與淀粉生物合成相關(guān)基因的表達(dá)高度相關(guān)狠鸳，這可能是導(dǎo)致lses1葉片早衰和葉片多重代謝水平發(fā)生變化的主要因素。此外悯嗓，四種與 ABA 積累和信號(hào)相關(guān)的蛋白質(zhì)件舵，以及三種與淀粉生物合成相關(guān)的 CKI 潛在靶蛋白在 lses1 突變體中上調(diào)，表明LSES1可能通過(guò)磷酸化與 ABA 信號(hào)和淀粉合成代謝途徑交互脯厨，影響暫時(shí)性淀粉積累和葉片過(guò)早衰老铅祸。
參考文獻(xiàn)：
Chen, Zhiming et al. “Integration of transcriptomic and proteomic analyses reveals several levels of metabolic regulation in the excess starch and early senescent leaf mutant lses1 in rice.”BMC plant biology vol. 22,1 137. 23 Mar. 2022.
