Nat Comm | 空間代謝組學(xué)揭示三羧酸循環(huán)的代謝產(chǎn)物在植物根系生長(zhǎng)發(fā)育中的功能

鹿明生物

2023.8.01

研究背景

植物根的縱軸經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)育階段，從快速分裂的分生組織中新干細(xì)胞的誕生到分化區(qū)成熟細(xì)胞的形成，這允許在單片組織內(nèi)觀察連續(xù)的發(fā)育梯度，然而調(diào)控根系生長(zhǎng)的分子機(jī)制研究依賴于沿著這一發(fā)育梯度的轉(zhuǎn)錄、蛋白、代謝物的可視化。空間代謝組學(xué)為植物根系的可視化研究提供了可能，本文利用空間質(zhì)譜成像技術(shù)對(duì)玉米根的發(fā)育軸進(jìn)行化學(xué)成像，揭示了一系列具有不同富集模式的小分子在根系生長(zhǎng)發(fā)育中的多種功能。

02前言

2023年5月，美國(guó)加州大學(xué)與斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)共同在Nature Communications發(fā)表了題為“Chemical imaging reveals diverse functions of tricarboxylic acid metabolites in root growth and development”（IF：17.694）的文章，通過(guò)空間代謝組學(xué)技術(shù)，研究發(fā)育中玉米根系的代謝小分子，揭示了一系列小分子化合物在根分化梯度的分布模式，揭示了玉米根發(fā)育軸中小分子具有不同富集模式。特別是發(fā)育根中的脂質(zhì)、碳水化合物，隨后探索了TCA代謝物在根中獨(dú)特的富集模式。研究結(jié)果為植物發(fā)育提供了見(jiàn)解，并為控制植物生長(zhǎng)提供了實(shí)用的手段。

研究思路

研究方法

研究材料：

（1）玉米根：來(lái)自3株玉米的10個(gè)根組織；

（2） TCA外源代謝物處理的擬南芥根：每組89-204個(gè)根組織不等；

研究技術(shù)：

（1）小分子代謝物空間分布狀態(tài)可視化展示：空間代謝組學(xué)技術(shù)

（2）不同TCA外源代謝物對(duì)根系生長(zhǎng)發(fā)育的影響研究：轉(zhuǎn)錄組+共焦圖像

研究結(jié)果

1、質(zhì)譜成像揭示玉米根發(fā)育軸小分子分布模式

文章對(duì)玉米根組織切片進(jìn)行質(zhì)譜成像，并對(duì)方法進(jìn)行優(yōu)化，以探索根內(nèi)部精細(xì)特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TCA循環(huán)代謝物沿著發(fā)育軸呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度的差異梯度分布。其中，琥珀酸鹽在分生組織中表現(xiàn)最為強(qiáng)烈，烏頭酸、蘋果酸和富馬酸的信號(hào)向根分化區(qū)域富集。為了解差異分布模式小分子背后的發(fā)育機(jī)制，作者后續(xù)做了外源TCA代謝物處理擬南芥根部的研究。

圖1 空間代謝組學(xué)研究玉米根部

2、TCA代謝物在玉米和擬南芥根系發(fā)育中發(fā)揮不同的功能

為了解差異分布模式小分子背后的發(fā)育機(jī)制，作者做了外源TCA代謝物處理擬南芥根部的研究。研究發(fā)現(xiàn)，檸檬酸、α-酮戊二酸和烏頭酸顯著減少分生組織細(xì)胞數(shù)量。異檸檬酸和琥珀酸顯著增加分生組織細(xì)胞數(shù)量。烏頭酸是唯一能增加細(xì)胞伸長(zhǎng)的代謝物，導(dǎo)致細(xì)胞分化時(shí)間延長(zhǎng)。這些結(jié)果表明，TCA代謝物在干細(xì)胞分裂和生長(zhǎng)中發(fā)揮不同的功能。例如，分生組織顯著富集的琥珀酸具有分生組織生長(zhǎng)促進(jìn)功能，而烏頭酸通常在分化區(qū)富集，抑制分生組織生長(zhǎng)并促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)。

