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多组学探讨自噬如何通过ATG8相关途径来影响玉米的细胞生理进程

玉米，作为一种深受广大人民群众喜爱的食物，出现在了全国大部地区的餐桌上，主食亦可、做菜亦可、零食亦可……简直就是居家旅行，必备食物。人们饿了吃玉米，玉米饿了吃什么呢？它真的会吃自己……

这不是个玩笑，在缺氮条件下，玉米会利用自噬来完成细胞质的回收再利用……近期发表于植物学顶级期刊《Nature Plants》（IF=11.471）的研究，利用多组学联合的方式，在多个维度上分析了玉米自噬与缺氮胁迫的联系。

和真菌、动物一样，玉米的自噬操作也是由一系列ATG相关蛋白来共同参与完成的。而这次的研究，需要谈论的是ATG8介导的自噬通路。ATG8是一个泛素样蛋白，在ATG12-ATG5-ATG16这个E3样酶的辅助下，与磷脂酰乙醇胺（PE）结合形成ATG8-PE复合体。ATG8-PE定位于自噬膜上，在自噬膜形成及与液泡的融合过程都扮演着十分重要的角色。

实验材料

为了探讨自噬如何通过ATG8相关途径来影响玉米的细胞生理进程，研究者选用了自噬受损的atg12突变体atg12-1（无效等位基因）、atg12-2（基因敲减）与野生型（W22）作为实验材料，在富氮、缺氮条件下进行培养。由于固氮效率和源-库系统有着紧密联系，研究团队选择了玉米幼苗的第二片叶和第四片叶分别作为取样对象。因此，这个研究从转录组、蛋白组、代谢组和离子组等多个层面对比分析野生型和atg12突变体在（+/- N）条件下的差异，从而探讨自噬对于细胞稳态的影响。

多组学研究中，往往会因为各个层面的结果较多，而在联合分析上出现困难，那么我们来看看这篇文章是如何来处理这些数据的吧~

1. 缺氮胁迫与自噬缺失带来的影响——材料的表型分析

在突变体材料获得以后，首先要做的事情，当然是讨论材料的表型差异，来证明自己选择的材料具有代表性啦~

首先，研究人员在富氮条件下培养了2周后，在缺氮条件下培养了1周，让玉米幼苗们经历了吃饱又挨饿的过程（呃……它们真的还是孩子啊……）。玉米幼苗在经历了大起大落以后，此时已处在了缺氮胁迫当中。此时，野生型玉米幼苗生长受到了明显的抑制，而且已经出现了黄萎病的前兆。蛋白组和转录组的GO分析结果显示，在缺氮条件下，氮代谢及其他响应缺氮胁迫的通路转录上调，而叶绿体组分的表达和积累被抑制。

那么突变体的表现如何呢？

首先，这两种atg12突变体不能或不能很好地积累ATG8-PE，并表现出自噬缺失表型，如阻碍自噬体形成、对缺氮高度敏感、从源到库的固氮能力较差等等。

果然，在没有缺氮的情况下，atg12-1和atg12-2植株的第二叶ATG8蛋白水平在没有氮胁迫的情况下显著升高。这说明atg12突变对于ATG8蛋白的周转产生了影响，也说明实验材料选择得很有针对性。而没有了自噬的约束，突变体的蛋白总量积累增加，这也说明了自噬对蛋白总量维持在正常水平具有十分重要的作用。

在经过富氮-缺氮的历程以后，它们和野生型的表型上出现了明显的差异：与野生型相比，atg12-2和atg12-1的幼苗，随着自噬缺失程度的增加，叶片黄变更明显，叶片伸长更慢，叶绿素积累越少，叶片衰老越快。

2. 自噬对于代谢有哪些影响？——非靶向代谢组学分析

既然表型出现了明显的变化，那么代谢水平是否发生改变，以及发生了哪种改变就很值得好好研究一下了。毕竟，代谢组是表型的灵魂画师嘛~~此时，研究团队对atg突变体和野生型进行了两种处理。+N：在富氮条件下培养三周，-N：在富氮条件下培养了2周后，在缺氮条件下培养了1周，然后再分别取第二片叶和第四片叶。此后，他们利用LC-MS进行的非靶向代谢组学分析，比对六组处理的叶片代谢水平。结果显示，第二和第四叶片中分别有218种和204种代谢产物的水平发生了显著的变化，而这两组差异代谢物有较高的重叠（约75%）。