Plant Physiol:缺磷對豆科根瘤膜脂組成和空間分布的影響
2021年1月，北德克薩斯大學的Dhiraj Dokwal團隊在Plant Physiology (IF 8.34)發表了題為“Phosphorus deprivation affects composition and spatial distribution of membrane lipids in legume nodules”的研究文章。該文章利用電噴霧電離-質譜技術（ESI–MS）和基質輔助激光解吸/電離質譜成像技術（MALDI–MSI）研究了缺磷對豆科蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)植株根瘤膜脂組成和空間分布的影響，研究結果提供了根瘤發育和缺磷期間磷脂酰膽堿（PC）分布和重塑的見解。
研究材料
蒺藜苜蓿植株的葉片、根、根瘤
技術路線
· 步驟1：生理表型研究確認成功誘導缺磷組；
· 步驟2：脂質組學研究葉片、根和根瘤中膜脂質成分，發現有明顯區別；
· 步驟3：MALDI–MSI研究不同根瘤中PC種類的空間分布信息，表現出不同的空間變化；
· 步驟4：結合ESI–MS進一步驗證根瘤中PC分布差異。
研究結果
1. 缺磷對M. truncatula葉片、根和根瘤中膜脂質成分有不同的影響
作者首先在氣培室中種植植物以控制生長培養基條件，誘導缺磷組，對照組植物在充足的P條件（+P）下同時生長。通過與+P組生理指標和表型比較，發現-P組植物的生長受到損害，出現葉片、根和根瘤的鮮重和干重（DWs）較低，根瘤側根數量更多，根瘤數量更少且更小等性狀，表明缺磷組構建成功。
為了深入了解缺磷與磷充足情況下膜脂組成的變化，使用ESI–MS進行脂質分析，以確定葉、根和根瘤的極性膜脂組成，包括磷脂（PLs）和半乳糖脂（GLs）。結果發現與葉相比，+P與–P組在根中膜組成方面存在著顯著差異，且根瘤具有與根相似的膜甘油脂分布，其中PLs最豐富。在+P和–P條件下的葉片中，GLs（MGDG和DGDG）分別占測得的總膜脂的75%、90%，而PLs僅分別占25%、10%。在+P和–P根中PL種類分別占總甘油脂的92%、68%，GLs（MGDG和DGDG）僅分別占7.39%、32.30%。在+P和–P根瘤中，PC種類均是最豐富的膜脂類，分別占49.10%、31.20%，GLs（MGDG和DGDG）分別占總甘油脂組成的7.72%、41.70%（圖1）。
圖1 葉，根和根瘤的總脂質組成（mol%）
2. MALDI–MSI顯示PC種類在M. truncatula根瘤中分布不均勻
MALDI–MSI可繪制生物切片中的代謝物空間分布信息，原理如圖2。作者首先使用MALDI–MSI評估了+P組根瘤中的PC種類分布情況。結果表明，與其他種類相比，PC 34:1、36:2、36:5和38:5在根瘤中更為豐富。后續調整了每個MALDI–MS圖像中的比例，并創建了一個相對分布圖，從而可以顯示+P組根瘤中PC種類分布的顯著差異。如，PC 34:2和36:5在附著于根瘤的根組織中有較高的分布，而PC 36:5在根瘤的中心部位有相當高的分布（圖3A和3B）。
3.不同根瘤PC種類在磷脅迫下表現出不同的空間變化
進一步通過MALDI–MSI測定–P組根瘤中PC種類分布的變化。結果表明多數PC種類在–P組根瘤中豐度下降，如PC34:2、36:2、36:5和38:5種類豐度較低。且許多PC種類在磷脅迫下改變了分布，如+P 條件下PC 34:1和36:4在根瘤周圍組織的豐度較高，而–P組根瘤中PC 34:1豐度較低，PC 36:4在–P組根瘤中部豐度較高。（圖3）
圖2 示意圖顯示了MALDI-MSI方法
圖3 M. truncatula 根瘤中PC物質的MALDI–MSI
A、C：+P條件下調整前、調整后的圖像；B、D：-P條件下調整前、調整后的圖像；紅色、綠色分別表示高、低豐度。
4.根瘤中PC種類分布差異的驗證
作者將+P和–P條件下生長的植物根瘤解剖為遠端、中心和近端區，分別提取脂質，使用ESI–MS測定PC種類組成，比較和驗證MALDI–MSI觀察到的空間分布差異。結果表明ESI–MS和MALDI–MS兩者之間存在合理的一致性，如PC 34:3在+ P組所有根瘤區均有同樣豐富的表達。在-P組根瘤中，ESI- MS和MALDI分析均發現，遠端與中心區域、遠端與近端區域在統計學上具有相似的顯著差異。PC 36:2，ESI–MS分析顯示，在所有三個根瘤區域，該PL的濃度相對一致。相比之下，MALDI結果顯示，當比較根瘤的遠端到中心和遠端到近端區域時，+P組在統計學上存在顯著差異（圖4）。
圖4 根瘤不同解剖部位PC種類的ESI–MS和MALDI–MSI結果比較
小編小結
本文利用脂質組和質譜成像技術重點研究缺磷條件下的植物膜脂穩態。結果表明，在不同的根瘤區和細胞類型中，特定的PC種類可能具有不同的重要性，并且在磷脅迫下，膜脂重塑在根瘤中并不均勻。
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