圖2 TCA生物合成基因的空間獨(dú)特分布模式

圖3 共聚焦顯微鏡測(cè)量外源處理根的分生組織活性

研究結(jié)論

作者利用空間代謝組學(xué)質(zhì)譜成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)玉米根系中的TCA小分子代謝物獨(dú)特的分布模式。然后利用外源TCA代謝物處理擬南芥根系，發(fā)現(xiàn)TCA代謝物的組織特異性分布以不同的方式促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)。研究還發(fā)現(xiàn)TCA誘導(dǎo)的表型在很大程度上與ATP定位或產(chǎn)生的變化無(wú)關(guān)。相反，活性氧水平極易受到TCA周期擾動(dòng)的影響。TCA循環(huán)代謝物對(duì)ROS水平的影響與ROS在根毛發(fā)育中的調(diào)控作用一致。總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作表明多種TCA代謝物在根發(fā)育中具有非規(guī)范的作用，為研究對(duì)植物根系細(xì)胞分裂、分化和進(jìn)行器官發(fā)生的認(rèn)識(shí)提供了有趣的機(jī)會(huì)。

文章推薦

本研究中，利用DESI-MSI對(duì)玉米根系化學(xué)進(jìn)行空間成像，揭示了TCA代謝物沿發(fā)育軸分布的不同模式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)外源處理和TCA代謝物的組織特異性遺傳操作以不同的方式影響根的生長(zhǎng)。?

參考文獻(xiàn)：https://doi.org/10.1038/s41467-023-38150-z

小鹿推薦

關(guān)注

鹿明生物提供優(yōu)質(zhì)的空間代謝組服務(wù)

空代儀器平臺(tái)

已搭建2套AFADESI-MSI質(zhì)譜成像系統(tǒng)+1套Waters DESI-MSI質(zhì)譜成像系統(tǒng)

項(xiàng)目執(zhí)行

已落地執(zhí)行項(xiàng)目百余項(xiàng)、檢測(cè)組織樣本類型20+；

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)

鹿明空間代謝組榮獲上海市2023年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”空間代謝組學(xué)分析檢測(cè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)專項(xiàng)立項(xiàng)

定性算法經(jīng)過(guò)多維校準(zhǔn)

定性結(jié)果同時(shí)考慮物質(zhì)表達(dá)空間情況、加和離子及同位素峰表達(dá)強(qiáng)度相似性、同位素表達(dá)空間分布相似性、非靶向質(zhì)譜數(shù)據(jù)和空代自建數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

項(xiàng)目實(shí)測(cè)結(jié)果

可實(shí)現(xiàn)定性代謝物數(shù)量：1000-3000個(gè)代謝物

無(wú)偏好性檢測(cè)代謝物：:70%為700Da以下的小分子物質(zhì)，30%為脂質(zhì)類物質(zhì)，更加適合代謝組學(xué)研究方向；

文末看點(diǎn)｜lumingbio

上海鹿明生物科技有限公司是歐易生物旗下從事蛋白質(zhì)組及代謝組質(zhì)譜檢測(cè)的專業(yè)質(zhì)譜組學(xué)服務(wù)公司。公司建有空間代謝組商業(yè)服務(wù)平臺(tái)，深耕質(zhì)譜組學(xué)檢測(cè)分析，具體包括空間代謝組、雙平臺(tái)代謝組、靶向代謝組、TMT標(biāo)記定量蛋白組、翻譯后修飾蛋白組、4D-DIA蛋白組、單細(xì)胞及超微量蛋白組、空間蛋白組等。創(chuàng)新質(zhì)譜組學(xué)平臺(tái)廣泛應(yīng)用于機(jī)制解析、分型診斷、標(biāo)志物篩選、藥靶發(fā)掘等多個(gè)領(lǐng)域。公司并先后獲得高新技術(shù)企業(yè)、上海市專精特新企業(yè)并建有院士專家工作站，自有包括tims tof pro2在內(nèi)的各類大型質(zhì)譜近二十臺(tái)套，年服務(wù)項(xiàng)目超2000項(xiàng)。鹿明生物協(xié)助合作伙伴發(fā)表SCI論文近千篇，成功打造以硬數(shù)據(jù)、好服務(wù)為基礎(chǔ)，以空間代謝組為特色的質(zhì)譜組學(xué)檢測(cè)服務(wù)公司品牌。