景杰生物
报道
农作物缺乏主动识别、消除病原体的适应性免疫系统。为了适应环境，植物必须在生长和防御之间有效分配能量资源。目前，植物免疫反应的研究主要是通过遗传和基因组方法，但该方法无法探索动态细胞过程中的功能调节。越来越多的研究表明蛋白质翻译后修饰（PTM）可以多维度、更快、更有效地调控植物免疫反应。因此，需要从蛋白质翻译后修饰水平进一步了解植物免疫反应机制。
年7月26日，河北农业大学马峙英团队在国际知名学术期刊AdvancedScience（IF=15.1）发表了题为“”的研究论文[1]。研究运用2-羟基异丁酰化和琥珀酰化修饰组学技术，对棉花幼苗应对大丽轮枝菌（）感染的免疫反应机制进行系统分析，揭示了棉花平衡抗病和产量的作用新机制，从而为在病原体胁迫下提高植物产量提供了解决方案。景杰生物为该研究提供了2-羟基异丁酰化修饰与琥珀酰化修饰组学技术支持。
1、棉花Khib和Ksuc修饰图谱及其潜在关联分析
研究者首先使用2-羟基异丁酰化（Khib）和琥珀酰化（Ksuc）泛抗体对棉花幼苗（品种ND）进行免疫印迹检测，结果显示棉花中存在大量酰化修饰位点。进一步运用蛋白质组学技术、Khib修饰组学、Ksuc修饰组学技术绘制了棉花的Khib和Ksuc修饰图谱。研究共鉴定到个蛋白质上的个Khib位点，及个蛋白质上的个Ksuc修饰位点。生信分析揭示大多数Khib蛋白显著富集在叶绿体上，Khib修饰的蛋白质主要富集在初级代谢过程，如碳水化合物、能量和氨基酸代谢等。与Khib相比，Ksuc蛋白含有更多的单一赖氨酸修饰位点，绝大多数Ksuc蛋白位于叶绿体、细胞质和细胞核中。GO和KEGG富集分析表明Ksuc蛋白主要富集在多个中心代谢途径，如碳代谢、生物碳固定等。
图1棉花蛋白组以及Khib位点鉴定
鉴于Khib与Ksuc两种翻译后修饰呈现相似的调控特征，可能协同参与调节棉花的生物学过程。因此，研究者进一步分析了Khib和Ksuc的潜在关联（Crosstalk）。研究发现个蛋白质上的个位点存在Khib和Ksuc修饰，且几乎所有光合电子传递系统的主要复合体均存在Khib和Ksuc修饰。结果表明Khib和Ksuc存在紧密关联，共同调控能量代谢网络。
图2棉花Ksuc蛋白的鉴定以及Khib和Ksuc之间的关联分析
2、Khib和Ksuc修饰参与棉花对大丽轮枝菌感染的免疫反应
为验证诱发黄萎病的大丽轮枝菌（）感染是否影响Khib和Ksuc修饰水平，研究者检测了感染后，Khib和Ksuc修饰蛋白质所对应的编码基因表达水平。结果发现Khib蛋白质编码基因的表达水平显著高于Ksuc蛋白编码基因，且同时存在Khib与Ksuc修饰的编码基因表达水平高于单修饰编码基因。此外，研究者发现组蛋白H4K80hib修饰水平在胁迫下也显著增加，Chip-qPCR检测结果显示感染棉花中，防御相关基因启动子区域Khib水平显著增加。以上结果表明，Khib和Ksuc修饰参与棉花对大丽轮枝菌感染的免疫反应，特异性调节防御相关基因的表达，以应对感染。
图3Khib和Ksuc修饰的基因表达
3、棉花中Khib和Ksuc“writer”和“eraser”的鉴定及功能研究
研究者进一步揭示了棉花中Khib和Ksuc修饰的调控蛋白。SIRT蛋白与HDAC蛋白被报道具有广泛的酰化修饰调控酶活性。研究者首先沉默棉花中的SRT、HDA和HAC同源基因，进而使用Khib和Ksuc修饰泛抗体来检测Khib、Ksuc修饰水平变化。研究鉴定到GhHDA15和GhSRT1分别为棉花中的Khib和Ksuc的“eraser”，GhHAC2、GhHAC5和GhHAC12分别为棉花中的Khib和Ksuc的“writer”，通过调节Khib和Ksuc修饰进而影响棉花对黄萎病抗性。
图4植物中Khib和Ksuc“writer”和“eraser”的鉴定及功能研究
4光合系统修复蛋白GhPSB27Khib和Ksuc修饰增强棉花黄萎病抗性
通过对Khib和Ksuc修饰组的串联分析，研究者发现大部分Khib和Ksuc修饰蛋白（分别为43%和40.4%）位于叶绿体中，且存在高度相互关联。其中，GhPSB27位于重要节点，是棉花胁迫响应以及生长的重要调控因子。研究进一步发现，感染后，GhPSB27蛋白中4个位点（K81、K90、K、K）的Khib和Ksuc修饰水平显著增加。分别对以上四个目标位点进行点突变实验（将赖氨酸位点突变为苏氨酸（T）、谷氨酸（E）和精氨酸（R）分别模拟Khib、Ksuc和去修饰状态），证实该四个位点的Khib和Ksuc修饰与棉花黄萎病抗性相关。此外，沉默GhPSB27基因的棉花其黄萎病抗性显著下降。以上研究结果表明，GhPSB蛋白通过Khib和Ksuc修饰增强了棉花黄萎病抗性。
图5GhPSB27通过Khib和Ksuc调节黄萎病抗性
5GhPSB27Khib和Ksuc修饰增加棉花产量
GhPSB27可作为光系统II核心蛋白D1的组装因子，研究者推测GhPSB27修饰水平可能参与D1蛋白合成。考虑到D1蛋白在叶绿体中促进ROS产生的功能，研究者检测了D1蛋白含量以及过氧化氢和超氧阴离子的含量。结果显示，GhPSB27蛋白的Khib和Ksuc修饰促进了D1蛋白水平以及ROS累积，从而提高了棉花的产量以及黄萎病抗性。
图6酰化修饰的GhPSB27通过调节D1蛋白含量增强植物抗病性并提高产量
综上所述，研究者通过对棉花2-羟基异丁酰化和琥珀酰化修饰组学进行系统分析，揭示了棉花通过调节叶绿体蛋白的Khib和Ksuc修饰平衡棉花黄萎病抗性和产量的分子机制，为作物改良提供了新的策略，对胁迫和高产领域的研究具有重要贡献。
图7该研究图文摘要
河北农业大学陈斌博士后为论文第一作者，张艳教授、马峙英教授、王省芬教授为通讯作者。该研究得到河北省自然科学基金创新群体、国家重点研发计划、中国博士后科学基金、河北省博士后科研基金等项目资助。
参考文献
1.ChenB,..Lysine2-Hydroxyisobutyrylation-andSuccinylation-BasedPathwaysActInsideChloroplaststoModulatePlantPhotosynthesisandImmunity..
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