文献解读 | 又挖到一个发Plant journal秘诀！植物蛋白质组深度解析：热应激对玉米幼穗发育的影响机制
抗逆机制是植物研究领域重要的研究方向。蛋白质组作为植物对环境胁迫响应的终端执行层次，其丰度变化、修饰状态及互作网络直接影响了抗逆表型的最终形成。
精准解析植物蛋白质组，能够揭示转录调控无法覆盖的翻译后修饰、蛋白降解等关键机制，为抗逆机制假说提供更完整验证链条。
胁迫信号相关低丰度蛋白在复杂植物组织中的捕获效率低下，难以进一步系统解析信号传导通路。
短暂表达的植物抗逆机制相关蛋白动态变化轨迹追踪精度不足，在描述胁迫机制时序模型时可能存在要素缺失。
非模式物种蛋白功能注释信息不足，阻碍跨物种抗逆机制的比较研究。
通过解决样本前期处理差异性、物质鉴定深度、蛋白质功能注释限制等问题，三黍生物植物全景蛋白质组为客户提供平均鉴定数达15000+，深度报告达100页+的蛋白质组鉴定分析服务，显著提升抗逆研究的假说验证可靠性和完整性：胁迫响应蛋白质系统定量补充转录调控与表型间关联验证；蛋白动态变化图谱验证胁迫信号级联通路；跨物种数据对为进化适应性研究提供新维度……
植物蛋白质组鉴定对于植物抗逆机制研究有多重要？来看发表于the plant journal的这篇文章怎么说。
由于全球变暖和极端天气事件发生的概率增加，热应激正逐渐成为制约农业生产的重大因素。为了减轻热应激导致的产量损失，了解热应激对玉米幼穗发育的影响机制至关重要。
2025年5月14日，山东农业大学团队在the plant journal杂志发表了题为“Inhibiting reactive oxygen species production mitigates endoplasmic reticulum damage in florets of developing maize ears under heat stress”的文章，本研究探讨了热应激对热敏感型和耐热型玉米品种的影响。 在田间条件下，通过表型、生理、解剖学及多组学技术的综合应用，从表型到分子层面全面评估了幼穗的特性。
玉米
转录组学、蛋白组学、TEM、qPCR、WB等
成熟玉米穗表型差异结果显示热敏感品种Xianyu 335（XY-sens）在热胁迫后表现出比耐热品种Zhengdan 958（ZD-tol）更严重的穗部损伤（图1B）。产量相关指标变化：
每穗粒数显著减少：ZD-tol减少32 ± 1.1%，XY-sens减少54 ± 1.9%。
粒重轻微增加：ZD-tol增加4 ± 1.1%，XY-sens增加9 ± 1.0%，但不足以补偿粒数损失。
最终产量下降：ZD-tol减产29%，XY-sens减产60%（均P < 0.05）。
小花分化异常（图1C）：总小花数和受精小花数显著减少，败育小花数增加。
热胁迫导致XY-sens顶端小穗分化延迟（位置5-15），同时中部小穗（如位置20）小花分化加速；而ZD-tol仅表现中部小花加速分化，顶端未延迟。
图1 热应激降低了籽粒数量，并改变了发育中的耳朵的花粉分化
通过透射电镜（TEM）观察，研究了热应激对玉米幼穗小花细胞结构的影响。对照组两种品种的细胞结构完整，细胞器如内质网、高尔基体、线粒体等膜结构平滑，线粒体形态饱满，基质丰富。热应激30分钟后，敏感型XY-sens的线粒体嵴开始断裂甚至消失，而耐热型ZD-tol没有明显变化。随着处理时间延长到2小时，两种品种都出现线粒体空泡化，但ZD-tol仅核膜轻微模糊，而XY-sens出现核膜破裂、细胞器减少、内质网扩张等更严重的损伤。6小时后，ZD-tol的核膜不完整，内质网轻微扩张，而XY-sens的膜结构模糊，内质网扩张成喇叭状，脂滴减少。处理1天后，ZD-tol的膜结构模糊，液泡增大，而XY-sens的核膜严重降解，细胞结构紊乱。此外，图2B和C部分涉及ROS积累和氧化应激指标。热应激2小时后，两种品种的ROS荧光增加，尤其是XY-sens出现细胞死亡。7天后，XY-sens的过氧化氢和丙二醛水平显著上升，而ZD-tol的超氧化物歧化酶活性增强，表明其抗氧化防御机制被激活。
图2 热应激破坏膜结构并触发脂质过氧化
