(資料圖片)

【SCLS】突破！北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究所任雯/趙久然團隊首次發(fā)現(xiàn)玉米中乳酸和乳酸化修飾的存在及其對干旱的響應(yīng)作用

在動物中，乳酸是糖代謝的副產(chǎn)物，最近在Nature等發(fā)表的一系列重要突破性論文發(fā)現(xiàn)乳酸可作為能量貨幣和重要的信號分子來調(diào)節(jié)細胞功能、生理和免疫反應(yīng)以及疾病進程，此外還可以通過組蛋白乳酸化修飾(Kla) 發(fā)揮在免疫中的生理調(diào)節(jié)作用以及在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的非代謝功能。然而，植物組織中是否存在具有生物活性的乳酸未有定論，甚至在中學(xué)教科書中一度寫入植物糖酵解主要產(chǎn)生酒精，而哺乳動物糖酵解產(chǎn)生乳酸。因而玉米中是否存在乳酸以及其功能尚未見報道，以及如果植物中存在乳酸，其通過參與翻譯后修飾而具有的調(diào)節(jié)功能更是無人問津。

近日，北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究所任雯副研究員、首席科學(xué)家趙久然研究員團隊在Science China Life Sciences雜志上發(fā)表了題為“Trash to treasure: Lactate and protein lactylation in maize root impacts response to drought”的研究論文，該工作突破性地發(fā)現(xiàn)了玉米中存在乳酸和乳酸化修飾現(xiàn)象，且在根中響應(yīng)了干旱脅迫。這項研究為植物中乳酸和乳酸化修飾的研究拓寬了領(lǐng)域，為深入理解翻譯后修飾在植物根系干旱抵抗作用中的分子機制提供了重要線索。

該研究中確認了干旱條件下乳酸在玉米根中的持續(xù)存在和積累，同時乳酸修飾組分析顯示，Kla修飾普遍存在于玉米根中，但在干旱敏感（B73）與耐旱（京2416）自交系中顯示出明顯差異，特別是京2416中脂肪酸降解通路中所有相關(guān)酶的乳酸化在干旱處理下都發(fā)生了顯著降低。同時，在玉米基因組的16個組蛋白上發(fā)現(xiàn)了37個Kla位點，ChIP-Seq分析揭示玉米全基因組約有28-48K的組蛋白乳酸化修飾位點，而不同于其他的酰化修飾，約90%的乳酸化修飾都存在于基因間區(qū)，只有6%存在基因區(qū)。兩個自交系間組蛋白Kla在干旱條件下具有明顯差異：在干旱脅迫期間檢測到的具有差異組蛋白Kla的基因中，只有2.7%是兩個自交系共有的，表明非生物脅迫在不同玉米種質(zhì)中觸發(fā)的表觀遺傳活性有所差異。動物中已知的乳酸化抑制劑對玉米的乳酸化均未產(chǎn)生影響，而外源施加生長調(diào)節(jié)劑亞精胺不僅提高了B73的耐旱性能，同時顯著改變了乳酸、乳酸化和組蛋白Kla修飾的水平。

干旱條件下玉米根中乳酸化修飾的鑒定和功能分析

該研究將基于Kla的生物化學(xué)和表觀遺傳學(xué)調(diào)控的已知領(lǐng)域從動物免疫擴展到植物逆境生理，為深入了解 “最著名的代謝廢物”乳酸在植物中的生理、生化和遺傳功能奠定了基礎(chǔ)。

北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究所石子副研究員、周秒依助理研究員和宋偉研究員為該文的共同第一作者，任雯副研究員和趙久然研究員為通訊作者，劉亞研究員、王元東研究員、王榮煥研究員和張如養(yǎng)副研究員參與了該工作。該研究得到了北京學(xué)者、北京市科技新星計劃、高層次回國人才回國資助以及科技興蒙項目的支持。