Nat Plants新突破 | 首张水稻蛋白基因组图谱诞生

景杰生物 | 报道

水稻（Oryza sativa）是全球主要的粮食作物之一，也是植物生物学领域重要的模式植物，其基因组相对较小且已完成测序，为研究植物生长发育、逆境响应等生物过程提供了便利。尽管水稻的基因组研究已取得了显著进展，但其蛋白质组的研究却相对滞后。

蛋白质组学是后基因组时代的重要研究领域，它涉及蛋白质的表达、修饰、相互作用及其在不同生物学过程中的作用。深入理解水稻蛋白质组的组成和调控机制，对于揭示水稻生长发育的分子基础、提高水稻产量和改良品质具有重要意义。

此外，N6-甲基腺苷(m6A)修饰作为一种普遍存在于真核生物mRNA中的化学修饰，已被证实在调控mRNA的稳定性、剪接、转运和翻译等方面发挥关键作用。m6A的异常调控与多种疾病的发生发展有关，但其在植物中的生物学功能仍有待进一步探究。

近日，中国农业科学院梁哲研究员、新加坡国立大学俞皓教授和浙江大学杨兵研究员在植物领域权威期刊Nature Plants（IF=15.8）上联合发表了题为“Mass spectrometry-based proteomic landscape of rice reveals a post-transcriptional regulatory role of N6-methyladenosine”的最新研究成果。该研究运用基于质谱的蛋白质组学揭示了水稻中14个组织的定量蛋白质组学图谱，并发现m6A是蛋白质丰度的关键决定因素。这一发现为深入了解植物中RNA和蛋白质水平之间的长期差异提供了新的认识。

该研究通过基于质谱的蛋白质组分析，鉴定了超过15000个蛋白质表达水平，并发现与组织功能相关的特异性蛋白质。此外，研究详细解析了m6A修饰与蛋白质丰度呈负相关，且MED18基因可作为m6A调的调控因子。总之，该研究为理解水稻蛋白质表达的调控机制及m6A在植物中的生物学功能提供了新的分子视角。

水稻组织中的定量蛋白质组学分析

研究者首先对Nip水稻品种的14种组织（根、茎、叶、穗、雌蕊、花粉、种子等）进行了基于质谱的蛋白质组学分析，结果共鉴定到15174个蛋白质，是目前鉴定深度最高的水稻蛋白质组学数据库。主成分分析结果显示出蛋白质组学数据具有良好的重复性。接下来，研究者通过组织特异性评分来区分和鉴定组织富集蛋白和组织特异性蛋白，结果发现雌蕊蛋白质组具有最多的组织富集和组织特异性蛋白质，其次是花粉和根尖。

图1 水稻组织定量蛋白质组学图谱

此外，研究者对各组织的蛋白质组进行了成对交叉比较发现，生理和空间相关的组织在组织特异性蛋白质中表现出交叉。通过对光合组织和非光合组织进行了蛋白质组学分析，研究者确定了672个在光合组织中高表达的核心蛋白，这些蛋白质主要富集在氨基酸代谢和苯丙素类途径中。

图2 水稻组织的定量蛋白质组学分析

水稻和拟南芥蛋白质组之间的比较以及水稻组织中mRNA与蛋白质的相关性分析

研究者比较了单子叶植物水稻与双子叶植物拟南芥蛋白质组之间的异同。相关性分析和主成分分析表明，拟南芥和水稻在花粉、叶片、叶、穗茎和雌蕊等许多组织中的蛋白质组基本保守，而在其他组织中，种间蛋白质组的保守程度高于组织间蛋白质组的保守程度。此外，研究还发现二者在光合作用方面存在保守性。

研究还获得了相同样本的转录组数据，于是进一步探究了RNA与蛋白质丰度之间的相关性，结果显示每个组织中蛋白质和RNA丰度之间的相关性不同，且组织间蛋白质和RNA水平的变化与蛋白质和RNA丰度无关，表明蛋白质和mRNA水平的组织特异性调控与其绝对丰度无关，且翻译调控在塑造组织特异性方面起着重要作用。

