題目：iTRAQ-based proteomics screen for potential regulators of wheat (Triticum aestivum L.) root cell wall component response to Al stress
蛋白質組學研究鋁脅迫下小麥根系細胞壁響應蛋白及細胞組分變化
期刊：Gene
影響因子：2.498
合作技術：iTRAQ
研究背景
全世界50%以上潛在的可耕地屬于酸性土壤，鋁毒害是酸性土壤上限制作物產量的主要障礙因子之一。根尖是對鋁毒害最敏感的部位，表現為根尖伸長受到抑制。植物根伸長主要包括兩個過程：細胞伸長和細胞分裂。有研究者認為鋁脅迫抑制根伸長的初始效應主要是由于抑制細胞伸長。目前大多數關于鋁脅迫的蛋白質組學研究集中在鋁毒響應蛋白上，對鋁干擾的根系細胞壁及代謝影響的研究較少。
研究內容及結果
1. 鋁脅迫小麥根蛋白質組學分析
作者選擇苗長均勻的ET8品種小麥（Triticum aestivum L）幼苗分別經CaCl2（對照組，CK）和鋁脅迫（實驗組，Al）孵育后選取根尖進行iTRAQ定量蛋白質組學檢測分析。共鑒定到7401種蛋白質（表1，圖1），平均肽段長度為15.56個氨基酸，保持在合理的范圍內（圖1B），鑒定蛋白序列平均覆蓋度為16.98%（圖1C）。鑒定到97種差異表達蛋白（fold change ratio≥1.5 or≤0.6, p≤0.05），其中上調蛋白47種，下調蛋白50種。
表1 鑒定蛋白和肽段數目
圖1 蛋白質組學鑒定結果
2. 差異表達蛋白功能注釋分析
作者隨后將差異蛋白進行GO功能注釋，發現表達上調的蛋白和下調的蛋白在GO分類上沒有明顯區別（圖2）。GO注釋結果顯示，在生物過程中差異蛋白主要參與metabolic和cellular processes，細胞組分中cell和cell part占有較大比例，分子功能中差異蛋白主要參與binding（圖2）。為了進一步研究這些蛋白質的生物學功能，作者進行了KEGG注釋分析，發現這些差異蛋白主要參與Metabolic pathways、biosynthesis of secondary metabolites、microbial metabolism in diverse environments（圖3）。
圖2 GO功能注釋
圖3 KEGG功能注釋
3. 鋁脅迫對根細胞壁組分代謝相關酶的影響
隨后作者進行層次聚類分析，發現和對照組相比，鋁脅迫實驗組中脅迫調節蛋白表達量發生顯著差異（圖4）。細胞壁組分的變化是鋁脅迫下根細胞伸長抑制的原因之一。因此，作者專注于這些應激類型中涉及的蛋白質的變化。97種差異蛋白質有9種與根細胞壁成分相關，其中5種蛋白序列已知（PM H+-ATPase、peroxidase、 glycosyltransferase、Lipoxygenase、14-3-3 protein）。
圖4 差異蛋白層次聚類分析
4. 基因和蛋白表達相關性
作者挑選了5種根細胞壁組分代謝相關蛋白進行基因表達分析（14-3-3 protein、PM H+-ATPase、glycosyltransferase、phospholipase D、peroxidase），以確定基因表達數據是否能確認蛋白質豐度的變化。qRT-PCR結果表明，與對照相比，鋁脅迫顯著抑制14-3-3 protein、 PM H+-ATPase, glycosyltransferase、phospholipase D的表達，而peroxidase表達量增高（圖5）。其中三種基因的表達水平和組學結果一致（peroxidase、phospholipase D、14-3-3 protein）?；虻谋磉_水平與相應蛋白質的豐度之間的差異可能是由翻譯后修飾引起的。
接下來作者又檢測了細胞壁組分含量和代謝相關酶的活性以驗證蛋白質組學分析。發現鋁脅迫下小麥根系細胞胼胝質酶活性降低了36.68％，纖維素酶活性降低了28.57％，PM H+-ATPase 活性降低了25%，PAL（苯丙氨酸解氨酶）、CAD（肉桂醇脫氫酶）、 POD（過氧化物酶）活性分別增加53.18%、33.06%和52.01%。細胞壁組分也發生顯著變化（表2），胼胝質、木質素、H2O2含量分別增加52.65％、29.28％和67.50％，而纖維素含量下降了26.13％。
表2 鋁脅迫處理后小麥根細胞壁組分
圖5 小麥根系伸長相關基因的表達水平
文章小結
作者通過高通量蛋白質組學技術篩選得到了小麥根細胞壁響應鋁脅迫反應的9種相關蛋白，證明鋁脅迫除顯著改變根細胞壁組分代謝相關蛋白表達量外，也影響小麥根系細胞組分變化。
解析文獻
Ye Yang, Li Ma, et al. iTRAQ-based proteomics screen for potential regulators of wheat (Triticum aestivum L.) root cell wall component response to Al stress[J]. Gene, 2018, 675:301-311.
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