自噬在玉米碳饥饿过程中对氨基酸、核苷酸和碳水化合物的代谢起着重要.pdfVIP

自噬在玉米碳饥饿过程中对氨基酸、核苷酸和碳水化合物的代谢起着

重要作用

导读

蛋白质、脂质、核酸、碳水化合物和细胞器的自噬回收对于细胞稳态和健康至关重要，特别是在

营养限制的条件下。为了更好地了解这种更新如何在营养胁迫下影响植物的生长、发育和存活，本文

应用多组学方法来研究遭受黑暗诱导的碳饥饿的玉米自噬突变体。在正常的生长条件下，缺少核心自

噬成分ATG12的叶片中存在广泛的代谢变化，而碳饥饿期选择性地出现了氨基酸、碳水化合物和核苷

酸相关代谢产物的变化。通过蛋白质组学和转录组学分析相结合，本文鉴定了许多自噬反应蛋白，这

些蛋白揭示了碳胁迫和潜在自噬细胞内容物中各种代谢变化的基础过程。令人惊讶的是，在没有自噬

的情况下，观察到各种分解代谢过程的上调，包括碳水化合物水平的增加与淀粉水平的相应下降，游

离氨基酸水平的升高以及蛋白质水平的相应降低以及几种富含氮的核苷酸分解代谢物的丰度增加。总

之，本研究发现在不存在自噬的情况下，固定碳饥饿调节呼吸底物的选择从而改变氨基酸、核苷酸和

碳水化合物等代谢过程。该研究揭示了自噬通过代谢调控从而影响植物生理过程的关键作用，为未来

利用自噬相关过程调节作物代谢并优化产量和逆境适应性提供了理论基础。

实验设计

结果

1碳饥饿影响玉米的代谢组、转录组和蛋白质组

为了更好地了解固碳营养与自噬之间的关系，本文利用遮蔽叶片来激活自噬这种回收营养

的过程，其中在长日照（光16小时/8小时）下，使用肥沃的土壤中生长的2周龄玉米植物（W22

自交）的第二片叶子的中间部分在光照期6h后用铝箔部分覆盖2d（图1A）。

根据叶绿素的保留率和叶绿素荧光的最小（F0）和最大（Fmax）值判断短暂的黑暗处理几

乎不能损害光合作用机制（图1B），但是野生型叶片代谢组发生了明显的变化，其中包括淀

粉水平显著下降（10倍；图1C），405种代谢物中190种代谢物的水平发生了变化（图1D）。

从图1D的热图可以看出，许多代谢物的水平发生改变，包括与氨基酸、碳水化合物、脂质和

核苷酸代谢有关的化合物的显着增加，这意味着回收利用的广泛增加。引人注目的是，碳饥饿

引起的代谢变化与玉米叶片缺氮引起的代谢变化不同，这表明这些营养胁迫对玉米的新陈代谢

既有相似又有不同的影响。

随后进行了转录组分析和蛋白质组分析。在33,053个转录本中，有24％水平发生了显着

变化，其中3365个提高，4415个降低（图1E）。GO分析显示，与胁迫、光和对有机物质的

响应相关基因的mRNA表达升高，而与光合作用、色素沉着、能量、碳水化合物和氮的代谢相

关的基因的mRNA表达降低（图1F）。MS测得的3375种蛋白质中，14％的含量受到显着影响，

其中丰度的上升或下降幅度相似（252：217；图1E）。蛋白质组GO分析显示核糖体相关蛋白

增加而叶绿体相关蛋白减少（图1G）。

图1.黑暗引起的碳饥饿强烈影响玉米叶片的代谢组、转录组和蛋白质组。（A）碳饥饿试验。在光照期6小

时后，将2周龄玉米幼苗的第二片叶子的中间部分单独放置（1C）或用铝箔覆盖2天（2C）；（B）碳饥饿不

会显着影响叶片叶绿素含量。显示的是5个生物重复样品的平均叶绿素水平。FW：鲜重。（C）碳饥饿会大

大降低叶片淀粉含量。5个生物重复样品的平均淀粉水平；（D）碳固定饥饿严重影响玉米的代谢组。通过LC-MS，

从5个生物重复样本中总共从野生型中鉴定了405种代谢物。显示的是190种代谢物的log2倍数变化（FC）

值；（E）碳饥饿导致玉米叶片转录组和蛋白质组发生广泛变化。从（D）中所示的3个平均野生型生物重复中

分别通过RNA-seq和串联MS对mRNA（33,053）和蛋白质（3375）进行测定。显示的是log2FC热图；（F）

和（G）使用GO富集分析从（E）中的数据计算出的野生型叶片中碳饥饿影响最显着的GO类别。显示了2log10

转换的P值，显着影响转录本（F）和蛋白质（G）。

2atg12突变体在碳饥饿之前和期间均明显改变代谢组

为了分析自噬与固碳利用率之