近日，吉林大学杨振明和尤江峰教授团队在在环境领域著名学术期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Comparative quantitative phosphoproteomic and parallel reaction monitoring analysis of soybean roots under aluminum stress identify candidate phosphoproteins involved in aluminum resistance capacity”的研究成果。该研究利用磷酸化修饰组学技术结合PRM靶向磷酸化修饰组，阐明了参与铝抗性反应的蛋白质磷酸化事件，揭示了铝胁迫下大豆根尖中的候选磷酸化蛋白，这为大豆抗铝机制中磷酸化修饰提供了强有力的证据，有助于全面了解大豆抗铝机制中磷酸化修饰过程。
酸性土壤（pH<5.5）约占陆地面积的30%，占全球潜在耕地面积的50%以上。铝毒是酸性土壤中农业生产的主要限制因子，严重影响了作物产量和品质。目前，已发现多个抗铝相关基因参与了从Al3+信号受体到下游Al3+解毒的过程。然而，人们对这些抗铝基因及其抗铝机制仍需进一步探索。
蛋白质作为生命活动的承担者，蛋白质组学和修饰组学研究在基因及其功能的解析中发挥至关重要的作用。研究发现蛋白质磷酸化在拟南芥等植物抗铝中发挥重要作用。探究植物根系在铝胁迫下的蛋白磷酸化修饰可为了解铝抗性基因和全面阐明铝抗性调控网络提供基础。
研究团队首先使用经30 µM AlCl3 处理0、4和24小时的JY70大豆根尖进行了比较磷酸化蛋白质组学分析。我们在根尖的3368个磷酸化蛋白中发现了6529个磷酸化位点。皮尔森相关系数表明，各处理组内的重复性较好。与对照组相比，经4小时处理（S4/S0组）的523个磷酸化蛋白中的修饰位点减少了632个，115个磷酸化蛋白中的修饰位点增加了137个。24小时处理组（S24/S0 组）在550个蛋白质中减少了668个修饰位点，在136个蛋白质中增加了164个修饰位点。总体而言，在4小时或24小时的铝胁迫根尖中，磷酸化程度降低的磷酸化蛋白数量显著多于修饰程度升高的。
基于GO分析与聚类分析相结合，探究了大豆根尖在铝处理24小时后的磷酸化修饰的动态变化。我们发现了六种动态模式，富集到1130个磷酸化蛋白。所有模式都与代谢过程有关，表明其在整个磷酸化蛋白质组学中占主导地位。处理 4 小时后观察到的富集事件代表了早期蛋白质磷酸化反应，包括各种转运、受体介导信号通路、核苷代谢过程等，24 小时的Al处理诱导了晚期蛋白质磷酸化反应，主要包括多糖代谢过程、细胞壁组织或生物发生、RNA 和蛋白质代谢调控。
考虑到差异表达磷酸化蛋白的高富集性和动态集群分布，分别从“植物激素信号转导”、“底物转运”、“RNA调控”和“蛋白质代谢”信号途径中筛选出26个磷酸化蛋白。这26个磷酸蛋白均再次在PRM靶向磷酸化修饰组中检测到。为了探究这些候选蛋白抗铝胁迫的能力，将编码蛋白的基因过表达在大豆毛根中。铝处理4小时后，与野生型大豆毛根相比，过表达大豆根尖中铝含量和胼胝质浓度降低，苏木精染色变浅，表明具有更高的铝抗性。尤其是GmCIPK23、GmPIP2-2和GmGATA8过表达毛细根的胼胝质浓度几乎降至WT的一半。因此，这15个基因有可能成为大豆育种过程中提高抗铝能力的关键候选基因。
综上所述，我们使用磷酸蛋白质组学和PRM靶向磷酸化修饰组鉴定了与铝诱导的大豆生理变化和铝抗性机制相关的铝反应性磷酸蛋白。通过大豆毛状根转化方法，观察到几个已鉴定的铝响应磷酸化蛋白，包括激素转运蛋白、转录因子、蛋白激酶和离子转运蛋白等，可能与大豆的抗铝性有关。为研究大豆中的铝抗性途径和新的铝抗性基因提供有价值的见解。
