溫度和水分等非生物脅迫會對植物生長造成負面影響。與動物不同，植物無法逃避這些不利條件，因此它們進化出多種機制來感知和適應這些壓力。其中，脅迫感應后發生在質膜（PM）上的脂質信號控制著重要的植物適應過程。在信號傳遞過程開始時產生的這些PM脂質信號之一是二酰甘油（DAG）。然而，這種脂質在細胞膜中的積累可能是有毒的，導致膜完整性的喪失。因此，有效清除DAG對于重置系統功能和保持PM完整性至關重要。 2021年5月，西班牙馬拉加大學的研究人員在Plant Cell（IF 11.277）雜志上發表題為“Synaptotagmins at the endoplasmic reticulum-plasma membrane contact sites maintain diacylglycerol homeostasis during abiotic stress”的研究成果，利用脂質組學技術研究植物在非生物脅迫后PM控制DAG穩態的機制，揭示了一種突觸體蛋白（Syptotagmins，SYTs）依賴的應激適應機制，可以抵消非生物脅迫期間產生的DAG在PM處的有害積累。 研究材料 擬南芥的不同株系：WT野生型、syt1突變體、syt3突變體、syt1/3雙突變體 處理條件：對照條件、冷處理條件 技術路線 步驟1：SYT1和SYT3在非生物脅迫下對質膜穩定性起重要作用； 步驟2：SYT3位于內質網-質膜接觸位點； 步驟3：SYT1和SYT3通過與PI4P的交互作用來栓住PM； 步驟4：SYT1和SYT3在質網-質膜接觸位點CS顯示冷依賴動力學； 步驟5：SYT1和SYT3在冷應激條件下維持質膜DAG動態平衡； 步驟5：SYT1在體內優先與DAG結合。 研究結果 1. SYT1和SYT3在非生物脅迫下對質膜穩定性起重要作用 早期的研究證實，SYT1基因是各種非生物脅迫下細胞生存能力的重要決定因素。作者研究了SYTs是否在抗逆性中發揮作用，發現在低溫脅迫24小時可誘導SYT1和SYT3表達。進一步研究它們在非生物脅迫條件下參與細胞存活的特性，結果發現SYT1和SYT3在維持PM穩定性方面起著冗余作用，以響應苗期和成株期不同的非生物脅迫。 圖1 SYT1和SYT3在非生物脅迫下對質膜穩定性起重要作用 2. SYT3位于內質網-質膜接觸位點（ER-PM CS） SYT3在擬南芥信息資源數據庫（TAIR）中被認為是無功能的，這與前期研究結果明顯不一致性，因此，作者使用現有的RNAseq數據庫和RT-PCR擴增技術進行了詳細的序列分析，然后對cDN**段進行測序，鑒定出五種剪接變體，其中四個變體編碼非功能蛋白，只有與SYT3-GFP構建體（AT5G04220.2）所用序列一致的轉錄本可以編碼完整的SYT3蛋白，其結構域與SYT1相似，亞細胞定位發現SYT3與SYT1一起定位于ER–PM CS。 圖2 SYT3位于內質網-質膜接觸位點（ER-PM CS） 3. SYT1和SYT3通過與PI4P的交互作用來栓住PM 早期的研究表明，SYT1的C2A結構域以Ca2+依賴的方式結合含有磷脂酰絲氨酸（PS）和PC的人工脂質體，而SYT1-C2B的結合不依賴于Ca2+。本文中研究SYT3 C2A和C2B結構域的Ca2+依賴性磷脂結合特性，發現SYT3-C2A結構域與谷胱甘肽-S-轉移酶（SYT3-C2A-GST）以Ca2+依賴的方式結合帶負電荷的脂質體（25% PS/75% PC）。而SYT3-C2B-GST顯示與這些脂質體存在一些Ca2+非依賴性結合。這些結果表明，SYT3的C2B結構域可能包含額外的Ca2+結合位點，這些位點與標準位點不同。除了PS，C2結構域還可以結合其他帶負電的磷脂。由于PI4P是在PM內表面產生負電荷的主要決定因素，作者還研究了PI4P在ER–PM CS體內SYT3-GFP和SYT1-GFP定位中的作用，結果發現SYT1和SYT3可以通過與PI4P的交互作用來栓住PM。 圖3 SYT1和SYT3通過與PI4P的交互作用來栓住PM 4. SYT1和SYT3在ER–PM CS顯示冷依賴動力學 SYT1最初被鑒定為一種PM蛋白，在寒冷脅迫下積累在PM組分中。