Biomolecules：鞘脂组学和蛋白质组学揭示伏马菌素B1诱导棉花纤维延伸的变化

• 确定了FB1对棉花纤维伸长的影响

• 首个关于FB1处理对棉纤维、胚珠鞘脂和蛋白组学影响的报告

• 为棉纤维改良提供了目标代谢物和生物学途径

棉花是世界上主要的纤维作物，棉花纤维是种子表皮的单细胞线性延伸。细胞伸长对纤维细胞的生长发育和棉花纤维品质具有重要意义。然而，调节纤维伸长的分子机制仍不清楚。细胞膜对棉花纤维的生长发育起着重要的作用，鞘脂和固醇是细胞膜的重要组成部分，并且在调节膜流动性、通透性和膜结合蛋白活性中起重要作用。尽管植物固醇在纤维发育中起重要作用，但在这一过程中鞘脂的作用尚不清楚。

鞘脂广泛存在于真核生物和少数原核细胞膜中。它们不仅是细胞膜的主要结构成分，而且是重要的生物活性分子，参与多种信号转导途径。鞘脂合成抑制剂，如伏马菌素B1（FB1）和PDMP，是了解鞘脂功能的重要途径。FB1是串珠镰刀菌（Fusarium moniliforme）产生的一种水溶性代谢产物，其结构与鞘氨醇（Sph）非常相似。作为神经酰胺合成酶途径的特异性抑制剂，FB1对鞘脂合成的影响及其应用已被广泛研究。

棉花胚珠体外培养系统可以在受控条件下研究纤维发育。研究人员首先利用该系统研究了FB1条件下鞘脂在棉花纤维发育中的作用。在扫描电镜（SEM）下观察发现，FB1（与对照相比）严重阻碍了棉花纤维的伸长，表明鞘脂生物合成的抑制阻碍了纤维细胞的伸长，提示鞘脂可能在这一过程中起重要作用。

鞘脂合成抑制剂FB1阻止棉花纤维的伸长

FB1通过破坏鞘脂代谢来阻止纤维细胞伸长。但是，由于鞘脂的生物合成途径很复杂，并且在植物中可以找到数千种独特的鞘脂结构，为了了解哪些鞘脂对棉花纤维发育很重要，研究人员接着通过液相色谱串联质谱法（LC-MS / MS）对它们进行了分析。结果共检测到95种被FB1处理改变的鞘脂。其中29种（主要是简单的鞘脂）显著增加，而33种（主要是复杂的鞘脂）显著减少。表明FB1破坏了棉花纤维和胚珠中鞘脂的稳态，FB1处理后不同于对照组样品的鞘脂可能在棉花纤维发育中起重要作用。

对照组和FB1样品中鞘脂含量的变化

随后，研究人员使用具有串联质谱标签（TMT）标记和LC-MS / MS的集成定量方法对全部蛋白质组进行定量分析，FB1与对照的定量比值高于1.5被认为是上调，而小于1 / 1.5被认为是下调。结果表明，在FB1处理后，有633种蛋白上调，672种蛋白下调。对大多数差异表达蛋白（DEPs）的GO富集分析（包括分子功能，细胞成分和生物学过程）如下图，而DEPs的亚细胞定位显示，细胞核和线粒体中下调蛋白的百分比高于上调蛋白的百分比，而位于叶绿体、细胞质、胞外区和液泡膜中的上调蛋白百分比高于下调蛋白。

对照和FB1样品中DEPs的GO富集分析和亚细胞定位图

为了进一步了解FB1处理后棉花纤维和胚珠中的DEPs，研究人员最后进行了功能富集分析（包括KEGG途径和蛋白质结构域）。发现大多数DEPs参与了与苯丙烷和类黄酮生物合成有关的过程。另外，还发现多达20种过氧化物酶（POD）被上调，并且该抑制剂还增加了POD活性。

FB1处理的棉花纤维和胚珠的KEGG富集分析及对照

综上所述，该研究利用鞘脂组学和定量蛋白质组学提供了在FB1作用下棉花纤维的综合代谢特征。在众多已鉴定的鞘脂种类中，大多数在棉花纤维和胚珠中被FB1处理而发生改变。KEGG分析表明，与苯丙烷生物合成途径相关的蛋白质显著上调，而FB1则增加了POD活性。总之，该研究结果揭示了与棉花纤维伸长有关的关键鞘脂和途径。