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題目：Proteome analysis of bermudagrass stolons and rhizomes provides new insights into the adaptation of plant stems to aboveground and underground growth 期刊：Journal of proteomics 影響因子：3.509 合作技術：iTRAQ定量蛋白質組學 百慕大草是一種重要的多年生暖季草坪草種，同時形成地下生長的根狀莖和地上生長的匍匐莖，是快速繁殖能力強的克隆植物。根狀莖和匍匐莖作為分別生長在地下和地上的兩種特殊莖，在許多多年生和克隆植物的越冬和生態入侵中起著重要作用。然而，由于根狀莖和匍匐莖很少在單一的植物物種中共存，這兩種莖之間的差異在分子水平上尚不清楚。 ? 在本研究中，作者通過iTRAQ比較蛋白質組分析，首次鑒定了百慕大草的根狀莖和匍匐莖中228種不同積累的蛋白質種類(DAPs)。我們發現，228個DAPs相互作用，形成蛋白質網絡，以調節不同的細胞活性和生化反應。我們還觀察到，生長在地下的匍匐莖表現出與地下生長的根狀莖類似的生理活性和DAP表達，這表明光可能在匍匐莖和根狀莖的分化中發揮重要的調節作用。這些結果增加了我們對植物莖適應不同生長條件的了解。 ? 1. 百慕大草匍匐莖及根狀莖的形態、解剖和生理特征 匍匐莖和根狀莖均由百慕大草的基部芽組成。根狀莖呈白色和淡黃色，而匍匐莖呈淡綠色（圖1A）。雖然根狀莖和匍匐莖在節點和節點間都具有相似的植物組織結構，但這兩個莖有不同的節點間長度和直徑（圖1A-C）。顯微分析表明，根狀莖的橫切面細胞比匍匐莖的細胞多（圖1D，E），這與節間直徑測量結果一致（圖1C）。I2-KI染色進一步表明，根狀莖積累的淀粉比匍匐莖積累的淀粉更多（圖1F，G），與淀粉含量測定結果的一致（圖1H）。有趣的是，匍匐莖的可溶性蛋白質含量明顯高于匍匐莖，而兩個莖的可溶性糖含量相似（圖1I，J）。根據觀察發現，兩個莖顯示不同的顏色，匍匐莖的葉綠素和花青素含量顯著高于根狀莖（圖1K，L）。相反，根狀莖中的H2O2含量幾乎是匍匐莖的3倍（圖1M）。這些結果共同表明，百慕大草的莖和根莖在形態，解剖結構和生理活動方面有許多差異。 ? 圖1 百慕大草品種陽江匍匐莖與根狀莖的解剖生理差異 ? 2. 百慕大草匍匐莖與根狀莖節間蛋白質組的比較 為了研究百慕大草中匍匐莖與根狀莖之間差異的分子機制，進行了iTRAQ蛋白質組學分析，總共鑒定出4416種蛋白質。在根狀莖和匍匐莖中，分別有68.2％和63.5％的蛋白質變異系數（CV）值<20％（圖2A），定量比較表明，在匍匐莖與根狀莖中只有228種蛋白質顯著差異積累。而其余4188種蛋白質在兩種類型的莖中顯示相似的蛋白質豐度（圖2B）。DAP的亞細胞定位預測進一步表明，匍匐莖中的DAP主要位于葉綠體，細胞質和高爾基體中，而許多根狀莖中的DAP則被預測為細胞壁，質外體和質膜-定位的蛋白質（圖2C）。 ? 為了驗證iTRAQ定量結果，使用RT-qPCR確定了10個DAP編碼基因的表達水平。特別選擇了這十個DAP，以代表四種DAP。結果表明，五個基因在根狀莖中優先表達，其他五個基因在匍匐莖中高表達（圖3A），這與iTRAQ定量結果一致（圖3B）。