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    客戶文章喜發:菟絲子與其宿主間的“愛恨情仇”

    2020-10-23 00:00:00
    客戶文章喜發:菟絲子與其宿主間的“愛恨情仇”
    詳細介紹:

    青蓮客戶又一力作,中科院昆明植物園吳建強課題組通過研究菟絲子與其宿主之間的關聯,首次證明了植物-植物間能進行大規模的蛋白質交流,該研究成果于2019年12月5日以“Extensive inter-plant protein transfer between Cuscutaparasites and their host plants”為題在Molecular Plant雜志上在線發表。

    天生自帶嫵媚,有著動人的情致,纏纏綿綿的菟絲子,一直以來都是愛情的主題,古代詩人騷客就很喜歡歌詠菟絲子,古詩有“與君為新婚,菟絲附女蘿?!边@個意境讀者自己體會體會~接下來小編就帶大家進入菟絲子與其宿主植物擬南芥和大豆之間的“愛恨情仇”,不對不對,是蛋白質交流~

    菟絲子植物特征:無根無葉寄生性一年生草本,遇到適宜宿主就纏繞在上面,在接觸處形成吸根伸入宿主,吸根進入宿主組織后,部分組織分化為導管和篩管,分別與宿主的導管和篩管相連,從宿主吸取養分和水分。菟絲子幼芽一旦纏繞于宿主植物體上,生活力極強,生長旺盛,最喜寄生于豆科植物上。

    該研究表明菟絲子與宿主植物之間轉移了幾百種至超過1500種蛋白質,其可占外來植物蛋白質組的百分之幾到百分之十以上,甚至在菟絲子和宿主大豆的種子中檢測到數百種植物間移動蛋白。菟絲子寄生于不同的宿主也被發現宿主間交換了數以百計的蛋白質。
    發文時間
    2019年12月5日
    樣本選擇
    取被菟絲子侵染三周的擬南芥和大豆的莖段以及菟絲子的莖段(取距附著區近端和遠端的莖段平均混合);擬南芥-菟絲子-大豆植物簇的葉片和大豆-菟絲子寄生系統的種子。
    實驗設計



    結果展示


    1.宿主-菟絲子間蛋白轉移

    通過蛋白組學分析,從菟絲子的近端和遠端莖段分別鑒定到619和615個擬南芥蛋白以及1535和1547大豆蛋白。這占各自的宿主莖段(擬南芥和大豆)中鑒定出蛋白總量的27.0%(734/2714)和37.9%(1807/4765)。此外,在擬南芥和大豆莖中檢測到1027和1674個菟絲子蛋白,分別占鑒定的菟絲子莖段蛋白總數的17.4%(1027/5914)和 28.3%(1674/5914),具體分布如圖A,B,C所示。我們推測,在近端部分檢測到的獨有蛋白質可能具有較高的更替率,使其在遠端中未被檢測到;相反,一些快速運輸的宿主蛋白可能在遠端中積累,而在近端則未被檢測到。


    值得注意的是,轉錄因子(TFS)通常對應蛋白質豐度很低,因此在蛋白質組分析中很難檢測到,但仍然發現有6個擬南芥和8個大豆轉錄因子是從宿主轉運到菟絲子;有4個和9個菟絲子轉錄因子分別轉移到擬南芥和大豆中。除TFS外,還將一些潛在的病原蛋白(如R蛋白)和抗蟲蛋白(如P 450s)轉運到外源植物中,并可能對生物脅迫產生抗逆性。

    進一步分析發現有54種蛋白質可能是保守的,GO分析表明,這54個保守的蛋白質種類主要與細胞壁果膠代謝過程、糖異生反應、對葡萄糖的反應等有關。其中有148個蛋白被發現是菟絲子特異產生的移動蛋白,GO分析表明這148個蛋白富集在GTP生物合成過程、UTP生物合成過程、核苷二磷酸磷酸化、 三羧酸循環和CTP生物合成過程中(如下圖D)。



