Nature Biotechnology IF=43.113
定量蛋白質(zhì)組學(xué)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(tài)圈氮循環(huán)中重要的一環(huán)，豆科植物的固氮機理也是農(nóng)業(yè)與植物科學(xué)研究的熱點。早期已經(jīng)從轉(zhuǎn)錄組學(xué)和基因組學(xué)層面對豆科模式植物苜蓿進(jìn)行了一些基礎(chǔ)研究，本文則是聯(lián)合多組學(xué)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(fā)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(shù)路線：Label-free定量蛋白質(zhì)組學(xué)+TMT修飾蛋白質(zhì)組學(xué)（磷酸化、乙酰化）
研究結(jié)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(fā)育階段的根瘤）分別取樣進(jìn)行蛋白組學(xué)分析（label-free），共檢測到23,013個蛋白質(zhì)（苜蓿19,679個，根瘤菌3,334個）；修飾蛋白組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)20,120個磷酸化位點和734個乙酰化位點（TMT修飾）。
2、不同部位以及根瘤發(fā)育不同階段蛋白質(zhì)組學(xué)，修飾蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)整合分析得到全局蛋白表達(dá)圖譜：環(huán)形蛋白質(zhì)組學(xué)圖譜（circular proteome maps，CPM）；比較分析發(fā)現(xiàn)有一批核心蛋白質(zhì)組（core proteome，5,701個蛋白）在苜蓿所有部位均高表達(dá)，而且翻譯后修飾位點也較為集中于這些核心蛋白質(zhì)組。
環(huán)形蛋白質(zhì)組學(xué)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(dá)，修飾共調(diào)控機制，蛋白域，未鑒定蛋白功能以及未知基因產(chǎn)物推測等進(jìn)行了深入分析。
Functional characterization of proteins and post-translational modifications in M.truncatula.
3、利用統(tǒng)計分析火山圖發(fā)現(xiàn)在根瘤生長過程中許多根瘤功能相關(guān)蛋白差異表達(dá)，這些蛋白的磷酸化修飾也發(fā)生了變化（Figure 3a）；文中利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)構(gòu)建蛋白表達(dá)網(wǎng)絡(luò)對蛋白調(diào)控關(guān)系進(jìn)行預(yù)測分析；在重點關(guān)注結(jié)瘤過程蛋白網(wǎng)絡(luò)圖譜中，他們發(fā)現(xiàn)一類鈣調(diào)素結(jié)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(diào)節(jié)與維持過程中發(fā)揮核心作用。
Nodule-specific proteins and post-translational modifications provide evidence for key regulators in symbiosis.
4、對結(jié)瘤特異性的半胱氨酸富含蛋白（NCR）在根瘤發(fā)育過程中的表達(dá)模式進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)NCR在結(jié)瘤過程中發(fā)揮重要功能：早期調(diào)控根瘤形態(tài)發(fā)生，后期調(diào)控共生體形成（Figure 4a）。進(jìn)一步分析根瘤生長過程中根瘤菌蛋白表達(dá)情況找到了NCR的靶向蛋白：轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，細(xì)胞分裂相關(guān)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(diào)節(jié)、免疫應(yīng)答以及共生作用中發(fā)揮重要的功能；作者認(rèn)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(xué)聯(lián)合分析的文章（涉及到基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和修飾蛋白質(zhì)組學(xué)）。在已有的苜蓿基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)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(fā)育階段的根瘤）蛋白質(zhì)組和修飾蛋白質(zhì)組進(jìn)行測序。整合轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和修飾蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，鑒定到了苜蓿核心蛋白質(zhì)組（多部位共表達(dá)蛋白子集）和根瘤蛋白質(zhì)組（參與根瘤生長及調(diào)控的特異蛋白子集）；在此基礎(chǔ)上建立共生固氮調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)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(jìn)作用。