使用針對具有上述不同種類的倍數變化的四種DAP的Western blot分析，包括DAP8（植物色素A，PHYA），DAP91（過氧化氫酶，CAT），DAP152（熱休克蛋白70，HSP70）和DAP225（磷酸烯醇丙酮酸羧化酶，PEPC），以進一步驗證iTRAQ定量結果。結果表明，根狀莖中PHYA和CAT的蛋白質豐度更高，而HSP70和PEPC蛋白質則優先在匍匐莖中積累（圖3C）。 ? 圖2 百慕大草品種陽江市匍匐莖和根狀莖的蛋白質組比較 圖3選定差異蛋白種類的RT-qPCR和Western blot分析 ? 3. 百慕大草匍匐莖與根狀莖的差異化生化途徑 分別進行GO和KEGG注釋以獲得DAP的功能信息。GO注釋表明228個DAP參與了21個生物學過程，包括代謝，對刺激的反應，定位的建立，信號傳導和生物節律。有趣的是，這21個GO類別都包含不同數量的DAP，這表明這些生物學過程可能在兩種類型的莖中受到不同的調節。根據獲得的DAPs的KEGG注釋信息，KOBAS分析進一步顯示，匍匐莖與根狀莖中有5和7條生化途徑顯著豐富（圖4A，B）。具體來說，匍匐莖DAP在光合作用、光合作用-天線蛋白質、光合用生物中的碳固定和類黃酮生物合成中富集，而在根狀莖DAP在淀粉和蔗糖代謝、糖酵解和過氧化氫代謝中富集（圖4A，B ）。 搜索STRING數據庫以獲得DAP的可能的PPI信息。結果表明，分別有66.9％（85/127）和70.3％（71/101）的DAP可以在匍匐莖和根狀莖中形成復雜的PPI網絡（圖4C，D）。有趣的是，參與光合作用的20個DAP，參與類黃酮生物合成的6個DAP，參與糖酵解的7個DAP，以及參與淀粉和蔗糖代謝的6個DAP都聚集在PPI網絡中（圖4C，D）。這些結果與KOBAS分析結果相結合，共同暗示了匍匐莖中光合作用和類黃酮的生物合成受到嚴格調節，而根狀莖中糖酵解和淀粉代謝則受到嚴格調節。 ? 圖4 不同積累蛋白質種類的功能富集和蛋白蛋白相互作用分析 ? 4. 地下生長的百慕大草匍匐莖的生理和蛋白質豐度變化 由于自然分化的百慕大草匍匐莖和根狀莖在生理活動和蛋白質組分布上表現出巨大的差異，我們懷疑生長在地下的匍匐莖是否可能在某些方面表現得像根狀莖。為了驗證這種懷疑，我們把匍匐莖埋在土壤里，每隔五天對匍匐莖進行取樣。有趣的是，埋在土壤中的匍匐莖的顏色逐漸從淺綠色變成白色，同時淀粉的積累越來越明顯。。因此，匍匐莖的葉綠素和花青素含量隨著時間的推移逐漸下降，而淀粉和過氧化氫含量在處理后5天急劇增加，并保持快速增加率。 進一步分析了土埋匍匐莖中DAP的表達。RT-qPCR和Western blot均表明，隨著處理時間的延長，匍匐莖中四種DAP的表達水平逐漸接近根狀莖中的相同表達水平。 ? 在本研究中，作者發現127個和101個蛋白質物種分別優先積累在百慕大草匍匐莖和根狀莖中。這228個DAPs包括復雜的蛋白質網絡，以精細地調節兩種特殊莖中的不同細胞活動。具體來說，匍匐莖的光合作用和類黃酮生物合成受到顯著調控，根狀莖的蔗糖和淀粉代謝受到顯著調控。埋在土壤中的匍匐莖表現出與地下生長的根狀莖相似的生理活性和DAP表達，這表明光可能在DAP的差異積累和兩個莖的分化中起著重要的調控作用。這些結果不僅增加我們對植物莖適應不同生長條件的了解，而且還建議光控制管理可以用來調節百慕大草和其他擁有兩種特殊莖的匍匐莖和根狀莖的比率。
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