王应祥/张利民课题组合作利用核磁共振技术揭示模式植物拟南芥两个生态型及多个减数分裂重组异常突变体的花序代谢组表型

来源:上海国际人类表型组研究院 发布时间:2021-05-13

2021年5月11日,《表型组学》(Phenomics)期刊在线发表了复旦大学生命科学学院王应祥课题和中国科学院武汉物理与数学研究所张利民课题组合作的题为Comparison of Metabolic Profiling of Arabidopsis Inflorescences Between Landsberg erecta and Columbia, and Meiosis-Defective Mutants by 1H-NMR Spectroscopy的研究论文。该研究利用核磁共振(NMR)技术分析了两个拟南芥生态型,以及减数分裂重组异常突变体花序中代谢物组成的变化,结果表明基于NMR的代谢组学技术,可以用作揭示植物生殖发育分子表型的有效工具之一。

减数分裂是真核生物有性生殖的必需过程,其过程中发生的同源染色体间重组增加了子代个体间的遗传多样性,对于物种进化以及作物育种具有重要意义。减数分裂重组主要包括SPO11介导的DNA双链断裂(DSB)、重组酶RAD51和DMC1介导的单链入侵、DNA复制因子POL2A和RFC1等介导的DNA合成等环节。有研究表明代谢物的变化对减数分裂进程有重要影响,如代谢物为减数分裂的发生提供了物质基础、能量来源,以及信号分子。然而,减数分裂重组是否也会影响代谢物的变化,目前还未有研究。

研究者利用1H-NMR技术,分析了拟南芥野生型两种生态型Col-0和Ler,以及减数分裂重组不同环节缺陷突变体Atspo11-1-3、Atrad51-3、Atdmc1、Atrfc1-2、Atpol2a-2和Atmmd1等花序中代谢物的组成。这些材料中共检测到68种主要代谢物,包括氨基酸、碳水化合物、有机酸、脂质、胺类、核苷酸、胆碱和醇类等。令人意外的是,野生型Ler和Col-0的代谢物组成显著不同,比如Ler中蔗糖、核苷酸、赖氨酸、谷氨酰胺等含量增加,而TCA中间产物、脂质和精氨酸含量降低。相比之下,减数分裂异常突变体中代谢物成分也变化显著,并且减数分裂重组缺陷类似的突变体,如Atrad51-3、 Atrfc1-2和Atpol2a-2具有相似的代谢物变化。其中增加的代谢物主要与能量的产生(TCA循环代谢物)、维持基因组稳定性(甲硫氨酸)、细胞质稳态(γ-氨基丁酸)及细胞膜完整性(胆碱)相关。综上所述,减数分裂重组过程影响了物质代谢,但相关分子机制有待进一步探索。同时也表明1H-NMR可作为一种有效的手段,应用于生殖发育如减数分裂的代谢表型研究,有效丰富了减数分裂的分子表型。

图1:代谢变化与Ler和Col-0花序表型差异,以及减数分裂DSB修复重组模型的整合。

复旦大学李翔博士和已毕业的王宏宽博士为本文共同第一作者,复旦大学王应祥研究员和中国科学院武汉物理与数学研究所张利民研究员为本文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委以及复旦大学遗传工程国家重点实验室的资助。

论文DOI链接:

https://link.springer.com/article/10.1007/s43657-021-00012-3

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