然而，使用特定的SYT1抗體，沒有檢測到WT或syt3突變體冷暴露1、3或7天后SYT1總蛋白的累積增加。這表明SYT1蛋白的總量既不因冷處理而改變，也不因缺少SYT3而改變。但是SYT3的表達則是由幾種應激引起的，包括冷應激，與SYT1相比，冷處理可誘導SYT3-GFP表達（倍數約為6倍）。 接下來，作者使用SYT1:SYT1-GFP和35S:SYT3-GFP在冷應激下研究SYT1-GFP和SYT3-GFP的亞細胞動力學。在對照條件下，在cER處觀察到SYT1-GFP和SYT3-GFP顯示出特征性圖案；在寒冷處理24小時后，皮質平面上的SYT1-GFP和SYT3-GFP信號增加。圖像分析證實冷處理后SYT1-GFP和SYT3-GFP的定位發生顯著變化。冷處理后3小時、15小時、24小時和3天對SYT1-GFP信號的定量分析表明，3小時時皮質積聚增加，一直持續到3天。而較短的冷處理（10分鐘和30分鐘）不會對SYT1-GFP定位產生任何顯著變化。為了評估SYT1和SYT3之間異源二聚體的形成，以WT背景下的SYT3:SYT3-GFP株系為材料，在對照條件下或冷處理24小時后，使用免疫共沉淀（CoIP）分析其相互作用。在這兩種情況下，SYT3-GFP與內源性SYT1蛋白共表達，表明在體內存在關聯。 圖4 SYT1和SYT3在ER–PM CS顯示冷依賴動力學 5. SYT1和SYT3在冷應激條件下維持質膜DAG動態平衡 為了評估SYT1和SYT3蛋白在甘油脂質穩態中的可能作用，作者分析了WT、syt1、syt3和syt1/3在對照條件下以及在4°C溫度下7天后的葉片脂質組。利用脂質組學技術檢測到了九類甘油脂質中的181種分子。在WT中，冷脅迫導致大多數脂質的不飽和度增加，單半乳糖基二酰甘油（MGDG）減少，不飽和三酰甘油（TAG）積累。syt1、syt3和syt1/3的總甘油脂質組成在對照條件下和冷處理后與WT相似，排除了SYT1和SYT3蛋白在冷應激后發生的實質性脂質重塑中的作用。 作者進一步研究了WT和syt1/3的PM在冷處理3天后發生的脂質變化，在該時間點，SYT1在ER–PM CS聚集。對PM組分的78種甘油脂質進行定量，在WT和syt1/3的PM主要脂質成分（如PE、PS、PG和PA）沒有顯著變化，而PC和DAG存在顯著差異。值得注意的是，大多數DAG分子種類顯示出在syt1/3的PM積累的趨勢，其中DAG32:2和DAG32:4是最豐富的分子。 圖5 SYT1和SYT3在冷應激條件下維持質膜DAG動態平衡 6. SYT1在體內優先與DAG結合 之后，作者分析了與功能性SYT1-GFP共沉淀的甘油脂質，鑒定與SYT1 SMP結構域結合的甘油脂質。在SYT1-GFP樣本中鑒定的35種脂質中，有24種是DAG，其中最豐富的為DAG32:2和DAG34:2，這與syt1/3的PM中差異積累的DAG分子一致。這一結果證明了SYT1和SYT3在將DAG從PM運輸到ER中的作用。 圖6 SYT1在體內優先與DAG結合 小結 中科優品推薦 【中科新生命】基于高分辨脂質組學平臺 170 萬種脂質分子譜圖庫，對生物樣本進行脂質組相對定量和絕對定量分析，生信分析內容豐富多樣，可揭示生理/ 病理過程中的脂質變化。
該研究揭示了一種依賴突觸體蛋白SYT的脅迫適應機制，該機制抵消了非生物脅迫期間產生的二酰甘油在質膜上的有害積累。脂質組學分析表明，與野生型相比，低溫脅迫增加了突觸體蛋白缺失突變體中PM處二酰甘油的積累。本研究深入解析了脂質分子在植物應對非生物脅迫中的作用，為作物凍害防治提供了新的思路。
Plant Cell（IF 11.277）| 內質網質膜接觸部位的突觸體在非生物脅迫期間維持甘油二酯穩態
作者：上海中科新生命生物科技有限公司 2021-12-31T14:27 (訪問量:3402)
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