为了研究热应激的分子反应，作者分析了短时和长时间热暴露后差异表达基因（DEGs）的变化（P < 0.05，图3A）及GO和KEGG分析。结果表明，ZD-tol（耐热品种）中蛋白酶体蛋白分解代谢相关的基因（泛素依赖和非依赖途径）以及细胞质翻译相关基因表达下调。同时，ZD-tol的差异表达基因在多个代谢途径中富集，如碳水化合物、能量、氨基酸、脂质代谢和次级代谢物生物合成，显示出代谢重编程。而XY-sens（热敏感品种）则上调了与未折叠蛋白反应（UPR）、蛋白质稳定、伴侣辅助的蛋白折叠、防御反应以及淀粉和蔗糖代谢相关的基因，表明其内质网损伤更严重，并激活了UPR通路，同时增强代谢以应对胁迫（图3B）。
图3 热应激改变了多个基因途径的表达
为了评估热应激下ER的状态，作者检测了包括ZmBiP1、ZmBiP2、ZmBiP3、ZmbZIP60、ZmCNX1、ZmCRT1a、ZmPDIL1-1和ZmPDIL2-2在内的UPR标志基因的表达水平。短期热应激后，XY-sens多个基因（ZmBiP1、ZmBiP2、ZmBiP3、ZmbZIP60、ZmCNX1）被诱导，而ZD-tol仅ZmBiP3和ZmbZIP60上调。此外，ZD-tol中的ZmBiP3在7天后显著上调。图4B则显示UPR标记基因（如ZmBiP1和ZmbZIP60）的剪接形式在热应激后发生改变，揭示了热应激下ER损伤的品种间差异，并间接支持抑制ROS对ER的保护作用。
图4 热应激触发内质网应激
为了验证热应激后玉米ER应激是否普遍存在，作者随机选取了四种广泛栽培的玉米品种。根据产量数据，WS69和MY73品种在热应激后的产量下降幅度大于DH605和DH618品种（图5A)。尽管各品种间热耐受性存在差异，但在V12阶段经历热应激后，所有ER标志基因的表达均呈现上调趋势（P < 0.05），且增幅更大，在WS69和MY73（图5B)中观察到。该结果证实，玉米穗在经历热应激后确实会发生内质网应激。
图5 实验2中四种玉米品种在热胁迫下的特性
蛋白质组学数据表明，热胁迫1天后，耐热品种（ZD-tol）和热敏感品种（XY-sens）分别检测到102和98个差异表达蛋白（DEPs）；胁迫7天后，DEPs数量分别增至184和205个，且下调蛋白多于上调蛋白（图6A）。关键DEPs包括与细胞解毒、昼夜节律、蛋白质折叠及内质网相关过程。其中，P23345在ZD-tol中上调而在XY-sens中下调，K7UGM3仅在XY-sens中下调（图6C）。内质网损伤与ROS抑制的关联：热胁迫诱导的DEPs显著富集于内质网蛋白质加工通路（KEGG分析），且多数蛋白上调，表明内质网应激响应增强。细胞解毒相关蛋白（如P23345）的上调可能通过抑制活性氧（ROS）产生减轻内质网损伤，而热敏感品种中该蛋白下调可能加剧损伤。此外，ERAD相关蛋白（C0P4Q3、B4F9E8）的上调进一步支持内质网修复机制激活（图6C）。以上结果表明，抑制ROS的产生可能通过增强细胞解毒和ERAD过程缓解内质网损伤。
图6 热应激调节多种信号通路
使用ROS抑制剂NAC后，热应激下的玉米花序中ROS含量显著降低，ZD-tol和XY-sens分别减少了28%和39%。同时，ER应激标记基因的表达水平也下降，TEM观察显示NAC处理后的XY-sens的ER形态保持较好，而水处理组的ER出现扩大和变形。这说明NAC通过减少ROS积累，减轻了ER的损伤。
喷洒ROS抑制剂后，玉米的败育小花数量减少23%-39%，小花受精率和籽粒数量分别增加13%-42%和27-57%。ZD-tol和XY-sens的产量损失分别减少了17%和31%，其中XY-sens的效果更为明显。这可能是因为NAC维持了ER结构和细胞功能，从而减少了小花败育，提高了产量。
图7 NAC抑制热应激下ROS爆发，减轻内质网应激
表1 N
本文主要研究了热应激条件下，抑制活性氧（ROS）产生对玉米幼穗的影响。研究发现，热应激会导致玉米的内质网（ER）损伤，而抑制ROS的产生可以减轻这种损伤。文章通过对不同玉米品种（热耐受型和热敏感型）在热应激下的生理和分子反应进行比较，揭示了热应激对玉米幼穗发育的负面影响以及抑制ROS的潜在保护作用。
排版：野凌
审核：三黍生物企宣部
