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

2023-08-02 15:31:51, 质谱创新组学 上海欧易生物医学科技有限公司



01
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。空间代谢组学植物根系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。


02
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。

03
研究思路




04
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


05
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


06
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


小鹿推荐


关注

鹿明生物提供优质的空间代谢组服务


空代仪器平台

已搭建2套AFADESI-MSI质谱成像系统+1套Waters DESI-MSI质谱成像系统


项目执行

已落地执行项目百余项、检测组织样本类型20+;



技术标准立项

鹿明空间代谢组荣获上海市2023年度“科技创新行动计划”空间代谢组学分析检测的技术标准专项立项


定性算法经过多维校准

定性结果同时考虑物质表达空间情况、加和离子及同位素峰表达强度相似性、同位素表达空间分布相似性、非靶向质谱数据和空代自建数据库进行校准。


项目实测结果

可实现定性代谢物数量:1000-3000个代谢物

无偏好性检测代谢物::70%为700Da以下的小分子物质,30%为脂质类物质,更加适合代谢组学研究方向;




.

文末看点lumingbio


上海鹿明生物科技有限公司是欧易生物旗下从事蛋白质组代谢组质谱检测专业质谱组学服务公司。公司建有空间代谢组商业服务平台,深耕质谱组学检测分析,具体包括空间代谢组、双平台代谢组、靶向代谢组、TMT标记定量蛋白组、翻译后修饰蛋白组、4D-DIA蛋白组、单细胞及超微量蛋白组、空间蛋白组等。创新质谱组学平台广泛应用于机制解析、分型诊断、标志物筛选、药靶发掘等多个领域。公司并先后获得高新技术企业、上海市专精特新企业并建有院士专家工作站,自有包括tims tof pro2在内的各类大型质谱近二十台套,年服务项目超2000项。鹿明生物协助合作伙伴发表SCI论文近千篇,成功打造以硬数据、好服务为基础,以空间代谢组为特色的质谱组学检测服务公司品牌。



精彩往期推荐

项目文章 | 空间代谢组+空间转录组联合单细胞转录组揭示受损大脑中复杂的转录及代谢调剂

2023-06-09





纳米DESI MSI空间代谢组学和免疫荧光成像揭示骨骼肌纤维类型的分子特征

2023-06-02

重磅发布|中国医学科学院药物研究所贺玖明教授新发表空间多组学分析研究成果!

2023-05-16





【喜讯】鹿明生物获上海市2023年度“科技创新行动计划”空间代谢组学分析检测的技术标准专项立项

2023-04-19



END 

灵犀 撰文

欢迎转发到朋友圈

本文系鹿明生物原创解读

转载请注明本文转自鹿明生物

我知道你在看

“阅读原文”了解更多


  • 客服电话: 400-6699-117 转 1000
  • 京ICP备07018254号
  • 电信与信息服务业务经营许可证:京ICP证110310号
  • 京公网安备1101085018
  • 客服电话: 400-6699-117 转 1000
  • 京ICP备07018254号
  • 电信与信息服务业务经营许可证:京ICP证110310号
  • 京公网安备1101085018

Copyright ©2007-2023 ANTPEDIA, All Rights Reserved