文献解读| Plant Cell 多组学分析揭示拟南芥与玉米高尔基体糖组惊人相似性

来源: 上海中科新生命生物科技有限公司   2020-3-21   访问量:903评论(0)

 

本周,我们已为大家带来了两篇Plant Cell经典文献的分享,回顾链接:

今天小编将继续为大家介绍发表于Plant Cell的经典文献。

 


植物的内质网-高尔基体系统是细胞壁非纤维素多糖、蛋白多糖和蛋白质合成、包装和输出的场所。禾本科具有不同于双子叶植物的初生细胞壁,因此通常被认为这些差异源于高尔基体生物合成能力的不同。研究禾本科植物的多糖储备能力属性,可为改变和改造禾本科植物和其他生物能源作物的细胞壁组成开辟新的途径。

 

那么,有趣的问题出现了:与细胞壁相比,高尔基体中存在哪些多糖结构?代表两种不同类型初级细胞壁的物种之间的多糖结构有何差异?玉米高尔基体中哪些用于支持细胞壁多糖和蛋白质合成的蛋白是禾本科所特有的?

 

2019年5月,美国普渡大学、佐治亚大学、劳伦斯伯克利国家实验室以及美国农业部的研究人员在国际权威期刊《 Plant Cell》(IF:8.631)发表的论文解答了这几个问题。利用糖组学和蛋白组学对玉米及拟南芥的细胞壁与高尔基体进行了深入分析,发现尽管两种植物的细胞壁结构不同,但高尔基体膜的糖类及蛋白组分高度相似。

 

Glycome and Proteome Components of Golgi Membranes Are Common between Two Angiosperms with Distinct Cell-Wall Structures


实验材料:玉米(Zea Mays)黄化胚芽鞘;拟南芥(Arabiopsis Thaliana)叶片

技术路线:

 


 

研究结果

1. 细胞壁和高尔基膜的制备

研究人员利用浮选离心分离玉米和拟南芥的高尔基体,并使用电镜对分离的高尔基体进行观察鉴定。这些高尔基膜将被用于糖组、蛋白组及连锁分析。

图1. 浮选离心分离玉米和拟南芥的高尔基体

 

2. 糖组及连锁分析对比细胞壁差异

研究人员首先分析对比了玉米和拟南芥的细胞壁组成。由于糖组分析只提供了相对比例数据,因此又使用了连锁分析来量化多糖组分的摩尔百分比。结果显示:拟南芥的细胞壁组成(Ⅰ型)以及玉米的细胞壁(Ⅱ型)组成存在显著差异。而果胶和半纤维素的相对比例与Ⅰ型和Ⅱ型细胞壁的组成特征完全一致。

图2. 对拟南芥和玉米细胞壁的糖组分析

 

3. 对比分析拟南芥和玉米细胞壁及高尔基体的碳水化合物组成特征

随后,研究人员进一步对比了两种植物的细胞壁和高尔基体中碳水化合物的组分特征。分析结果表明,阿拉伯半乳聚糖-蛋白是高尔基体的重要组成部分,这些多糖在两种植物的细胞壁中都不是高丰度的。此外,半纤维素在高尔基体中积累的水平与其在细胞壁中发现的水平形成对比。

图3. 玉米黄化胚乳和拟南芥幼苗细胞壁和高尔基体的甘聚糖和多糖谱的比较

 

4. 高尔基体膜的蛋白质组学分析

FFE(free-flow electrophoresis,自由流电泳)结果显示,分离得到的高尔基组分体膜中呈非对称分布。随后,基于质谱(LC-MS/MS)的蛋白质组分析结果显示,通过浮选、离心和自由流动电泳富集,研究人员在玉米高尔基膜中发现了>200种已知在所有被子植物共有的细胞壁多糖的生物合成和代谢中起作用的蛋白质,而不仅仅是那些细胞壁类型特异的蛋白质。

图4. 高尔基体蛋白组分析

 

5. 转录层面 vs 蛋白层面分子特征

利用RNA-seq检测得到高尔基体鉴定到的与细胞壁相关蛋白(230个中的227个)的转录情况,并比较发现蛋白质水平和转录水平的差异在整体上具有较弱一致性。这些结果说明,与其他被子植物相比,禾本科初生细胞壁的成分的差异可能来源于代谢调控,而不一定是基因的差异表达。

图5. 黄化玉米胚芽鞘中细胞壁相关蛋白与FFE方法分离的高尔基膜中相对蛋白丰度的比较

 

结论:

玉米和拟南芥高尔基体中有很大比例的多糖是由阿拉伯半乳聚糖蛋白组成的,且拟南芥和玉米高尔基体内存在的果胶和半纤维素多糖的数量并不能反映这些聚合物在各自细胞壁中积累的相对比例。两种植物细胞壁结构上的差异并没有体现在高尔基体产生的多糖组成特征上。

既然细胞壁的差异没有体现在起源处-高尔基体中糖组组分特征上,那么这些没有被输出并整合到细胞壁的多糖到底去哪儿了呢?让我们一起期待研究团队的后续发现吧~


文献涉及的技术

1. 蛋白组学

 


2. 靶向代谢kit分析

 



上海中科新生命生物科技有限公司   商家主页

地址:上海市园美路58号1号楼15-18楼
联系人:刘
电话:021-54975031
传真:021-54975030
Email:liliu@sibs.ac.cn