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文章標題：Proteomic analysis of the faba bean-wheat intercropping system in controlling the occurrence of faba bean fusarium wilt due to stress caused by Fusarium oxysporum f. sp.fabae and benzoic acid

發(fā)表期刊：BMC Plant Biology

影響因子：5.3

客戶單位：云南農(nóng)業(yè)大學(xué)

百趣生物提供服務(wù)：Label free定量蛋白質(zhì)組學(xué)

蠶豆(Vicia faba L.)是中國西南地區(qū)最重要的豆科作物之一。但長期單作，會導(dǎo)致蠶豆枯萎病發(fā)病率升高，產(chǎn)量和品質(zhì)下降。已有研究表明，蠶豆與小麥間作可有效緩解蠶豆的自毒作用，抑制蠶豆枯萎病的發(fā)生。本研究假設(shè)苯甲酸是促進蠶豆枯萎的一種重要自毒物質(zhì)，旨在通過Label free定量蛋白質(zhì)組學(xué)檢測與分析，研究蠶豆枯萎病發(fā)生過程中尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum f. sp. Fabae, FOF)和苯甲酸(benzoic acid)的作用，揭示蠶豆與小麥間作減輕枯萎病發(fā)生的潛在機制。

1、FOF和苯甲酸脅迫間作對蠶豆幼苗生長的影響

作者采用蠶豆單作（M組）和蠶豆小麥間作（I組）兩種種植模式，分別在FOF單一脅迫（M+F組、I+F組）、FOF和苯甲酸復(fù)合脅迫（M+F+B組、I+F+B組）下進行水培實驗。結(jié)果顯示，與M組相比，M+F組蠶豆的各項生長指標（株高、單株葉數(shù)、主根長度和根干重）均受到抑制。在進一步添加苯甲酸(M+F+B組)后，這種抑制效果更為顯著。與單作組（M組、M+F組、M+F+B組）相比，間作處理（I組、I+F組、I+F+B組）的株高、單株葉數(shù)、主根長度和根干重均顯著增加，增幅范圍為11.51%-35%（圖1）。

圖1  苯甲酸脅迫下間作對蠶豆幼苗生長的影響

2、單作和間作模式下FOF和苯甲酸脅迫下蠶豆根的蛋白質(zhì)組學(xué)分析

在外源添加苯甲酸和接種FOF的條件下研究了單作（M組）和間作（I組）蠶豆根系蛋白質(zhì)表達譜的差異。與M組相比，M+F處理組中共鑒定出22個差異表達蛋白，且均表達上調(diào)。相較于M+F處理組，M+F+B組共鑒定到16種差異表達蛋白，其中11種表達上調(diào)，5種表達下調(diào)。與M+F+B處理組相比，I+F+B組共鑒定出13個差異表達蛋白，其中4個表達上調(diào)，9個表達下調(diào)。此外，與M+F組相比，I+F組中共鑒定出22個差異表達蛋白，包括15種上調(diào)和7種下調(diào)表達蛋白（圖2）。

圖2  單作和間作模式下FOF和苯甲酸脅迫下蠶豆根部差異表達火山圖

3、通過COG功能注釋分析對蠶豆根部差異表達蛋白進行分類

通過COG功能注釋分析對蠶豆根部差異表達蛋白進行分類。與M組相比，M+F組中鑒定出的差異蛋白在碳水化合物轉(zhuǎn)運與代謝、核糖體結(jié)構(gòu)與生物合成、能量代謝、氨基酸轉(zhuǎn)運與代謝、核苷酸轉(zhuǎn)運等方面富集。與M+F組相比，M+F+B組中的差異蛋白在分子功能方面富集于碳水化合物轉(zhuǎn)運和代謝、能量代謝、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化、翻譯和功能預(yù)測等。相較于M+F+B組，I+F+B組中富集的差異蛋白涉及碳水化合物轉(zhuǎn)運和代謝、核糖體結(jié)構(gòu)和生物發(fā)生、能量代謝、脂質(zhì)轉(zhuǎn)運和翻譯、代謝等。與M+F組相比，I+F組中富集的差異蛋白在碳水化合物轉(zhuǎn)運和代謝、核糖體結(jié)構(gòu)和生物發(fā)生、能量代謝、氨基酸轉(zhuǎn)運和代謝、核苷酸轉(zhuǎn)運和代謝、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)等分子功能方面發(fā)揮作用（圖3）。

