Nature Biotechnology IF=43.113
定量蛋白質組學與翻譯后修飾研究共同揭示豆科植物共生固氮機理
A proteomic atlas of the legume Medicago truncatula and its nitrogen-fixing
endosymbiont Sinorhizobium meliloti
研究背景：生物固氮作用是生態圈氮循環中重要的一環，豆科植物的固氮機理也是農業與植物科學研究的熱點。早期已經從轉錄組學和基因組學層面對豆科模式植物苜蓿進行了一些基礎研究，本文則是聯合多組學分析深入解析了苜蓿與根瘤菌共生固氮機理。
樣本來源：根、莖、葉、花、種子、頂端分生組織以及不同發育階段的根瘤，來源于接種中華根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）的截形苜蓿（Medicago truncatula cv. Jemalong A17）。
技術路線：Label-free定量蛋白質組學+TMT修飾蛋白質組學（磷酸化、乙?；?/a>
研究結果：
1、對感染根瘤菌苜蓿的七個部位（根、莖、葉、花、種子、頂端分生組織以及不同發育階段的根瘤）分別取樣進行蛋白組學分析（label-free），共檢測到23,013個蛋白質（苜蓿19,679個，根瘤菌3,334個）；修飾蛋白組學分析發現20,120個磷酸化位點和734個乙?；稽c（TMT修飾）。
2、不同部位以及根瘤發育不同階段蛋白質組學，修飾蛋白質組學數據整合分析得到全局蛋白表達圖譜：環形蛋白質組學圖譜（circular proteome maps，CPM）；比較分析發現有一批核心蛋白質組（core proteome，5,701個蛋白）在苜蓿所有部位均高表達，而且翻譯后修飾位點也較為集中于這些核心蛋白質組。
環形蛋白質組學圖譜（circular proteome maps，CPM）
In-depth proteome sequencing reveals organ-specific proteins and post-translational modifications.
3、本文利用方差分析、層次聚類以及基因本體富集分析對蛋白共表達，修飾共調控機制，蛋白域，未鑒定蛋白功能以及未知基因產物推測等進行了深入分析。
Functional characterization of proteins and post-translational modifications in M.truncatula.
3、利用統計分析火山圖發現在根瘤生長過程中許多根瘤功能相關蛋白差異表達，這些蛋白的磷酸化修飾也發生了變化（Figure 3a）；文中利用轉錄組數據構建蛋白表達網絡對蛋白調控關系進行預測分析；在重點關注結瘤過程蛋白網絡圖譜中，他們發現一類鈣調素結合蛋白（calmodulin-binding protein）具有最高的連通程度（Figure 3b），推測其在共生體的調節與維持過程中發揮核心作用。
Nodule-specific proteins and post-translational modifications provide evidence for key regulators in symbiosis.
4、對結瘤特異性的半胱氨酸富含蛋白（NCR）在根瘤發育過程中的表達模式進行統計分析發現NCR在結瘤過程中發揮重要功能：早期調控根瘤形態發生，后期調控共生體形成（Figure 4a）。進一步分析根瘤生長過程中根瘤菌蛋白表達情況找到了NCR的靶向蛋白：轉錄調節因子，細胞分裂相關蛋白以及RNA聚合酶輔助因子等（Figure 4b）。
Temporal stages of host-factor expression in M. truncatula and putative targets in S. meliloti.
5、此外，作者還鑒定到了許多的短肽（<20個氨基酸），這些短肽在植物生長調節、免疫應答以及共生作用中發揮重要的功能；作者認為深入研究這些多肽將有助于解析共生固氮的機理。
小編心得：
本文是一篇非常精彩的多組學聯合分析的文章（涉及到基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和修飾蛋白質組學）。在已有的苜?；蚪M和轉錄組數據的基礎上對苜蓿的近乎所有部位（根、莖、葉、花、種子、頂端分生組織以及不同發育階段的根瘤）蛋白質組和修飾蛋白質組進行測序。整合轉錄組、蛋白質組和修飾蛋白質組數據進行聯合分析，鑒定到了苜蓿核心蛋白質組（多部位共表達蛋白子集）和根瘤蛋白質組（參與根瘤生長及調控的特異蛋白子集）；在此基礎上建立共生固氮調控網絡，發現核心蛋白。他們的成果必然會對根瘤固氮機理研究起到巨大的推進作用。