Nat Comm | 空间代谢组学揭示三羧酸循环的代谢产物在植物根系生长发育中的功能

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研究背景

植物根的纵轴经历了多个发育阶段，从快速分裂的分生组织中新干细胞的诞生到分化区成熟细胞的形成，这允许在单片组织内观察连续的发育梯度，然而调控根系生长的分子机制研究依赖于沿着这一发育梯度的转录、蛋白、代谢物的可视化。空间代谢组学为植物根系的可视化研究提供了可能，本文利用空间质谱成像技术对玉米根的发育轴进行化学成像，揭示了一系列具有不同富集模式的小分子在根系生长发育中的多种功能。

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前言

2023年5月，美国加州大学与斯坦福大学研究团队共同在Nature Communications发表了题为“Chemical imaging reveals diverse functions of tricarboxylic acid metabolites in root growth and development”（IF：17.694）的文章，通过空间代谢组学技术，研究发育中玉米根系的代谢小分子，揭示了一系列小分子化合物在根分化梯度的分布模式，揭示了玉米根发育轴中小分子具有不同富集模式。特别是发育根中的脂质、碳水化合物，随后探索了TCA代谢物在根中独特的富集模式。研究结果为植物发育提供了见解，并为控制植物生长提供了实用的手段。

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研究思路

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研究方法

研究材料：

（1） 玉米根：来自3株玉米的10个根组织；

（2） TCA外源代谢物处理的拟南芥根：每组89-204个根组织不等；

研究技术：

（1） 小分子代谢物空间分布状态可视化展示：空间代谢组学技术

（2） 不同TCA外源代谢物对根系生长发育的影响研究：转录组+共焦图像

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研究结果

1、质谱成像揭示玉米根发育轴小分子分布模式

文章对玉米根组织切片进行质谱成像，并对方法进行优化，以探索根内部精细特征，结果发现TCA循环代谢物沿着发育轴呈现标准化强度的差异梯度分布。其中，琥珀酸盐在分生组织中表现最为强烈，乌头酸、苹果酸和富马酸的信号向根分化区域富集。为了解差异分布模式小分子背后的发育机制，作者后续做了外源TCA代谢物处理拟南芥根部的研究。

图1 空间代谢组学研究玉米根部

2、TCA代谢物在玉米和拟南芥根系发育中发挥不同的功能

为了解差异分布模式小分子背后的发育机制，作者做了外源TCA代谢物处理拟南芥根部的研究。研究发现，柠檬酸、α-酮戊二酸和乌头酸显著减少分生组织细胞数量。异柠檬酸和琥珀酸显著增加分生组织细胞数量。乌头酸是唯一能增加细胞伸长的代谢物，导致细胞分化时间延长。这些结果表明，TCA代谢物在干细胞分裂和生长中发挥不同的功能。例如，分生组织显著富集的琥珀酸具有分生组织生长促进功能，而乌头酸通常在分化区富集，抑制分生组织生长并促进细胞伸长。

图2 TCA生物合成基因的空间独特分布模式

图3 共聚焦显微镜测量外源处理根的分生组织活性

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研究结论

作者利用空间代谢组学质谱成像技术发现玉米根系中的TCA小分子代谢物独特的分布模式。然后利用外源TCA代谢物处理拟南芥根系，发现TCA代谢物的组织特异性分布以不同的方式促进了根系的生长。研究还发现TCA诱导的表型在很大程度上与ATP定位或产生的变化无关。相反，活性氧水平极易受到TCA周期扰动的影响。TCA循环代谢物对ROS水平的影响与ROS在根毛发育中的调控作用一致。

总的来说，这项工作表明多种TCA代谢物在根发育中具有非规范的作用，为研究对植物根系细胞分裂、分化和进行器官发生的认识提供了有趣的机会。

文章推荐

本研究中，利用DESI-MSI对玉米根系化学进行空间成像，揭示了TCA代谢物沿发育轴分布的不同模式。结果发现外源处理和TCA代谢物的组织特异性遗传操作以不同的方式影响根的生长。

参考文献：https://doi.org/10.1038/s41467-023-38150-z

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文末看点｜lumingbio

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