PLANT CELL：转录蛋白代谢多组学联合探索自噬对玉米碳饥饿胁迫的调控机制

植物利用各种适应性反应来维持生命过程中所需的营养供应。其中，蛋白质、脂类、核酸、碳水化合物和细胞器的自噬循环对于细胞内稳态至关重要。

为了更好地理解自噬是如何在营养胁迫下影响植物生长的，来自圣路易斯华盛顿大学、威斯康星大学、瓦萨学院和华南农业大学的科研人员利用整合代谢组学、转录组学、蛋白组学和离子组学的多组学策略进行了探索。2020年7月，研究团队在《The Plant Cell》在线发表了题为“Autophagy Plays Prominent Roles in Amino Acid, Nucleotide, and Carbohydrate Metabolism During Fixed-carbon Starvation in Maize”的论文，揭示了自噬在玉米固定碳饥饿过程中对氨基酸、核苷酸和碳水化合物的代谢起着重要作用。

● 实验材料：两周龄玉米，第二片叶中段

● 实验分组：两周龄玉米，第二片叶中段

● 技术路线：

步骤1：碳饥饿系统变化：转录组、蛋白组、代谢组分析

步骤2：碳饥饿+自噬缺失的系统表型影响：代谢组、离子组

步骤3：转录+蛋白联合分析解析分子调控机制

步骤4：自噬调控代谢通路的系统画像

研 究 结 果

1. 固定碳饥饿对玉米植株的影响

为了解碳饥饿对植株的影响，研究人员利用叶片遮光来模拟这一过程，发现碳饥饿对于转录、蛋白和代谢水平有着广泛影响。代谢组数据显示，碳饥饿导致野生型叶片中淀粉水平大幅下降，氨基酸、碳水化合物、脂类、核苷酸相关代谢物水平显著上升,这暗示着循环利用的广泛增加。

随后的转录组和蛋白质组分析也各自显示了碳饥饿对mRNA和蛋白质水平的广泛影响。转录组水平对于碳饥饿具有剧烈响应。GO分析显示，与胁迫、光照和有机物响应的相关mRNA上调，而色素沉着、能量代谢以及氮代谢相关的mRNA下调。蛋白组结果显示，核糖体相关蛋白上调，叶绿体基质相关蛋白下调。这一结果表明，碳饥饿开始破坏叶片的光合机制。

2）碳饥饿对自噬突变体的影响

为了剖析自噬与固定碳利用率之间的关系，研究人员对比了WT、atg12-1以及atg12-2三种材料的碳饥饿处理与对照间的差异。

在代谢组层面，atg突变体材料在碳饥饿和对照处理下，都与WT存在较大差异，约200种代谢物水平显著改变，其中磷脂水平降低，而复合脂质分解产物水平升高。

在碳饥饿与对照处理对比时，atg12中的代谢变化可能是因为植株试图在没有光合作用和自噬途径的情况下，通过分解脂质、淀粉和其他聚糖来维持能量供应。固定碳饥饿对氨基酸水平产生了影响，自噬受损则加重了这一影响。而谷胱甘肽和亚油酸代谢等其他过程主要受atg12突变的影响。在离子组层面，自噬突变体和固定碳饥饿带来的影响较小，其调控机制尚不明确。

3）自噬调控分子机制研究—转录组+蛋白组

为了进一步探讨自噬在固定碳饥饿处理下的代谢调控分子机制，研究人员进行了转录组学与蛋白组学分析。

转录组数据显示，差异转录本(atg12 vs野生型)在对照和碳饥饿处理之间的重叠率很低，这意味着碳饥饿对mRNA的影响比自噬缺失更强。GO分析显示，自噬与脂肪酸、核苷酸、碳水化合物代谢以及水份运输和/或渗透压的调控有关。

为了深入描述玉米蛋白质组的变化，并将其与代谢组学和转录组学变化联系起来，研究人员进行了label-free蛋白组学分析，结果显示固定碳饥饿和自噬缺失对玉米叶片的蛋白质水平产生了广泛影响。PCA分析发现，自噬缺失与碳饥饿相对独立地对蛋白质组产生影响，而自噬的影响更大。GO富集分析发现，自噬缺失导致过氧化物酶体、内质网、高尔基体、核糖体和蛋白酶体等相关蛋白强烈过表达。而类囊体相关蛋白的数量较少，这与自噬缺失下叶绿体提前衰老是一致的。

研究人员在常规火山图的基础上加入了细胞组分和蛋白功能的信息，以突出自噬的整体效应。结果显示，自噬底物过氧化物酶体、ER和蛋白酶体相关蛋白在atg12叶片中丰度更高。

细胞定位分析结果显示，碳饥饿处理下atg12-1叶片中过氧化物酶体和内质网蛋白的富集程度增加，可能是自噬主要的调控目标。

4）转录+蛋白联合分析探索自噬调控机制

为了更全面地了解自噬的影响，研究人员进行了碳饥饿处理下atg12-1 vs WT的转录组、蛋白组数据联合分析。

为了能够更好地梳理差异数据，研究人员将蛋白/转录的数据进行了色块划分：橙色表示只有mRNA上调；绿色表示mRNA和蛋白质均上调；蓝色表示只有蛋白质上调；黄色表示只有蛋白质下调；灰色表示只有mRNA下调。

分别对不同色块的数据进行GO分析发现，绿色区域包含了谷胱甘肽转移酶，这表明指导合成与谷胱甘肽生产和氧化应激保护有关的酶是主要的转录响应之一。蓝色区域的数据显示, 细胞质、蛋白酶体、内质网、过氧化物酶体、高尔基体和网格蛋白介导的转运可能是自噬调控的目标。在灰色区域发现，大量与光合作用、淀粉代谢和氧化/还原相关的转录本被富集，因此推测由于碳饥饿处理导致叶片提前衰老，导致光合相关的转录下调。

5）自噬和碳饥饿对玉米代谢影响的高分辨率绘图

组学数据的整合提供了描绘自噬和固定碳胁迫如何共同影响玉米代谢的可能性。结果显示，在碳饥饿情况下，自噬会上调玉米的TCA及乙醛酸循环，从而维持细胞所需的能量与营养供应。

结 论

本研究利用多组学联合分析策略，综合了代谢组、蛋白组、转录组与离子组的大量数据，代谢组与离子组描绘了碳饥饿处理与自噬缺失带来的表型变化，而转录组与蛋白组解析分子调控机制，从而综合解析了自噬对玉米细胞代谢的系统调控网络。总而言之，自噬对于循环利用氨基酸和含氮核苷酸、调节呼吸底物以及在碳饥饿期间保持固化氮至关重要。

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