植物利用各種適應(yīng)性反應(yīng)來(lái)維持生命過(guò)程中所需的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。其中，蛋白質(zhì)、脂類、核酸、碳水化合物和細(xì)胞器的自噬循環(huán)對(duì)于細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。

為了更好地理解自噬是如何在營(yíng)養(yǎng)脅迫下影響植物生長(zhǎng)的，來(lái)自圣路易斯華盛頓大學(xué)、威斯康星大學(xué)、瓦薩學(xué)院和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的科研人員利用整合代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和離子組學(xué)的多組學(xué)策略進(jìn)行了探索。2020年7月，研究團(tuán)隊(duì)在《The Plant Cell》在線發(fā)表了題為“Autophagy Plays Prominent Roles in Amino Acid, Nucleotide, and Carbohydrate Metabolism During Fixed-carbon Starvation in Maize”的論文，揭示了自噬在玉米固定碳饑餓過(guò)程中對(duì)氨基酸、核苷酸和碳水化合物的代謝起著重要作用。

實(shí)驗(yàn)材料

兩周齡玉米，第二片葉中段

● 實(shí)驗(yàn)分組

WT、自噬缺失突變體atg12-1、自噬部分缺失突變體atg12-2，暗處理vs光照

●?技術(shù)路線

步驟1：碳饑餓系統(tǒng)變化：轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組分析

步驟2：碳饑餓+自噬缺失的系統(tǒng)表型影響：代謝組、離子組

步驟3：轉(zhuǎn)錄+蛋白聯(lián)合分析解析分子調(diào)控機(jī)制

步驟4：自噬調(diào)控代謝通路的系統(tǒng)畫像

?

研究結(jié)果

1）固定碳饑餓對(duì)玉米植株的影響

為了解碳饑餓對(duì)植株的影響，研究人員利用葉片遮光來(lái)模擬這一過(guò)程，發(fā)現(xiàn)碳饑餓對(duì)于轉(zhuǎn)錄、蛋白和代謝水平有著廣泛影響。代謝組數(shù)據(jù)顯示，碳饑餓導(dǎo)致野生型葉片中淀粉水平大幅下降，氨基酸、碳水化合物、脂類、核苷酸相關(guān)代謝物水平顯著上升,這暗示著循環(huán)利用的廣泛增加。

隨后的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組分析也各自顯示了碳饑餓對(duì)mRNA和蛋白質(zhì)水平的廣泛影響。轉(zhuǎn)錄組水平對(duì)于碳饑餓具有劇烈響應(yīng)。GO分析顯示，與脅迫、光照和有機(jī)物響應(yīng)的相關(guān)mRNA上調(diào)，而色素沉著、能量代謝以及氮代謝相關(guān)的mRNA下調(diào)。蛋白組結(jié)果顯示，核糖體相關(guān)蛋白上調(diào)，葉綠體基質(zhì)相關(guān)蛋白下調(diào)。這一結(jié)果表明，碳饑餓開(kāi)始破壞葉片的光合機(jī)制。

2）碳饑餓對(duì)自噬突變體的影響

為了剖析自噬與固定碳利用率之間的關(guān)系，研究人員對(duì)比了WT、atg12-1以及atg12-2三種材料的碳饑餓處理與對(duì)照間的差異。

在代謝組層面，atg突變體材料在碳饑餓和對(duì)照處理下，都與WT存在較大差異，約200種代謝物水平顯著改變，其中磷脂水平降低，而復(fù)合脂質(zhì)分解產(chǎn)物水平升高。

在碳饑餓與對(duì)照處理對(duì)比時(shí)，atg12中的代謝變化可能是因?yàn)橹仓暝噲D在沒(méi)有光合作用和自噬途徑的情況下，通過(guò)分解脂質(zhì)、淀粉和其他聚糖來(lái)維持能量供應(yīng)。固定碳饑餓對(duì)氨基酸水平產(chǎn)生了影響，自噬受損則加重了這一影響。而谷胱甘肽和亞油酸代謝等其他過(guò)程主要受atg12突變的影響。在離子組層面，自噬突變體和固定碳饑餓帶來(lái)的影響較小，其調(diào)控機(jī)制尚不明確。

3）自噬調(diào)控分子機(jī)制研究—轉(zhuǎn)錄組+蛋白組

為了進(jìn)一步探討自噬在固定碳饑餓處理下的代謝調(diào)控分子機(jī)制，研究人員進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組學(xué)與蛋白組學(xué)分析。

轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)顯示，差異轉(zhuǎn)錄本(atg12?vs野生型)在對(duì)照和碳饑餓處理之間的重疊率很低，這意味著碳饑餓對(duì)mRNA的影響比自噬缺失更強(qiáng)。GO分析顯示，自噬與脂肪酸、核苷酸、碳水化合物代謝以及水份運(yùn)輸和/或滲透壓的調(diào)控有關(guān)。

為了深入描述玉米蛋白質(zhì)組的變化，并將其與代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)變化聯(lián)系起來(lái)，研究人員進(jìn)行了label-free蛋白組學(xué)分析，結(jié)果顯示固定碳饑餓和自噬缺失對(duì)玉米葉片的蛋白質(zhì)水平產(chǎn)生了廣泛影響。PCA分析發(fā)現(xiàn)，自噬缺失與碳饑餓相對(duì)獨(dú)立地對(duì)蛋白質(zhì)組產(chǎn)生影響，而自噬的影響更大。GO富集分析發(fā)現(xiàn)，自噬缺失導(dǎo)致過(guò)氧化物酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、核糖體和蛋白酶體等相關(guān)蛋白強(qiáng)烈過(guò)表達(dá)。而類囊體相關(guān)蛋白的數(shù)量較少，這與自噬缺失下葉綠體提前衰老是一致的。

研究人員在常規(guī)火山圖的基礎(chǔ)上加入了細(xì)胞組分和蛋白功能的信息，以突出自噬的整體效應(yīng)。結(jié)果顯示，自噬底物過(guò)氧化物酶體、ER和蛋白酶體相關(guān)蛋白在atg12葉片中豐度更高。

細(xì)胞定位分析結(jié)果顯示，碳饑餓處理下atg12-1葉片中過(guò)氧化物酶體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白的富集程度增加，可能是自噬主要的調(diào)控目標(biāo)。

4）轉(zhuǎn)錄+蛋白聯(lián)合分析探索自噬調(diào)控機(jī)制

為了更全面地了解自噬的影響，研究人員進(jìn)行了碳饑餓處理下atg12-1?vs WT的轉(zhuǎn)錄組、蛋白組數(shù)據(jù)聯(lián)合分析。

為了能夠更好地梳理差異數(shù)據(jù)，研究人員將蛋白/轉(zhuǎn)錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行了色塊劃分：橙色表示只有mRNA上調(diào)；綠色表示mRNA和蛋白質(zhì)均上調(diào)；藍(lán)色表示只有蛋白質(zhì)上調(diào)；黃色表示只有蛋白質(zhì)下調(diào)；灰色表示只有mRNA下調(diào)。

分別對(duì)不同色塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行GO分析發(fā)現(xiàn)，綠色區(qū)域包含了谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶，這表明指導(dǎo)合成與谷胱甘肽生產(chǎn)和氧化應(yīng)激保護(hù)有關(guān)的酶是主要的轉(zhuǎn)錄響應(yīng)之一。藍(lán)色區(qū)域的數(shù)據(jù)顯示, 細(xì)胞質(zhì)、蛋白酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、過(guò)氧化物酶體、高爾基體和網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)可能是自噬調(diào)控的目標(biāo)。在灰色區(qū)域發(fā)現(xiàn)，大量與光合作用、淀粉代謝和氧化/還原相關(guān)的轉(zhuǎn)錄本被富集，因此推測(cè)由于碳饑餓處理導(dǎo)致葉片提前衰老，導(dǎo)致光合相關(guān)的轉(zhuǎn)錄下調(diào)。

5）自噬和碳饑餓對(duì)玉米代謝影響的高分辨率繪圖

組學(xué)數(shù)據(jù)的整合提供了描繪自噬和固定碳脅迫如何共同影響玉米代謝的可能性。結(jié)果顯示，在碳饑餓情況下，自噬會(huì)上調(diào)玉米的TCA及乙醛酸循環(huán)，從而維持細(xì)胞所需的能量與營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。

結(jié) 論

本研究利用多組學(xué)聯(lián)合分析策略，綜合了代謝組、蛋白組、轉(zhuǎn)錄組與離子組的大量數(shù)據(jù)，代謝組與離子組描繪了碳饑餓處理與自噬缺失帶來(lái)的表型變化，而轉(zhuǎn)錄組與蛋白組解析分子調(diào)控機(jī)制，從而綜合解析了自噬對(duì)玉米細(xì)胞代謝的系統(tǒng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)?？偠灾?，自噬對(duì)于循環(huán)利用氨基酸和含氮核苷酸、調(diào)節(jié)呼吸底物以及在碳饑餓期間保持固化氮功能至關(guān)重要。