缺磷是影響全球豆類生長和生產(chǎn)力的限制因素之一。結(jié)瘤和固氮的豆科植物對磷的需求高于以礦物氮為原料的豆科植物，固氮豆科植物高磷需求的過程包括固氮酶在高水平上發(fā)揮功能所需的高能量、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)/酶調(diào)節(jié)等。
2021年1月，北德克薩斯大學(xué)的Dhiraj Dokwal團(tuán)隊(duì)在Plant Physiology (IF 8.34)發(fā)表了題為“Phosphorus deprivation affects composition and spatial distribution of membrane lipids in legume nodules”的研究文章。該文章利用電噴霧電離-質(zhì)譜技術(shù)（ESI–MS）和基質(zhì)輔助激光解吸/電離質(zhì)譜成像技術(shù)（MALDI–MSI）研究了缺磷對豆科蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)植株根瘤膜脂組成和空間分布的影響，研究結(jié)果提供了根瘤發(fā)育和缺磷期間磷脂酰膽堿（PC）分布和重塑的見解。
研究材料
技術(shù)路線
· 步驟1：生理表型研究確認(rèn)成功誘導(dǎo)缺磷組；
· 步驟2：脂質(zhì)組學(xué)研究葉片、根和根瘤中膜脂質(zhì)成分，發(fā)現(xiàn)有明顯區(qū)別；
· 步驟3：MALDI–MSI研究不同根瘤中PC種類的空間分布信息，表現(xiàn)出不同的空間變化；
· 步驟4：結(jié)合ESI–MS進(jìn)一步驗(yàn)證根瘤中PC分布差異。
研究結(jié)果
1. 缺磷對M. truncatula葉片、根和根瘤中膜脂質(zhì)成分有不同的影響
作者首先在氣培室中種植植物以控制生長培養(yǎng)基條件，誘導(dǎo)缺磷組，對照組植物在充足的P條件（+P）下同時(shí)生長。通過與+P組生理指標(biāo)和表型比較，發(fā)現(xiàn)-P組植物的生長受到損害，出現(xiàn)葉片、根和根瘤的鮮重和干重（DWs）較低，根瘤側(cè)根數(shù)量更多，根瘤數(shù)量更少且更小等性狀，表明缺磷組構(gòu)建成功。
為了深入了解缺磷與磷充足情況下膜脂組成的變化，使用ESI–MS進(jìn)行脂質(zhì)分析，以確定葉、根和根瘤的極性膜脂組成，包括磷脂（PLs）和半乳糖脂（GLs）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與葉相比，+P與–P組在根中膜組成方面存在著顯著差異，且根瘤具有與根相似的膜甘油脂分布，其中PLs最豐富。在+P和–P條件下的葉片中，GLs（MGDG和DGDG）分別占測得的總膜脂的75%、90%，而PLs僅分別占25%、10%。在+P和–P根中PL種類分別占總甘油脂的92%、68%，GLs（MGDG和DGDG）僅分別占7.39%、32.30%。在+P和–P根瘤中，PC種類均是最豐富的膜脂類，分別占49.10%、31.20%，GLs（MGDG和DGDG）分別占總甘油脂組成的7.72%、41.70%（圖1）。
圖1 葉，根和根瘤的總脂質(zhì)組成（mol%）
2. MALDI–MSI顯示PC種類在M. truncatula根瘤中分布不均勻
MALDI–MSI可繪制生物切片中的代謝物空間分布信息，原理如圖2。作者首先使用MALDI–MSI評估了+P組根瘤中的PC種類分布情況。結(jié)果表明，與其他種類相比，PC 34:1、36:2、36:5和38:5在根瘤中更為豐富。后續(xù)調(diào)整了每個(gè)MALDI–MS圖像中的比例，并創(chuàng)建了一個(gè)相對分布圖，從而可以顯示+P組根瘤中PC種類分布的顯著差異。如，PC 34:2和36:5在附著于根瘤的根組織中有較高的分布，而PC 36:5在根瘤的中心部位有相當(dāng)高的分布（圖3A和3B）。
3.不同根瘤PC種類在磷脅迫下表現(xiàn)出不同的空間變化
進(jìn)一步通過MALDI–MSI測定–P組根瘤中PC種類分布的變化。結(jié)果表明多數(shù)PC種類在–P組根瘤中豐度下降，如PC34:2、36:2、36:5和38:5種類豐度較低。且許多PC種類在磷脅迫下改變了分布，如+P 條件下PC 34:1和36:4在根瘤周圍組織的豐度較高，而–P組根瘤中PC 34:1豐度較低，PC 36:4在–P組根瘤中部豐度較高。（圖3）
圖2 示意圖顯示了MALDI-MSI方法
圖3 M. truncatula 根瘤中PC物質(zhì)的MALDI–MSI
A、C：+P條件下調(diào)整前、調(diào)整后的圖像；B、D：-P條件下調(diào)整前、調(diào)整后的圖像；紅色、綠色分別表示高、低豐度。
4.根瘤中PC種類分布差異的驗(yàn)證
作者將+P和–P條件下生長的植物根瘤解剖為遠(yuǎn)端、中心和近端區(qū)，分別提取脂質(zhì)，使用ESI–MS測定PC種類組成，比較和驗(yàn)證MALDI–MSI觀察到的空間分布差異。結(jié)果表明ESI–MS和MALDI–MS兩者之間存在合理的一致性，如PC 34:3在+ P組所有根瘤區(qū)均有同樣豐富的表達(dá)。在-P組根瘤中，ESI- MS和MALDI分析均發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)端與中心區(qū)域、遠(yuǎn)端與近端區(qū)域在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有相似的顯著差異。PC 36:2，ESI–MS分析顯示，在所有三個(gè)根瘤區(qū)域，該P(yáng)L的濃度相對一致。相比之下，MALDI結(jié)果顯示，當(dāng)比較根瘤的遠(yuǎn)端到中心和遠(yuǎn)端到近端區(qū)域時(shí)，+P組在統(tǒng)計(jì)學(xué)上存在顯著差異（圖4）。
圖4 根瘤不同解剖部位PC種類的ESI–MS和MALDI–MSI結(jié)果比較
小編小結(jié)
本文利用脂質(zhì)組和質(zhì)譜成像技術(shù)重點(diǎn)研究缺磷條件下的植物膜脂穩(wěn)態(tài)。結(jié)果表明，在不同的根瘤區(qū)和細(xì)胞類型中，特定的PC種類可能具有不同的重要性，并且在磷脅迫下，膜脂重塑在根瘤中并不均勻。
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