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                  案例分享

                  Ecotoxicol. Environ. Saf丨缺硼和硼過剩條件下苜蓿生殖器官代謝組學分析

                  發布日期:2021.03.09

                  導讀

                  硼缺乏和硼過剩是影響植物生長和產量的主要因素,進一步了解植物生殖器官對硼缺乏和硼過剩脅迫的響應機制,可為提高種子產量和質量提供新思路。本次分享的文獻的研究目的是闡明紫花苜蓿(Medicago sativa L.)生殖器官對硼脅迫的耐受機制。



                  應用案例
                  缺硼和硼過剩條件下苜蓿生殖器官代謝組學分析




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                  01
                  研究背景
                  硼是一種必需的微量營養素,參與各種植物的代謝過程,包括碳水化合物的生物合成、酚類代謝、固氮和糖運輸。這種元素參與許多植物生長階段,在花粉萌發中起著至關重要的作用。土壤中硼缺乏或過量時都會影響植物生長。土壤中硼的有效性低很容易導致缺乏,施用硼肥可以克服不足。然而,過度施肥會導致硼毒性。植物生長中所需硼的范狹窄,兩者問題均對植物生長不利。硼缺乏對物的生殖系統有顯著影響,包括植物的生殖器官異常發育,花的可溶性蛋白含量降低,花管伸長受到抑制,種子產量質量降低等。硼過剩也會抑制花粉萌發和花粉管伸長并導致生殖器官的異常發育。
                  苜蓿(Medicago sativa L.)營養價值高,適應性強,是全球重要的飼料作物。但田間紫花苜蓿栽植率低,落花現象嚴重。越來越多的證據表明,硼是影響苜蓿開花、結實率和產量的重要因素?,F有文獻描述了硼在紫花苜蓿繁殖中的重要性,以及硼對開花、結莢、種子發育和種子質量的影響。然而,硼如何調控紫花苜蓿的生殖過程還沒有被闡明。以往的代謝組學研究為理解植物對硼缺乏和硼過剩的代謝反應做出了重要貢獻。這些研究結果有助于我們了解植物對硼吸收和運輸的代謝機制,以及植物對硼缺乏和硼過剩的耐受反應。
                  代謝組學是通過考察生物體系受到刺激或擾動前后所有小分子及其含量的變化或其動態變化來研究生物體系的一門科學。


                  02
                  研究流程

                  本研究中作者團隊采用基于GC-MS的非靶向代謝組學方法研究了不同濃度對苜?!?span style="font-family: " helvetica="" hiragino="" sans="" microsoft="" font-size:="" text-align:="" text-indent:="">Aohan’ 生殖器官的影響,作者分別用不同濃度(0 mg/L、400 mg/L、 800 mg/L、1200 mg/L、1600 mg/L)的硼來測定田間硼充足水平、硼缺乏和硼過剩引起的應激,以及硼缺乏和硼過剩條件下代謝產物的變化。

                  03 
                  實驗結果
                  使用PLS-DA分析代謝產物可以看出三種處理[硼缺乏(BD),硼充足(CK)和硼過剩(BS)]謝的差異(圖1)。硼缺乏(BD)和硼充足條件(CK)或硼過剩(BS)和硼充足條件(CK)之間代謝產物有著明顯的差異(圖2)。


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                  1.苜?!瓵ohan’生殖器官代謝產物的差異積累


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                  2.苜?!瓵ohan’ 生殖器官代謝產物的差異積累


                  在硼缺乏條件下,苜?!?span style="font-family: " helvetica="" hiragino="" sans="" microsoft="" font-size:="" text-align:="" text-indent:="">Aohan花中乳酸、蘇糖醇、異麥芽糖、蜜二糖和半乳糖醇等多種糖代謝化合物含量增加(圖3)。這些結果在三種葡萄糖相關的代謝途徑中得到證實,包括半乳糖代謝和糖酵解或糖異生(圖3)。研究顯示,硼在糖代謝中扮演重要角色,尤其是在糖的合成和運輸方面。苜?!?span style="font-family: " helvetica="" hiragino="" sans="" microsoft="" font-size:="" text-align:="" text-indent:="">Aohan’花內積累了大量的糖分,抑制了糖分向其他器官和種子的運輸,影響了種子產量。在硼缺乏條件下,苜?!?span style="font-family: " helvetica="" hiragino="" sans="" microsoft="" font-size:="" text-align:="" text-indent:="">Aohan’種子中4-羥基肉桂酸、4-羥基苯甲酸和苯甲酸等酚類化合物的含量顯著增加(圖4)。硼缺乏癥是紫花苜蓿對硼缺乏癥適應性反應的一部分,也是紫花苜?!?span style="font-family: " helvetica="" hiragino="" sans="" microsoft="" font-size:="" text-align:="" text-indent:="">Aohan’生殖器官細胞損傷或死亡的一個指標。此外,糖分和酚類化合物的過量積累可能是導致苜?!?span style="font-family: " helvetica="" hiragino="" sans="" microsoft="" font-size:="" text-align:="" text-indent:="">Aohan’組織壞死的主要因素,導致生殖器官脫落,從而影響種子產量和質量。