圖3  單、間作FOF和肉桂酸脅迫下蠶豆根系差異表達蛋白COG分析

4、蠶豆根差異表達蛋白的GO功能富集分析

對差異蛋白進行細胞成分分析顯示，差異蛋白質(zhì)中，主要有細胞質(zhì)成分、細胞核成分，上調(diào)蛋白富集于蛋白酶體核心復(fù)合物、胞外區(qū)、核糖體、線粒體和膜成分，下調(diào)蛋白富集于核小體、核糖體、膜成分和細胞質(zhì)。對差異蛋白進行分子功能分析表明，富集的上調(diào)蛋白涉及丙酮酸羧化酶活性、內(nèi)肽酶活性、GTPase活性、鈣結(jié)合、β呋喃糖苷酶活性、核糖體結(jié)構(gòu)組成、激酶活性和細胞色素c氧化酶活性等途徑，而富集的下調(diào)蛋白涉及DNA結(jié)合、氧化還原酶活性、金屬離子結(jié)合、核酸結(jié)合、血紅素結(jié)合和鐵離子結(jié)合等途徑。

5、蠶豆根差異表達蛋白的KEGG富集分析

基于差異表達蛋白進行KEGG富集分析。結(jié)果顯示，M+F處理組中富集的差異蛋白主要涉及氧化磷酸化、代謝途徑、核糖體合成和RNA轉(zhuǎn)運4條途徑。與M+F組相比，M+F+B組差異蛋白主要富集于代謝通路、碳代謝、氨基酸生物合成、丙酮酸代謝。與M+F+B組相比，I+F+B組差異表達蛋白富集于代謝富集途徑、次生代謝物的生物合成、氨基酸的生物合成和RNA降解。與M+F組相比，I+F組差異表達在蛋白酶體和苯丙烷生物合成通路富集（圖4）。

圖4  FOF和苯甲酸脅迫下蠶豆根部差異蛋白途徑的富集

6、蠶豆根中差異表達蛋白的相互作用

基于差異表達蛋白進行相互網(wǎng)絡(luò)分析。M+F+B與M+F組相比，有3個蛋白相互作用節(jié)點，(a) G7L7H0 和 G7KVS0、(b) G7JEN5 和 A0A072UAH3、 (c) G7JEN5 和 G7KVS0。涉及的蛋白質(zhì)有蘋果酸酶、轉(zhuǎn)酮醇酶、酮戊二酸脫氫酶和3,4-二羥基-2-丁酮激酶，其功能主要在于分子功能和維持細胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)。（圖5）

圖5  蠶豆根部差異表達蛋白之間的相互作用

本研究分析了蠶豆與尖孢鐮刀菌相互作用過程中蛋白質(zhì)表達的變化，結(jié)果表明，接種FOF后，蠶豆的生長受到顯著抑制，蠶豆通過上調(diào)參與氧化還原和細胞壁功能等蛋白質(zhì)，啟動對FOF脅迫的防御反應(yīng)。進一步添加苯甲酸后，細胞膜的穩(wěn)定性和蠶豆根系防御系統(tǒng)被破壞，蠶豆通過上調(diào)與防御、氧化還原和能量相關(guān)的蛋白質(zhì)來應(yīng)對FOF和苯甲酸的雙重應(yīng)激。而蠶豆與小麥間作促進了乙烯和茉莉酸的合成，提高了蠶豆植株的抗逆性，有效緩解了FOF和苯甲酸的脅迫。通過上調(diào)次生代謝物的生物合成、光合作用的碳固定和其他相關(guān)蛋白質(zhì)來抑制蠶豆枯萎病的發(fā)生。通過探討蠶豆與小麥間作控制蠶豆枯萎病發(fā)生的機制，為間作防治病害提供科學(xué)合理的理論支撐。