氨基酸转移反应实验(「一作解读」The Plant Journal-小麦籽粒发育过程的蛋白质代谢物的空间分布特征及调控反应)

籽粒灌浆和适当的籽粒发育是植物生命周期中必不可少的生物过程，最终有助于所有谷物作物的种子产量和品质。作为最重要的谷物作物之一，小麦提供了超过20%的全球消耗的卡路里。但是不同的小麦籽粒组织在籽粒灌浆过程中是如何影响种子的整体发育过程却鲜有报道。

近日，南京农业大学小麦栽培实验室联合奥地利维也纳分子系统生物学实验室在国际刊物 The Plant Journal 发表了题为Spatial distribution of proteins and metabolites in developing wheat grain and their differential regulatory response during the grain filling process的研究论文，该研究揭示了小麦籽粒发育过程中蛋白质和代谢物的空间分布及其在灌浆过程中的差异调控反应。

以前，当研究小麦植株中养分的运输和积累时，通常小麦籽粒作为一个整体进行研究。植物的所有生理和发育过程都经历了必要的整合过程，这依赖于激素、代谢物和维管系统的其他信号的运输。这些整合过程止于包裹胚乳和胚的果皮和种皮。这三个籽粒成分遵循它们自己的发育过程，形成一个互动系统。籽粒灌浆底物在水溶液中被输送到发育中的籽粒。有迹象表明，它首先被运输到胚乳腔，然后释放到胚乳中。因此，要了解籽粒灌浆过程和籽粒发育的时空动态，必须将其分为果皮和种皮、胚乳、胚和胚乳腔液四个部分进行分析。本研究中讨论了选择的功能簇，揭示了四种籽粒亚组织的蛋白质组和代谢组动力学。

Selected Functional Categorization of four components in different grain filling stages using biclusters plot.

1. 果皮和种皮

在果皮和种皮中，簇 32（表S5）显示了在早期籽粒灌浆（花后12天）时水平最高的蛋白质。这些蛋白质包括运输蛋白质颗粒复合物亚基 9，它可能在从内质网到高尔基体的囊泡运输中发挥作用。还发现了参与细胞伸长的蛋白质（蛋白质等伸长因子和转录伸长因子SPT6）。在15 DAA（花后15天）时，参与蛋白质运输的蛋白质（运输蛋白质颗粒复合物亚基2和网格蛋白结合蛋白）被高度表达。此外，非特异性脂质转移蛋白的丰度在15 DAA也最高（图S6）。硫酸腺苷酸转移酶和转运蛋白家族蛋白在15 DAA上调，分别参与转运和 S-同化功能。钙结合蛋白 Caleosin和脂质A输出ATP结合/通透酶蛋白MsbA等蛋白质在此阶段增加，显示出高脂质代谢。参与光反应和N代谢硝酸盐代谢的蛋白质在26 DAA上调。其中，释氧增强子蛋白2、谷氨酸脱氢酶因此在26 DAA被激活（图5）。大多数初级代谢物在果皮和种皮中显示出低水平，但也有少数例外。苯丙氨酸、酪氨酸、乳酸、棉子糖和肌醇在26 DAA显示出高水平。棉子糖和肌醇在26 DAA 达到峰值，表明碳水化合物储存在果皮和种皮中被激活。此外，肌醇对于植物激素的磷酸盐储存和运输很重要。

2. 胚乳

在灌浆初期的胚乳中（12 DAA），参与能量代谢、蛋白质运输和伸长因子的蛋白质处于最高水平。Legumain/液泡加工酶在15 DAA时高度表达，说明此阶段蛋白质加工活性高。许多参与泛素/蛋白酶体过程的蛋白质也在15 DAA增加。参与细胞囊泡转运、转运和氨基酸代谢合成功能的蛋白质在15 DAA时上调。蛋白质运输在20 DAA（囊泡运输v-SNARE 11-like）中仍然活跃。此外，谷胱甘肽 S-转移酶1在20 DAA增加，这是一种针对外源性毒素的防御反应。在灌浆后期（26 DAA），参与蛋白质储存 (Vicilin) 和氨基酸代谢 (Aminomethyltransferase) 的蛋白质丰度很高。参与硝酸盐代谢和蛋白质氨基酸活化的蛋白质在26 DAA时显示出上调。参与翻译的天冬酰胺酰-tRNA 合成酶在26 DAA上调。氨基酸转运蛋白和氨基酸转移酶分别在20和26 DAA上调（图5）。只有少数代谢物在26 DAA高度积累：天冬氨酸、谷氨酸、亮氨酸、柠檬酸和麦芽糖。天冬氨酸和谷氨酸是供氮的重要底物，表明在 26 DAA中氮代谢活跃。