    2.植物間轉移報告蛋白的活性
    為了進一步評估植物間蛋白的運輸并檢查植物間移動蛋白在長距離轉移后是否保留其活性,通過擬南芥表達了五種報告蛋白eGFP-GUS,GUS,LUC,eGFP,PAT,均被菟絲子侵染。結果顯示eGFP-GUS,GUS,LUC,eGFP,PAT從擬南芥轉移到菟絲子莖中,盡管從視覺上沒有檢測到eGFP熒光,可能由于由于eGFP的表達量低。蛋白測序的結果還顯示AOS在大豆和菟絲子之間轉移,為了進一步確定AOS的轉移,擬南芥中過表達蛋白AOS-FLAG,在菟絲子莖段明顯檢測到AOS-FLAG。由于eGFP的表達量低和AOS復雜的分析未檢測到eGFP和AOS的活性,但這些移動的eGFP-GUS,GUS,LUC和PAT在外源植物中仍保留了它們的活性,如下圖所示。


    3.植物間蛋白質向大豆和菟絲子種子轉移
    對大豆-菟絲子寄生系統中兩物種的種子進行蛋白質組分析,在 菟絲子和大豆種子中分別鑒定出 4186 和 4797 種蛋白質,有978 種大豆蛋白和 608 種 菟絲子蛋白 被分別被運送到菟絲子和大豆的種子中。這些移動蛋白分別占菟絲子和大豆種子蛋白質組的 8.84%和 2.23%; 將相同樣品用于 RNA-seq 分析以研究是否存在 mRNA 轉移,在菟絲子和大豆種子中分別鑒定出91個和 860 個種子中積累的外來mRNAs。此外,植物間移動蛋白和mRNA之間的比較表明,大多數移動蛋白不是從易位的mRNA重新合成的,而是真正的移動蛋白。

    4.菟絲子介導的宿主間蛋白轉移
    對擬南芥-菟絲子-大豆植物簇的葉片進行蛋白質組分析,在擬南芥和大豆葉片中,共鑒定出4716個 和 6193 個蛋白質,發現 20.1%和 11.6%(949 和 719)被轉移到另一宿主中。從擬南芥轉移到大豆的蛋白約占大豆蛋白質組的 8.26%,約8.80%的擬南芥蛋白質為大豆蛋白。這些數據表明,菟絲子通過發揮維管束的作用,在不同寄主植物之間介導了蛋白質轉移。如下圖所示。



    5.移動蛋白的一般特性
    首先,利用擬南芥-菟絲子和大豆-菟絲子蛋白質組學數據比較它們在原始和外源植物中的含量,多數移動蛋白表現出蛋白豐度顯著下降。部分蛋白質在外來植物中可能比在本地植物中更穩定,并且可能這些蛋白質的更替率低于被轉運的率。接下來,我們試圖研究植物間移動蛋白是否具有某些特性使他們可以移動。首先,發現這些植物間移動蛋白比源植物中的非移動蛋白豐富(如下圖B)。流動蛋白的范圍主要是20-70 kDa,仍檢測到約20%的移動蛋白超過70 kDa,其中大的一個達到 611 kDa??傮w來說分子量小于 70 kDa 的蛋白質極易移動,并且蛋白質亞細胞定位并不嚴格限制蛋白質移動。 如下圖所示。



    結論
    該研究首次揭示了寄主-寄生植物間以及通過菟絲子連接的不同寄主間能進行大規模的蛋白質交流。由于菟絲子能夠寄生不同科屬的植物,因此科和屬特異的蛋白也能夠跨不同科屬直接轉運至受體植物,從而可能使受體植物獲得嶄新的性狀。本研究對了解植物間相互作用的分子機制有較重要意義,也為植物體內物質(包括信號)的長距離運輸的研究提供了新視角和新的研究方法。


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