项目文章 | 蛋白质组学:看蚕豆-小麦间作系统如何击败尖孢镰刀菌与苯甲酸的威胁
发布时间 2024-01-18

项目文章 | 蛋白质组学:看蚕豆-小麦间作系统如何击败尖孢镰刀菌与苯甲酸的威胁(图1)

文章标题:Proteomic analysis of the faba bean-wheat intercropping system in controlling the occurrence of faba bean fusarium wilt due to stress caused by Fusarium oxysporum f. sp.fabae and benzoic acid

发表期刊:BMC Plant Biology

影响因子:5.3

客户单位:云南农业大学

百趣生物提供服务:Label free定量蛋白质组学


研究背景

蚕豆(Vicia faba L.)是中国西南地区最重要的豆科作物之一。但长期单作,会导致蚕豆枯萎病发病率升高,产量和品质下降。已有研究表明,蚕豆与小麦间作可有效缓解蚕豆的自毒作用,抑制蚕豆枯萎病的发生。本研究假设苯甲酸是促进蚕豆枯萎的一种重要自毒物质,旨在通过Label free定量蛋白质组学检测与分析,研究蚕豆枯萎病发生过程中尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum f. sp. Fabae, FOF)和苯甲酸(benzoic acid)的作用,揭示蚕豆与小麦间作减轻枯萎病发生的潜在机制。


技术路线

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研究结果

1、FOF和苯甲酸胁迫间作对蚕豆幼苗生长的影响

作者采用蚕豆单作(M组)和蚕豆小麦间作(I组)两种种植模式,分别在FOF单一胁迫(M+F组、I+F组)、FOF和苯甲酸复合胁迫(M+F+B组、I+F+B组)下进行水培实验。结果显示,与M组相比,M+F组蚕豆的各项生长指标(株高、单株叶数、主根长度和根干重)均受到抑制。在进一步添加苯甲酸(M+F+B组)后,这种抑制效果更为显著。与单作组(M组、M+F组、M+F+B组)相比,间作处理(I组、I+F组、I+F+B组)的株高、单株叶数、主根长度和根干重均显著增加,增幅范围为11.51%-35%(图1)。

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图1  苯甲酸胁迫下间作对蚕豆幼苗生长的影响

2、单作和间作模式下FOF和苯甲酸胁迫下蚕豆根的蛋白质组学分析

在外源添加苯甲酸和接种FOF的条件下研究了单作(M组)和间作(I组)蚕豆根系蛋白质表达谱的差异。与M组相比,M+F处理组中共鉴定出22个差异表达蛋白,且均表达上调。相较于M+F处理组,M+F+B组共鉴定到16种差异表达蛋白,其中11种表达上调,5种表达下调。与M+F+B处理组相比,I+F+B组共鉴定出13个差异表达蛋白,其中4个表达上调,9个表达下调。此外,与M+F组相比,I+F组中共鉴定出22个差异表达蛋白,包括15种上调和7种下调表达蛋白(图2)。

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图2  单作和间作模式下FOF和苯甲酸胁迫下蚕豆根部差异表达火山图

3、通过COG功能注释分析对蚕豆根部差异表达蛋白进行分类

通过COG功能注释分析对蚕豆根部差异表达蛋白进行分类。与M组相比,M+F组中鉴定出的差异蛋白在碳水化合物转运与代谢、核糖体结构与生物合成、能量代谢、氨基酸转运与代谢、核苷酸转运等方面富集。与M+F组相比,M+F+B组中的差异蛋白在分子功能方面富集于碳水化合物转运和代谢、能量代谢、蛋白质转化、翻译和功能预测等。相较于M+F+B组,I+F+B组中富集的差异蛋白涉及碳水化合物转运和代谢、核糖体结构和生物发生、能量代谢、脂质转运和翻译、代谢等。与M+F组相比,I+F组中富集的差异蛋白在碳水化合物转运和代谢、核糖体结构和生物发生、能量代谢、氨基酸转运和代谢、核苷酸转运和代谢、染色质结构和动力学等分子功能方面发挥作用(图3)。

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图3  单、间作FOF和肉桂酸胁迫下蚕豆根系差异表达蛋白COG分析

4、蚕豆根差异表达蛋白的GO功能富集分析

对差异蛋白进行细胞成分分析显示,差异蛋白质中,主要有细胞质成分、细胞核成分,上调蛋白富集于蛋白酶体核心复合物、胞外区、核糖体、线粒体和膜成分,下调蛋白富集于核小体、核糖体、膜成分和细胞质。对差异蛋白进行分子功能分析表明,富集的上调蛋白涉及丙酮酸羧化酶活性、内肽酶活性、GTPase活性、钙结合、β呋喃糖苷酶活性、核糖体结构组成、激酶活性和细胞色素c氧化酶活性等途径,而富集的下调蛋白涉及DNA结合、氧化还原酶活性、金属离子结合、核酸结合、血红素结合和铁离子结合等途径。

5、蚕豆根差异表达蛋白的KEGG富集分析

基于差异表达蛋白进行KEGG富集分析。结果显示,M+F处理组中富集的差异蛋白主要涉及氧化磷酸化、代谢途径、核糖体合成和RNA转运4条途径。与M+F组相比,M+F+B组差异蛋白主要富集于代谢通路、碳代谢、氨基酸生物合成、丙酮酸代谢。与M+F+B组相比,I+F+B组差异表达蛋白富集于代谢富集途径、次生代谢物的生物合成、氨基酸的生物合成和RNA降解。与M+F组相比,I+F组差异表达在蛋白酶体和苯丙烷生物合成通路富集(图4)。

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图4  FOF和苯甲酸胁迫下蚕豆根部差异蛋白途径的富集

6、蚕豆根中差异表达蛋白的相互作用

基于差异表达蛋白进行相互网络分析。M+F+B与M+F组相比,有3个蛋白相互作用节点,(a) G7L7H0 和 G7KVS0(b) G7JEN5 和 A0A072UAH3、 (c) G7JEN5 和 G7KVS0。涉及的蛋白质有苹果酸酶、转酮醇酶、酮戊二酸脱氢酶和3,4-二羟基-2-丁酮激酶,其功能主要在于分子功能和维持细胞内氧化还原稳态。(图5)

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图5  蚕豆根部差异表达蛋白之间的相互作用


结论

本研究分析了蚕豆与尖孢镰刀菌相互作用过程中蛋白质表达的变化,结果表明,接种FOF后,蚕豆的生长受到显著抑制,蚕豆通过上调参与氧化还原和细胞壁功能等蛋白质,启动对FOF胁迫的防御反应。进一步添加苯甲酸后,细胞膜的稳定性和蚕豆根系防御系统被破坏,蚕豆通过上调与防御、氧化还原和能量相关的蛋白质来应对FOF和苯甲酸的双重应激。而蚕豆与小麦间作促进了乙烯和茉莉酸的合成,提高了蚕豆植株的抗逆性,有效缓解了FOF和苯甲酸的胁迫。通过上调次生代谢物的生物合成、光合作用的碳固定和其他相关蛋白质来抑制蚕豆枯萎病的发生。通过探讨蚕豆与小麦间作控制蚕豆枯萎病发生的机制,为间作防治病害提供科学合理的理论支撑。



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