3. 胚

与其他组织相比，胚具有高度不同的蛋白质组。在灌浆早期（12 DAA），参与能量和脂质代谢的蛋白质增加。参与糖水解和DNA复制的蛋白质在 15 DAA时表现出高水平。参与蛋白质翻译后修饰和细胞囊泡转运功能的蛋白质在 15 DAA时上调。网格蛋白重链也在15 DAA显著上调（表 S5）。与泛素、脂质储存和蛋白质转运相关的蛋白质在20 DAA增加。参与蛋白质储存的Vicilin在26 DAA时处于高水平，因此为晚期胚胎丰度蛋白。氨基酸代谢降解、蛋白质糖基化和蛋白质靶向中的蛋白质在26 DAA上调。其中，PBSP 域蛋白、β-氨基己糖苷酶2 和legumain/液泡加工酶因此在26 DAA 被激活（图5）。除酪氨酸、脯氨酸、亮氨酸、麦芽糖和海藻糖外，大多数代谢物在15 DAA中显示出最高水平。这些代谢物在26 DAA高度积累。在灌浆早期，初级代谢被激活，碳水化合物在26 DAA中以麦芽糖和海藻糖的形式积累。胚胎在灌浆后期储存脯氨酸，很可能是为了抵御各种压力。

4. 胚乳腔液

在胚乳腔液中，灌浆早期增加的蛋白质参与抗病性（内切几丁质酶和PBSP结构域蛋白）和糖水解，而随着灌浆过程减少的蛋白质参与调节蛋白质、rRNA、snRNA和一些mRNA的核运出。其他在灌浆过程中含量下降的蛋白质参与了组氨酰转移RNA的合成和蛋白质泛素化。胚乳腔液中没有谷氨酰胺相关酶。在12 DAA中，与氨基酸代谢相关的几种还原酶和转移酶处于高水平，如γ-谷氨酰磷酸还原酶和高丝氨酸激酶。在灌浆过程中检测到的参与氨基酸转化的酶减少，表明胚乳腔液中含有高浓度的酶。在所有检测到的代谢物中，蛋氨酸、半乳糖、葡萄糖和果糖在早期灌浆期间的12 DAA达到峰值，表明胚乳腔液向胚乳提供糖分。在15 DAA 中，参与泛素和信号转导的蛋白质增加。此外，还发现许多酶如与 TCA 相关的异柠檬酸脱氢酶非常丰富。在20 DAA鉴定到过氧化物酶和包含 FAD 结合域的蛋白质。与抗病性有关的蛋白质，如内切壳多糖酶和 PBSP 结构域蛋白在此阶段被鉴定为高水平（图5）。蛋白质在发育、转运和激素代谢方面的功能上调。与其他籽粒亚组织不同，胚乳腔液中的大多数代谢物在 26 DAA 显示出最高水平，这表明该阶段的重要性以及在籽粒灌浆的最后阶段胚乳腔液对所有必需代谢成分的主动运输。

总之，该研究揭示了籽粒灌浆期籽粒各器官的蛋白质和代谢物的时空变化模式。研究结果提供了宝贵资源，并为控制籽粒产量和质量的潜在代谢网络提供了新的见解。

南京农业大学小麦栽培实验室长期从事小麦作物生理生态领域的研究工作，特别在小麦品质形成机理、生理生态调优途径与栽培技术、小麦深加工与增值新产品开发等方面有突出的贡献。本研究受到中国国家留学基金管理委员会 (CSC) 提供的联合培养奖学金（资助号：201706850037），奥地利维也纳大学生命科学学院生态与进化学学科奖学金和欧盟地平线 2020 研究和创新计划 (ADAPT) (GA 2020 862-858)的资助。