在動物中，乳酸是糖代謝的副產(chǎn)物，最近在Nature等發(fā)表的一系列重要突破性論文發(fā)現(xiàn)乳酸可作為能量貨幣和重要的信號分子來調(diào)節(jié)細(xì)胞功能、生理和免疫反應(yīng)以及疾病進(jìn)程，此外還可以通過組蛋白乳酸化修飾 （Kla） 發(fā)揮在免疫中的生理調(diào)節(jié)作用以及在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的非代謝功能。然而，植物組織中是否存在具有生物活性的乳酸未有定論，甚至在中學(xué)教科書中一度寫入植物糖酵解主要產(chǎn)生酒精，而哺乳動物糖酵解產(chǎn)生乳酸。因而玉米中是否存在乳酸以及其功能尚未見報道，以及如果植物中存在乳酸，其通過參與翻譯后修飾而具有的調(diào)節(jié)功能更是無人問津。
近日，北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究所在國際頂級期刊Science China Life Sciences（IF=10.384/Q1）上在線發(fā)表了題為 Trash to treasure: Lactate forbid protein lactylation in maize root impacts response to drought 的研究論文，該工作突破性地發(fā)現(xiàn)了玉米中存在乳酸和乳酸化修飾現(xiàn)象，且在根中響應(yīng)了干旱脅迫。這項(xiàng)研究為植物中乳酸和乳酸化修飾的研究拓寬了領(lǐng)域，為深入理解翻譯后修飾在植物根系干旱抵抗作用中的分子機(jī)制提供了重要線索。
該研究中確認(rèn)了干旱條件下乳酸在玉米根中的持續(xù)存在和積累，同時乳酸修飾組分析顯示，Kla修飾普遍存在于玉米根中，但在干旱敏感（B73）與耐旱（京2416）自交系中顯示出明顯差異，特別是京2416中脂肪酸降解通路中所有相關(guān)酶的乳酸化在干旱處理下都發(fā)生了顯著降低。
同時，在玉米基因組的16個組蛋白上發(fā)現(xiàn)了37個Kla位點(diǎn)，ChIP-Seq分析揭示玉米全基因組約有28-48K的組蛋白乳酸化修飾位點(diǎn)，而不同于其他的酰化修飾，約90%的乳酸化修飾都存在于基因間區(qū)，只有6%存在基因區(qū)。兩個自交系間組蛋白Kla在干旱條件下具有明顯差異：在干旱脅迫期間檢測到的具有差異組蛋白Kla的基因中，只有2.7%是兩個自交系共有的，表明非生物脅迫在不同玉米種質(zhì)中觸發(fā)的表觀遺傳活性有所差異。動物中已知的乳酸化抑制劑對玉米的乳酸化均未產(chǎn)生影響，而外源施加生長調(diào)節(jié)劑亞精胺不僅提高了B73的耐旱性能，同時顯著改變了乳酸、乳酸化和組蛋白Kla修飾的水平。該研究將基于Kla的生物化學(xué)和表觀遺傳學(xué)調(diào)控的已知領(lǐng)域從動物免疫擴(kuò)展到植物逆境生理，為深入了解 “最著名的代謝廢物”乳酸在植物中的生理、生化和遺傳功能奠定了基礎(chǔ)，并為闡明我單位自主選育的骨干自交系京2416耐干旱的優(yōu)良特性提供了理論依據(jù)。
玉米研究所石子副研究員、周秒依助理研究員和宋偉研究員為本文的共同第一作者，任雯副研究員和趙久然研究員為通訊作者，劉亞研究員、王元東研究員、王榮煥研究員和張如養(yǎng)副研究員參與了該工作。本研究得到了北京學(xué)者、北京市科技新星計劃、高層次回國人才回國資助以及科技興蒙項(xiàng)目的支持。
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http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-023-2361-1
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