                  圖片關鍵詞

                  圖3. 硼缺乏條件下苜?!瓵ohan’花中代謝產物的代謝關系


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                  圖4. 缺硼條件下苜?!瓵ohan’種子代謝產物的代謝關系


                  氨基酸代謝對硼的耐受性起著至關重要的作用。此次研究中,硼過剩時,在苜?!?/span>Aohan’花中有一些微分氨基酸代謝相關的代謝產物減少,包括2,4-二氨基丁酸酸、3-氨基異丁酸、組氨酸、絲氨酸、甘氨酸、丙氨酸、天冬酰胺、賴氨酸、高絲氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸異亮氨酸、脯氨酸、鳥氨酸、亮氨酸、o -乙酰絲氨酸、異蘇氨酸、蛋氨酸亞砜和2-氨基己二酸(圖5) 。這表明硼過剩抑制植物中氨基酸的合成,從而降低對脅迫的抵抗力。異亮氨酸和亮氨酸,通常被稱為支鏈氨基酸(BCAAs),是植物生長發育中蛋白質合成和次級代謝物生物合成所必需的,并且可作為能量來源誘導細胞在壓力下產生能量生長條件。BCAT基因家族通過控制開花時間調節BCAA代謝途徑,因此,在苜?!?span style="font-family: " helvetica="" hiragino="" sans="" microsoft="" font-size:="" text-align:="" text-indent:="">Aohan’花中硼過剩降低BCAAs的相對豐度,影響其開花時間基因的表達,從而影響開花時間。此外,在硼過剩的情況下,4-氨基丁酸(GABA)在種子中顯著增加(圖6)。GABA是一種普遍存在的非蛋白氨基酸,在非生物脅迫下在植物中迅速積累。已有研究表明,硼缺乏導致柑橘根中GABA含量增加,與ROS積累相關。ROS誘導細胞損傷和衰老,實際上是硼缺乏通過ROS觸發細胞死亡。這些發現表明:在硼過剩的情況下,種子中GABA水平升高與細胞損傷或死亡有關。因此推測,與硼充足處理相比,硼過剩導致苜?!?span style="font-family: " helvetica="" hiragino="" sans="" microsoft="" font-size:="" text-align:="" text-indent:="">Aohan’種子的細胞損傷或死亡,導致干重降低,硼濃度升高,種子產量降低。


                  圖片關鍵詞

                  圖5. 硼過剩條件下苜?!瓵ohan’花中代謝產物的代謝關系


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                  圖6. 硼過剩條件下苜?!瓵ohan’種子代謝產物間的代謝關系



                  03
                  實驗結論
                  本篇文獻研究結果表明:硼缺乏導致花中和種子中糖和酚類化合物的過量積累,這反過來導致生殖器官脫落,從而降低種子的產量和質量。硼過剩導致與氨基酸和碳水化合物代謝相關的代謝產物水平嚴重下降,并導致花在結籽前下降,最終降低種子產量。此研究結果有助于我們進一步了解苜蓿生殖器官對硼缺乏和硼過剩反應的代謝機制。
                  硼缺乏對植物的幾個生殖過程產生顯著影響,包括生殖器官的異常發育、花的可溶性蛋白含量降低、花管伸長受到抑制、種子產量和質量下降等。相反,硼過剩也會抑制花粉萌發和花管生長,導致生殖器官的異常發育。

                  ? 文獻出處

                  CHEN Lingling, XIA Fangsha, MAO Peisheng*, et al. Metabolomic analyses of alfalfa (Medicago sativa L. cv. ‘Aohan’) reproductive organs underboron deficiency and surplus conditions. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2020.




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