植物蛋白-代谢双组学拿下IF 10.5，南京农业大学团队发现小麦灌浆过程决定因素
小麦籽粒的营养价值，特别是其蛋白质和代谢物的组成，是籽粒灌浆过程的结果，特别是在胚乳中。
2024年3月发表在Plant Biotechnol J上题为“Cell-type proteomic and metabolomic resolution of early and late grain filling stages of wheat endosperm”的文章，通过使用激光显微切割（LMD）结合蛋白质组学和代谢组学，检测了早期和晚期籽粒灌浆阶段生成发育中的小麦胚乳的细胞类型特异性蛋白质组和代谢组，揭示了不同细胞类型之间复杂的代谢相互作用，以及籽粒发育和籽粒充实过程中的功能转换。
小麦
蛋白质组学，非靶代谢组
发育中麦粒的鲜重随着成熟度增加而增加，直到30DAA，然后下降（图1a），这是由于空腔液在28DAA后消失（图1a-b）。籽粒发育中的蔗糖、可溶性糖和总淀粉含量水平如图1 c、d所示，可溶性糖和蔗糖含量在花期开始后立即增加，在7 DAA时达到最大浓度，并在28 DAA前下降，此后含量几乎保持不变。谷粒在7 DAA时含有少量淀粉，随后淀粉含量迅速增加，直至成熟（30 DAA）。活性淀粉合成从14 DAA 开始，直到28 DAA才达到最大值。
图1 籽粒发育动态以及蔗糖、淀粉和可溶性糖含量
蛋白的搜索鉴定结果筛选到了1803个蛋白质，PCA分析结果如图2a所示，早晚期的不同细胞类型中的蛋白有显著区别。韦恩图中，15DAA和26DAA期，所有细胞类型中常见的蛋白质分别为1114 和 615个，其中，两个独特的蛋白质（伸长因子EF-2和天冬酰胺酶）仅在15DAA时在亚胚乳（SA）中被鉴定到（图2b）。在15DAA 和26DAA 时，在AL和SA中发现了氨基甲酰磷酸合成酶大链，它参与氨基酸降解。在26DAA时，作者发现了两种胱硫醚γ-赖氨酸酶的同工型，尤其是在胚乳（AL）中，这与籽粒灌浆过程中半胱氨酸的释放有关。
在区分四种细胞类型的早晚灌浆期的差异蛋白后，作者进行了富集分析，在15DAA和26DAA期间的细胞类型比较中，共鉴定出156个独特的DEPs，与15DAA相比，参与糖酵解的DEPs在26DAA的淀粉胚乳（SE）中含量较高，这表明碳水化合物代谢在谷粒充实后期的SE中相对活跃。
图2. 小麦胚乳不同细胞类型中蛋白质组的调控
随后作者进行了四种组分早晚灌浆期的代谢组分析，鉴定到了41种代谢物，鉴定出的代谢物分为碳水化合物、氨基酸和有机酸（图3），此外，与26DAA相比，15DAA期间大多数已鉴定的碳水化合物（如蔗糖、葡萄糖、果糖和肌醇）在SE和胚乳转移细胞（ETC）中高度积累（图3）。同样，15DAA 中，参与碳水化合物相互转化的酶在内部胚乳（SE和ETCs）中的积累较多（图3），这与蛋白质组学分析一致。15 DAA时碳水化合物在内层胚乳中的积累表明能量和碳储存是早/中胚乳发育过程中的活跃过程。
与TCA循环相关的几种有机酸在26DAA时在AL中的积累量明显更高，这表明在发育后期，TCA循环在AL中非常活跃，以提供能量。而对活跃分裂的细胞保持可持续生长非常重要的脯氨酸，在15DAA期，与外胚乳（AL和SA）相比，在内层胚乳中显著积累。蛋白组结果中，在脯氨酸合成过程中发挥重要作用的蛋白质在15DAA期间对所有胚乳细胞类型的调控也均高于26DAA。
图3. 在15和26DAA期间调节不同胚乳细胞类型的代谢组
在这项研究中，作者通过分析早晚灌浆期的四种细胞类型的蛋白组和代谢组结果，表明了蛋白质和代谢物在发育过程中在不同胚乳细胞类型中的积累模式各不相同，为今后的分析提供了框架，以了解蛋白质和代谢物在籽粒发育过程中的空间分布，并可根据育种目标进行改进。
植物生理机制的深度解析需依托多组学整合策略，以揭示代谢网络与蛋白调控的时空协同规律。前述小麦胚乳发育研究通过结合蛋白质组与代谢组学分析，明确了不同细胞类型在籽粒灌浆过程中的功能分化：淀粉胚乳中糖酵解相关蛋白在灌浆后期显著富集，与碳水化合物代谢物积累模式相互印证；糊粉层中TCA循环有机酸的高积累则与能量供给功能匹配。这种蛋白-代谢物关联分析不仅验证了细胞类型特异性代谢功能，更揭示了脯氨酸合成等关键途径的时空调控机制。
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