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北京市农林科学院首次发现玉米中存在乳酸化修饰及其干旱胁迫响应功能
类型：科技成果
发布时间：2023-07-15
来源：北京市农林科学院
在动物中，乳酸是糖代谢的副产物，最近在Nature等发表的一系列重要突破性论文发现乳酸可作为能量货币和重要的信号分子来调节细胞功能、生理和免疫反应以及疾病进程，此外还可以通过组蛋白乳酸化修饰 (Kla) 发挥在免疫中的生理调节作用以及在转录调控中的非代谢功能。然而，植物组织中是否存在具有生物活性的乳酸未有定论，甚至在中学教科书中一度写入植物糖酵解主要产生酒精，而哺乳动物糖酵解产生乳酸。因而玉米中是否存在乳酸以及其功能尚未见报道，以及如果植物中存在乳酸，其通过参与翻译后修饰而具有的调节功能更是无人问津。
近日，我院玉米研究所在国际顶级期刊Science China Life Sciences（IF=10.384/Q1）上在线发表了题为 Trash to treasure: Lactate forbid protein lactylation in maize root impacts response to drought的研究论文，该工作突破性地发现了玉米中存在乳酸和乳酸化修饰现象，且在根中响应了干旱胁迫。这项研究开拓了植物中乳酸和乳酸化修饰的新领域，为深入理解翻译后修饰在植物根系干旱抵抗作用中的分子机制提供了重要线索。
该研究中确认了干旱条件下乳酸在玉米根中的持续存在和积累，同时乳酸修饰组分析显示，Kla修饰普遍存在于玉米根中，但在干旱敏感（B73）与耐旱（京2416）自交系中显示出明显差异，特别是京2416中脂肪酸降解通路中所有相关酶的乳酸化在干旱处理下都发生了显著降低。
同时，在玉米基因组的16个组蛋白上发现了37个Kla位点，ChIP-Seq分析揭示玉米全基因组约有28-48K的组蛋白乳酸化修饰位点，而不同于其他的酰化修饰，约90%的乳酸化修饰都存在于基因间区，只有6%存在基因区。两个自交系间组蛋白Kla在干旱条件下具有明显差异：在干旱胁迫期间检测到的具有差异组蛋白Kla的基因中，只有2.7%是两个自交系共有的，表明非生物胁迫在不同玉米种质中触发的表观遗传活性有所差异。动物中已知的乳酸化抑制剂对玉米的乳酸化均未产生影响，而外源施加生长调节剂亚精胺不仅提高了B73的耐旱性能，同时显著改变了乳酸、乳酸化和组蛋白Kla修饰的水平。该研究将基于Kla的生物化学和表观遗传学调控的已知领域从动物免疫扩展到植物逆境生理，为深入了解“最著名的代谢废物”乳酸在植物中的生理、生化和遗传功能奠定了基础，并为阐明我单位自主选育的骨干自交系京2416耐干旱的优良特性提供了理论依据。
玉米研究所石子副研究员、周秒依助理研究员和宋伟研究员为本文的共同第一作者，任雯副研究员和赵久然研究员为通讯作者，刘亚研究员、王元东研究员、王荣焕研究员和张如养副研究员参与了该工作。本研究得到了北京学者、北京市科技新星计划、高层次回国人才回国资助以及科技兴蒙项目的支持。
