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中科项目文章 | 蛋白质组学(TMT+PRM)解析草莓匍匐茎芽发育特征

2020-01-21
中科新生命
2944

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Phenotypic analysis combined with tandem mass tags (TMT) labeling reveal the heterogeneity of strawberry stolon buds

BMC Plant Biology  IF=3.67

本期关键词

草莓,匍匐茎芽,TMT蛋白组学,PRM靶向验证

背景介绍

草莓(Fragaria × ananassa)是一种多年生草本植物,通过匍匐茎或根状茎无性繁殖。在匍匐茎无性繁殖中,第一节芽通常处于休眠状态,只有第二节芽有能力形成分株。因此,对匍匐茎芽产生休眠芽或活性芽从而产生小植株机制的研究,是提高草莓产量,建立节约型栽培方法的关键。然而,目前还没有对草莓三种匍匐茎芽(休眠芽、活动芽和分株叶芽)的异质性进行系统研究。

近日,江苏省农业科学院果树研究所江苏省园艺作物遗传改良重点实验室赵密珍课题组在《BMC Plant Biology》上利用表型分析结合TMT蛋白质组学揭示了草莓匍匐茎芽的异质性。作者首先通过形态学观察阐明了草莓匍匐茎第一节芽和第二节芽的详细发育过程。随后,研究团队利用TMT标记方法比较三个发育阶段的蛋白差异,通过对不同类型草莓匍匐茎芽的表型观察和蛋白质组网络分析,确定了DSB的休眠期,揭示了草莓不同匍匐茎芽间异质性的生物学途径和基因网络,为从蛋白质水平上理解草莓匍匐茎表型和芽发育机制奠定了基础。中科新生命参与了蛋白组学及PRM验证部分的检测分析工作

实验材料

‘宁玉’草莓匍匐茎组织,3组样本分别为休眠芽(DSB)、活动芽(ASB)和分株叶芽(RLB)(图1 A–C)。

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图1 草莓匍匐茎三种芽的生理状态(A,休眠芽;B,活动芽;C,分株叶芽)

技术路线

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实验结果

1. 草莓匍匐茎的形态学观察

作者首先通过解剖学观察阐明第一节芽和第二节芽在不同发育阶段的发育特征。随后,又用体视显微镜和扫描电镜观察草莓匍匐茎第一节芽的明确休眠阶段和第二节分株形成和分株腋芽伸长的详细发育过程。

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图2 草莓匍匐茎切片观察

2. 不同草莓匍匐茎芽的蛋白质谱

为了在蛋白质组水平上寻找调节草莓匍匐茎芽异质性的调控因素,利用TMT标记(Tandem Mass Tag)定量蛋白质组学技术对不同类型芽的蛋白质表达谱进行了分析,共鉴定出7271种草莓蛋白,通过GO注释、KEGG途径富集、PPI连接度测定等综合分析评价,预测关键代谢途径中涉及的核心功能差异蛋白(图3)。

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图3 草莓匍匐茎芽的蛋白质组学分析结果

3. PRM验证组学结果

为了进一步验证质谱的结果,研究人员选择了3个差异蛋白(PK、MCM2和PAL1)进行PRM靶向验证(图4)。结果表明,三种靶蛋白中,ASB组PK和PAL1的表达量明显高于DSB组和RLB组;而RLB组MCM2的表达量明显高于DSB组和ASB组;这些结果验证了本研究中TMT方法的准确性。

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图4 目的蛋白PK、MCM2和PAL1表达量的PRM验证

4. 分子机制讨论

根据以上的实验结果,研究团队对草莓匍匐茎芽异质性的机制给出了解释:在ASB和DSB之间,富含Ser/Arg(SR)和异质核核糖核蛋白颗粒(hnRNP)的剪接体差异蛋白表现出最高的富集度和高PPI连接性。这表明转录水平上差异蛋白(如SF-3A和PK)的差异可能导致ASB和DSB生理状态的差异。然而,在RLB和DSB之间以及ASB和DSB之间,差异蛋白还有其他一些特殊的特性。与DNA复制相关的差异蛋白(如MCM 2, 3, 4, 7)提供了一个强有力的功能基因复制线索,导致RLB和DSB之间的芽异质性。

此外,LSH 10-like的顶端折叠变化差异蛋白可能参与了SAM向RLBs的退化过程,这是基于其在调节植物茎芽发生中的重要作用。在RLB/ASB中,苯丙素类生物合成途径可能调节了分株腋芽特化,当ASB发育成新的匍匐茎时,进一步促进木质部的分化(如CAD1和PAL1)。

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图5 差异表达蛋白调控草莓匍匐茎芽异质性的可能机制

小编总结

1. 蛋白质组学结果揭示了富含Ser/Arg(SR)和异质核核糖核蛋白颗粒(hnRNP)的剪接体差异蛋白与草莓匍匐茎芽异质性的相关度最大。

2. 本研究为了解草莓及其它果树匍匐茎芽的异质性提供了进一步的信息。

3. 本文的蛋白质组学实验用到了TMT+PRM验证的方式。蛋白质组学结果的验证目前已经是组学论文必不可少的一步。