多组学专栏④ | 客户文献-老牛吃嫩草的科学解释

作为“牧草之王”的苜蓿在从现蕾期进入开花期后，营养价值大幅下降。前期研究报道在进入开花期后，苜蓿的总蛋白含量下降，而纤维素含量增加，导致其影响价值下降。但至今尚未在分子水平揭示这一现象的机理。近期发表在《BMC Plant Biology》杂志上的一篇文章拟从蛋白组和代谢组的层面对不同生长阶段的苜蓿进行分析，揭示引起营养成分变化的分子机制。

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文献小笔记

Proteomics integrated with metabolomics: analysis of the internal causes of nutrient changes in alfalfa at different growth stages

蛋白组学和代谢组学联合分析研究苜蓿不同生长阶段营养成分变化的机理

BMC Plant Biology

研究材料

不同生长阶段的苜蓿叶片：现蕾期、初花期、中花期

研究技术

蛋白质组、代谢组

文中提及“中科新生命”

1. 不同生长阶段的苜蓿叶片蛋白表达谱的不同

对3个生长阶段的苜蓿叶片进行营养成分分析发现，中花期的叶片和现蕾期叶片相比，营养成分明显下降；而初花期的叶片和现蕾期相比，营养成分没有显著变化。因此，实验选取了现蕾期和中花期的苜蓿叶片进行TMT标记蛋白组学分析，发现两者之间有415个蛋白存在表达量差异。基于GO的蛋白功能注释表明，这些差异蛋白参与代谢过程、细胞过程，应激响应等生物学过程，分子功能集中在催化活性、结合和转运蛋白活性。KEGG通路注释表明，这些差异蛋白参与的通路主要为谷胱甘肽代谢，苯丙素类合成途径，碳代谢和氨基酸代谢。

2. 不同生长阶段的苜蓿叶片代谢谱的不同

对现蕾期和中花期的苜蓿叶片进行基于LC-MS的非靶代谢组学的分析发现，两者之间有49种代谢物的含量存在差异。相比于现蕾期，中花期有24种代谢物含量上调，25种代谢物含量下调。这些差异代谢物主要是氨基酸、有机酸、碳水化合物、嘌呤、嘧啶等。对差异代谢物进行层次聚类，发现与蛋白质合成相关的代谢物下调，而碳水化合物、脂质和其他代谢物则显著上调。通过KEGG通路分析发现，这些代谢物主要参与次级代谢物的合成，蛋白质降解，氨基酸合成和苯丙素类的合成。

3. 蛋白组-代谢组的联合分析

将差异表达的蛋白质和差异表达的代谢物往KEGG代谢通路进行投射，结果找到了两者共同参与的57个代谢通路发生了变化。这些差异的代谢通路主要与能量代谢相关。我们进一步选取了跟苜蓿影响成分相关的代谢通路，包括氨基酸合成，苯丙素类合成、淀粉和蔗糖代谢通路进行分析。尤其是苯丙素的合成通路中，蛋白和代谢物的表达，从现蕾期到中花期变的非常活跃，比如中花期L-苯丙氨酸、β-葡萄糖苷酶、肉桂醇脱氢酶等含量上调，4-羟基桂皮酸、咖啡酸、3-O-甲基转移酶、咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶等含量下调。表明从现蕾期到中花期，促进了木质素的合成，导致纤维素的合成增加，进而引起苜蓿的营养质量下降。

文章提供了创新和深入的研究思路，分析了苜蓿的现蕾期、中花期这两个重要阶段的蛋白和代谢水平表达的差异。并阐明了苜蓿的营养价值的降低与复杂的生物过程之间的关系，为高品质苜蓿的生产和未来的研究提供了理论依据，也为改良获得高品质的苜蓿提供良好的理论基础。