眼下正是播種的季節(jié)，小小種子，承載端牢中國飯碗的希望。種子是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基礎，如何在有限的耕地上實現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、高抗、優(yōu)質(zhì)營養(yǎng)、高效安全的糧食生產(chǎn)成為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的首要任務之一。
隨著智能育種4.0時代的到來，基于質(zhì)譜分析平臺的蛋白組學、代謝組學、空間代謝組學可聯(lián)合全基因組關聯(lián)分析，以全息化的視角從分子層面，聚焦核心種質(zhì)資源，為糧食作物的性狀、產(chǎn)量、發(fā)育、抗逆、病害等涉及的調(diào)控信息提供了強大的依據(jù)和技術支撐，近年來為加快作物育種和改良做出了重大貢獻。
植物磷酸化蛋白質(zhì)組學新技術
分析植物組織或細胞中蛋白質(zhì)的表達水平和修飾情況，可以揭示植物的生長發(fā)育過程、逆境響應和代謝調(diào)控等關鍵生物學過程。蛋白質(zhì)的可逆磷酸化是目前已知的最重要信號傳遞方式，深度解析磷酸化蛋白質(zhì)組是全面理解磷酸化如何行使功能的有效手段。
然而，植物磷酸化蛋白質(zhì)組的深度解析更具挑戰(zhàn)性。因為植物細胞具有致密的細胞壁和大量的色素與其它次生代謝產(chǎn)物，極大增加了蛋白質(zhì)提取的難度，嚴重地干擾了磷酸肽富集的效率和特異性。近期，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所汪迎春課題組在Molecular Plant上發(fā)表研究論文，報道了一種具有突破性的植物磷酸化蛋白質(zhì)組學新技術GreenPhos。
這項技術采用了簡化、穩(wěn)健的工作流程，能高靈敏度、高特異性快速地富集來自包括擬南芥、水稻、番茄和衣藻在內(nèi)的各種綠色生物組織中的磷酸肽。利用該技術可定量分析不同植物的磷酸蛋白質(zhì)組，其鑒定深度和定量重復性前所未有，有望成為植物磷酸蛋白組學的通用技術。該技術主要面向高等植物及其它綠色生物（如衣藻），實現(xiàn)最小的樣品損失，大大提高了時間和成本效益，因此命名為GreenPhos。應用該技術已深度解析了擬南芥響應不同時長鹽脅迫的差異磷酸化蛋白質(zhì)組，發(fā)現(xiàn)了包括剪接體蛋白和一些激酶響應鹽脅迫的磷酸化事件。
GreenPhos為更深入地理解蛋白質(zhì)磷酸化在植物生命過程中的功能提供了強有力的工具，在作物育種、品質(zhì)以及抗逆密切相關的磷酸化蛋白及其位點中有著廣泛的應用前景。Orbitrap Fusion Lumos結合功能強大的MaxQuant軟件為該研究提供了蛋白組學金標準分析平臺，Orbitrap技術已經(jīng)成為蛋白質(zhì)組學、翻譯后修飾研究及單細胞蛋白組學的最佳選擇。
使用GreenPhos對鹽脅迫擬南芥幼苗進行磷酸蛋白組定量分析（點擊查看大圖）
代謝組學揭示水稻鐵脅迫應答機制
代謝組學作為基因和表型的橋梁，可與基因組學相結合，應用于遺傳育種、作物表型預測等方面。代謝物也是植物對外界環(huán)境的防御網(wǎng)絡，基于代謝組學策略分析植物在逆境條件下代謝物的變化，可以推測植物在脅迫應答過程中對代謝途徑的調(diào)整，是研究植物抗逆機制的重要手段之一。
鐵脅迫是水稻栽培中的嚴重問題，尤其是在鐵含量高的土地上。印尼茂物農(nóng)業(yè)大學MIFTAHUDIN課題組應用 Q Exactive Plus Orbitrap平臺的非靶向代謝組學策略揭示了水稻（Oryza sativa L.）在鐵脅迫下的關鍵代謝途徑。
文章對兩個水稻品種即IR64（對鐵敏感）和Pokkali（耐鐵）在400ppm鐵溶液脅迫10天后進行了代謝譜分析，結果表明，鐵脅迫影響了兩個水稻品種的根和莖組織的代謝譜，根和莖組織之間的代謝物存在明顯差異，采用非靶代謝組學檢測到了102種代謝物。經(jīng)過統(tǒng)計學分析，莖組織中的1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（ACC）和根組織中的半乳糖在鐵脅迫下顯著上調(diào)，認為是水稻品種Pokkali鐵耐受性的代謝物標志物，其中ACC在之前轉錄組研究有過報道。參與這兩種代謝標志物生物合成途徑的酶編碼基因可能是探索水稻鐵耐受性的一個潛在靶點。該研究為進一步研究水稻的抗逆和農(nóng)作物改良奠定了堅實的基礎。Q Exactive Plus Orbitrap質(zhì)譜平臺為該研究樣本的連續(xù)檢測提供了卓越的穩(wěn)定性。
多組學聯(lián)合培育出“超級西紅柿"
隨著組學技術的蓬勃發(fā)展，多組學聯(lián)合分析，可以相互驗證，也可以相互補充，有助于全面、深入地研究植物遺傳進化、生長發(fā)育、改良育種、營養(yǎng)價值等課題，是生物育種的重點方向。
維生素D缺乏是全球性健康問題之一，大多數(shù)食物包含植物性食品維生素D含量很低，難易滿足人體需求。來自英國John Innes Centre的Cathie Martin 科研團隊通過代謝組學、空間代謝組學和基因編輯等技術進行了西紅柿的品種改良，培育出了富含豐富維生素D的“超級西紅柿"。
研究者對關鍵基因進行了編輯，采用基于Q Exactive Orbitrap對影響番茄品系生長發(fā)育、產(chǎn)量以及維生素D3增加的相關代謝物，如：植物甾醇、油菜素、7-脫氫膽固醇、α-番茄堿等含量變化進展了代謝組學分析，還對番茄不同組織進行了空間代謝組學研究，分析了相關物質(zhì)的空間分布，對該研究成果提供了重要的技術支撐。
總 結
隨著Orbitrap技術的迅猛發(fā)展，憑借其卓越的分辨率、穩(wěn)定性及靈敏度等優(yōu)勢，為植物蛋白質(zhì)組學、代謝組學及空間代謝組學研究提供了金標準質(zhì)譜平臺，為生物育種工作提供科學依據(jù)及整體質(zhì)譜組學解決方案，全面助力農(nóng)業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力的提升。
參考文獻：
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