Sci Adv | 河南农业大学报道小麦巴豆酰化修饰图谱，揭示低温抗性新机制

2023-05-31 15:37:23, 景杰生物杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰生物 | 报道

低温是影响小麦生产的最严重的非生物胁迫之一，但是当前对小麦中调控冷胁迫的重要基因的报道有限，鉴定更多的基因对于提高小麦耐寒性具有迫切性。最新的研究发现，蛋白质翻译后修饰（PTM）参与植物低温胁迫调控。其中巴豆酰化修饰（Kcr）于2011年首次报道发现，在哺乳动物和细胞中参与了多种生物学功能，包括DNA损伤修复、转录沉默和修复、肿瘤、肾损伤、炎症等。研究报道巴豆酰化修饰与植物的低温胁迫密切相关，但是巴豆酰化修饰参与小麦转录调控和低温抗性的机制研究还较为缺乏。

2023年5月10日，河南农业大学陈锋团队在Science Advances在线发表了题为”Global crotonylatome and GWAS revealed a TaSRT1-TaPGK model regulating wheat cold tolerance through mediating pyruvate”的研究论文。研究绘制了六倍体小麦的巴豆酰化修饰图谱，并结合GWAS分析技术揭示了两个高价值的耐寒基因TaSRT1-TaPGK及其调控小麦低温抗性的新机制。景杰生物为该研究提供了巴豆酰化修饰组学分析技术支持。

研究者首先使用巴豆酰化修饰泛抗体进行Western blot实验，揭示了小麦中蛋白巴豆酰化分布的广泛性和进化保守性。研究发现巴豆酰化修饰在六倍体小麦（AABBDD）及乌拉尔图小麦（Triticum urartu）中分布广泛，表明Kcr是一种广泛分布于小麦及其祖先的进化保守标记。。Kcr广泛存在于小麦胚芽、根、茎和种子的各种类型的蛋白质中，Kcr水平随幼苗生长不规则变化，但在两叶期最高。特别的，Kcr水平在多重胁迫处理下发生显著变化。Kcr在高温下显著下降，在低温下显著增加，表明小麦巴豆酰化修饰水平可能与低温胁迫有关。

图1 Kcr是一种广泛分布于小麦及其祖先的进化保守标记

研究者进一步运用基于质谱的巴豆酰化修饰组学技术绘制了小麦叶片的蛋白质巴豆酰化修饰图谱。研究者在3458种蛋白质中鉴定了12,066个巴豆酰化修饰位点，其中超过800种蛋白具有多个巴豆酰化修饰位点。研究者分析了小麦中不同翻译后修饰类型（乙酰化Kac、巴豆酰化Kcr、琥珀酰化Ksucc、丙二酰化Kma）的蛋白，并比较了Kcr 蛋白在不同植物（小麦、烟草和水稻）中的分布及其偏好。生信分析发现巴豆酰化修饰蛋白广泛分布在叶绿体、细胞质、细胞核和线粒体当中，参与光合作用、氧化磷酸化和碳代谢等生物学过程。

图2 小麦赖氨酸巴豆酰化修饰位点鉴定

全基因组关联研究(GWAS)已被广泛用于识别与多种植物的复杂性状相关的重要遗传位点，整合多组学和GWAS是鉴定六倍体小麦关键基因的有效策略。研究者将巴豆酰化修饰组、转录组以及蛋白组数据进行联合分析，共鉴定到12个关键的低温胁迫响应候选基因。在406份小麦中对上述12个候选基因进行测序，将鉴定到的126个多态性标记加入到小麦660K和90K SNP芯片中进行冻害表型的GWAS分析。最终发现候选基因TaPGK（phosphoglycerate kinase, 磷酸甘油酸激酶）与小麦低温抗性密切相关。LC-MS/MS鉴定与模拟点突变实验（赖氨酸（K）突变为精氨酸（R）模拟去巴豆酰化修饰）揭示冷应激与TaPGK的Kcr水平密切相关，TaPGK上K206是应对低温胁迫的关键巴豆酰化修饰位点。

图3 多组学、GWAS分析鉴定候选基因-TaPGK

研究进一步剖析了TaPGK调节小麦耐寒性的机制。通过酵母双杂交实验筛选到小麦中TaPGK的相互作用蛋白TaSRT1。TaSRT1在体内和体外与TaPGK存在强烈的相互作用，低温胁迫下TaSRT1表达显著增加。之前的研究表明TaSRT1具有去巴豆酰化的潜在作用，该研究发现过表达TaSRT1小麦的巴豆酰化修饰水平显著降低，表现出严重的下垂和脱水。表明TaSRT1是小麦中重要的去巴豆酰化修饰酶，负调节小麦低温抗性。TaPGK过表达小麦中参与糖酵解途径的相关基因表达量增加，且小麦中丙酮酸的含量也显著增加。上述实验结果表明，TaPGK-TaSRT1可能通过调节小麦植物中的丙酮酸含量进而调节小麦低温抗性。

图4 TaSRT1-TaPGK轴调控小麦低温抗性

综上所述，研究者绘制了普通小麦中巴豆酰化修饰图谱，发现了小麦低温抗性的新机制：低温胁迫下调小麦的去巴豆酰化修饰酶-TaSRT1表达，减弱其对TaPGK的去巴豆酰化作用，促进TaPGK蛋白K206位巴豆酰化修饰水平并增加丙酮酸含量，最终增强小麦的低温抗性。

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参考文献

Zhang N, et al. 2023. Global crotonylatome and GWAS revealed a TaSRT1-TaPGK model regulating wheat cold tolerance through mediating pyruvate. Science Advances.

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