Label free定量蛋白质组学

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经典案例

定量蛋白组学和修饰组学研究揭示截型苜蓿与固氮根瘤菌的共生机制

A proteomic atlas of the legume Medicago truncatula and its nitrogen-fixing endosymbiont Sinorhizobium meliloti

期刊:Nature biotechnology
影响因子:43
发表单位:美国威斯康星大学
发表年份:2016年10月

一、研究背景

豆科植物是农作物中的重要组成部分,既能丰富土壤内氮的含量,并且需要较少的那些对于环境有害的化学肥料。豆科植物与固氮根瘤菌具有共生关系,豆科植物可以为根瘤菌提供有机物,而根瘤菌则将空气中的氮转化为植物能够吸收利用的含氮物质并供给豆科植物,本文通过定量蛋白组学和修饰组学深入揭示了豆科植物与根瘤菌之间的共生机制。

二、方法流程

取材

接种接种中华根瘤菌截形苜蓿的根、茎、叶、花、种子、顶端分生组织以及不同发育阶段(10d、14d和28d)的根瘤。

质谱技术

Label free 和TMT定量蛋白质组学
TMT修饰蛋白质组学
(磷酸化、乙酰化)

生信分析

蛋白质定量分析
差异蛋白的功能分析
与转录组学关联分析

三、研究结果

1 分别取侵染根瘤菌苜蓿的根、茎、叶、花、种子、顶端分生组织以及不同发育阶段的根瘤区各部位进行定量蛋白组学分析,最终共检测到23,013个蛋白质,其中苜蓿检测到19,679个蛋白,根瘤菌检测到3,334个蛋白;核心蛋白组中组织特异的磷酸化修饰和乙酰化修饰分析,发现20,120个磷酸化位点和734个乙酰化位点(TMT修饰)。

2 将不同部位及根瘤不同发育阶段的定量蛋白质组学,磷酸化、乙酰化修饰蛋白质组学的数据整合,绘制环形蛋白质组学图谱(CPM),从图中可以看到,有一部分蛋白在苜蓿的所有部位均高表达,称之为核心蛋白质组(core proteome),而翻译后修饰(PTM)的修饰位点也多在这些核心蛋白中。(图1)

3 火山图分析可筛选出与根瘤生长相关的差异蛋白,而这些蛋白的磷酸化修饰也发生了变化;将蛋白组与转录组数据关联分析,共建蛋白表达网络,对蛋白调控关系进行预测分析,其中,一类钙调素结合蛋白,因具有最高的连通程度,推断其为共生体的调节与发展过程中的关键调节因子。(图2)

4 由于结瘤特异性的半胱氨酸富含蛋白(NCR)一直存在于根瘤发育过程中,因此对其表达模式进行统计分析,发现NCR在结瘤过程早期调控根瘤形态发生,后期在调控共生体形成的过程中发挥重要功能,通过观察根瘤生长过程中根瘤菌蛋白的表达情况和蛋白互作网络图,找到了NCR的靶向蛋白:转录调节器、细胞分裂相关蛋白以及RNA聚合酶辅助因子等。(图3)

图1

图2

图3

四、研究结论

本文通过对苜蓿的不同部位(根、茎、叶、花、种子、顶端分生组织以及不同发育阶段的根瘤)进行定量蛋白质组和修饰蛋白质学质谱检测,并与已有的苜蓿的转录组数据进行联合分析,找到苜蓿多部位共表达的核心蛋白质组和参与根瘤生长及调控的关键蛋白质组,从而建立共生固氮调控网络,为共生固氮机理的研究提供了强大的理论基础,也为非豆科植物的共生固氮机制提供研究思路。