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Nat Comm | 空間代謝組學揭示三羧酸循環的代謝產物在植物根系生長發育中的功能

鹿明生物

2023.8.01

研究背景

植物根的縱軸經歷了多個發育階段，從快速分裂的分生組織中新干細胞的誕生到分化區成熟細胞的形成，這允許在單片組織內觀察連續的發育梯度，然而調控根系生長的分子機制研究依賴于沿著這一發育梯度的轉錄、蛋白、代謝物的可視化。空間代謝組學為植物根系的可視化研究提供了可能，本文利用空間質譜成像技術對玉米根的發育軸進行化學成像，揭示了一系列具有不同富集模式的小分子在根系生長發育中的多種功能。

前言

2023年5月，美國加州大學與斯坦福大學研究團隊共同在Nature Communications發表了題為“Chemical imaging reveals diverse functions of tricarboxylic acid metabolites in root growth and development”（IF：17.694）的文章，通過空間代謝組學技術，研究發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，揭示了玉米根發育軸中小分子具有不同富集模式。特別是發育根中的脂質、碳水化合物，隨后探索了TCA代謝物在根中獨特的富集模式。研究結果為植物發育提供了見解，并為控制植物生長提供了實用的手段。

研究思路

研究方法

研究材料：

（1）玉米根：來自3株玉米的10個根組織；

（2） TCA外源代謝物處理的擬南芥根：每組89-204個根組織不等；

研究技術：

（1）小分子代謝物空間分布狀態可視化展示：空間代謝組學技術

（2）不同TCA外源代謝物對根系生長發育的影響研究：轉錄組+共焦圖像

研究結果

1、質譜成像揭示玉米根發育軸小分子分布模式

文章對玉米根組織切片進行質譜成像，并對方法進行優化，以探索根內部精細特征，結果發現TCA循環代謝物沿著發育軸呈現標準化強度的差異梯度分布。其中，琥珀酸鹽在分生組織中表現最為強烈，烏頭酸、蘋果酸和富馬酸的信號向根分化區域富集。為了解差異分布模式小分子背后的發育機制，作者后續做了外源TCA代謝物處理擬南芥根部的研究。

圖1 空間代謝組學研究玉米根部

2、TCA代謝物在玉米和擬南芥根系發育中發揮不同的功能

為了解差異分布模式小分子背后的發育機制，作者做了外源TCA代謝物處理擬南芥根部的研究。研究發現，檸檬酸、α-酮戊二酸和烏頭酸顯著減少分生組織細胞數量。異檸檬酸和琥珀酸顯著增加分生組織細胞數量。烏頭酸是唯一能增加細胞伸長的代謝物，導致細胞分化時間延長。這些結果表明，TCA代謝物在干細胞分裂和生長中發揮不同的功能。例如，分生組織顯著富集的琥珀酸具有分生組織生長促進功能，而烏頭酸通常在分化區富集，抑制分生組織生長并促進細胞伸長。

圖2 TCA生物合成基因的空間獨特分布模式

圖3 共聚焦顯微鏡測量外源處理根的分生組織活性

研究結論

作者利用空間代謝組學質譜成像技術發現玉米根系中的TCA小分子代謝物獨特的分布模式。然后利用外源TCA代謝物處理擬南芥根系，發現TCA代謝物的組織特異性分布以不同的方式促進了根系的生長。研究還發現TCA誘導的表型在很大程度上與ATP定位或產生的變化無關。相反，活性氧水平極易受到TCA周期擾動的影響。TCA循環代謝物對ROS水平的影響與ROS在根毛發育中的調控作用一致。

總的來說，這項工作表明多種TCA代謝物在根發育中具有非規范的作用，為研究對植物根系細胞分裂、分化和進行器官發生的認識提供了有趣的機會。

文章推薦

本研究中，利用DESI-MSI對玉米根系化學進行空間成像，揭示了TCA代謝物沿發育軸分布的不同模式。結果發現外源處理和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。

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

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