图3 水稻和拟南芥蛋白质组的比较分析

图4 水稻组织中蛋白质丰度和RNA表达相关性分析

跨水稻组织的m6A修饰景观

RNA修饰作为一种重要的表观遗传调控因子，近年来受到越来越多的关注，其中m6A修饰是真核细胞中最丰富的RNA修饰。研究者首先对14个组织的mRNA进行了m6A定量分析，结果发现m6A主要富集在3’UTR区域，尤其在终止密码子下游约100个核苷酸处出现峰值，这种分布模式在所有水稻组织中都是保守的，且这些保守的m6A信号与参与翻译调控活性和细胞定位的基因有关。此外，研究通过检测水稻中m6A与基因表达的相关性发现，m6A与mRNA水平呈负相关。

图5 水稻组织的m6A修饰图谱

非翻译区的m6A修饰会抑制翻译

进一步的，研究者通过综合分析水稻的定量蛋白质组数据和m6A修饰数据，研究者揭示了m6A修饰与蛋白质丰度之间的负相关性：在mRNA的5'UTR或3'UTR区域携带m6A修饰的基因，其mRNA与蛋白质水平的相关性比未修饰的基因要弱。此外，通过比较带有m6A修饰的基因与未修饰基因的蛋白质-RNA比率（PTR）发现，带有m6A修饰的基因具有更低的PTR，这表明m6A修饰抑制翻译效率，从而导致蛋白质含量降低。

最后，研究者在水稻中鉴定了可能参与m6A调控的潜在基因，结果发现MED18在调控m6A甲基化中起关键作用，拟南芥中的同源基因AtMED18也显示出类似的调控功能。

图6 非翻译区的m6A修饰会抑制翻译

综上所述，本研究通过对水稻14个组织进行基于质谱的蛋白质组学分析及m6A分析，构建了首个水稻蛋白基因组学全景图，鉴定了单个组织的功能特异性相关的组织特异性和组织富集蛋白质，而水稻中mRNA与蛋白质丰度之间的相关性并不高，表明存在其他调控机制。此外，研究阐明了m6A是蛋白质丰度的关键决定因素，同时还在植物中鉴定到新的m6A调控因子MED18。以上研究为进一步研究水稻蛋白质基因组提供了范式。

景杰评述

本研究通过在水稻中进行大规模的蛋白质组和m6A修饰分析，不仅揭示了水稻蛋白质表达的复杂性和m6A在调控翻译过程中的关键作用，而且通过跨物种比较分析，提供了关于植物蛋白质表达调控的新见解。同时，研究通过对水稻蛋白质组的全面分析，在已有的水稻基因组的基础上，为蛋白质的功能发掘提供了宝贵的数据资源。

值得一提的是，蛋白质翻译后修饰（PTM）对于蛋白质的功能调控起着重要作用，毫不夸张的说，大部分蛋白质参与的生物过程，都需要一系列的翻译后修饰参与其中，截至目前，已有大量研究证明PTM在多种植物的生长发育、抗逆境胁迫、病原微生物免疫等方面发挥关键作用。例如：

发生在赖氨酸位点上的泛素化、乙酰化、2-羟基异丁酰化、乳酸化等，对植物的生长发育、胁迫响应等生物过程至关重要（点击链接详细阅读：“植”得信“赖”|赖氨酸位点上的蛋白质翻译后修饰在水稻中的研究）。
核糖体蛋白的氧化修饰通过促进胞质核糖体翻译效率以增强水稻抗性（点击链接详细阅读：Plant Commun | 华中农大团队氧化修饰组学揭示水稻抗病新机制）。
蔗糖非酵解蛋白激酶SnRK1主要通过磷酸化修饰，调控淀粉分解、蔗糖代谢、韧皮部运输、蔗糖跨液泡膜转运和糖酵解途径的相关酶来促进叶鞘非结构性碳水化合物向穗部转运（点击链接详细阅读：Plant Physiology | 南京农业大学丁艳锋团队揭示糖信号调控水稻叶鞘非结构性碳水化合物转运的生理机制）。

目前，借助蛋白质组学、蛋白质翻译后修饰组学进行植物领域研究还处于较早期阶段，尤其是植物的新型酰化修饰研究还存在极大的空白，因此，结合蛋白及修饰组学进行植物领域重要科学问题的探讨必然存在巨大的研究潜力，此外，多种创新性、极具热度的修饰类型也将有助于重磅研究成果的产出。

参考文献：

Li ST, et al. 2024. Mass spectrometry-based proteomic landscape of rice reveals a post-transcriptional regulatory role of N6-methyladenosine. Nat Plants.