空间代谢组学揭示地钱丝氨酸生物合成在精子发生中的关键作用

《Plant Signaling & Behavior》：Spatial metabolomics as a new avenue in plant developmental biology: insights into serine biosynthesis during spermatogenesis in Marchantia polymorpha

本研究通过空间代谢组学技术，揭示了地钱（Marchantia polymorpha）3-磷酸甘油酸脱氢酶（PGDH）缺失突变体中丝氨酸生物合成的时空特异性调控机制。研究发现传统全器官代谢组学分析无法检测的局部代谢变化，证明磷酸化丝氨酸生物合成途径（PPSB）在精子发生过程中的关键作用，为植物发育代谢组学（plant developmental metabolomics）研究提供了新范式。

　　

引言

植物发育是一个复杂的过程，由基因调控网络主导，而代谢物通过调节基因表达和细胞过程在这一过程中发挥着关键作用。尽管代谢物在植物发育中的功能重要性日益受到重视，但其精确的时空积累模式与机制功能的联系仍不清楚。本研究在植物发育代谢组学框架下，强调需要对特定发育过程进行高分辨率分析。

材料与方法

实验采用地钱雄性野生型品系Takaragaike-1（Tak-1）和先前表征的Mp^pgdh突变体。植物在含有1%琼脂的半强度Gamborg's B5培养基上培养，通过组织学切片和气相色谱-串联四极杆质谱（GC-QqQ-MS/MS）进行空间代谢组学分析。样品制备包括冷冻干燥组织粉末的甲醇提取和三甲基硅烷（TMS）衍生化。

结果

空间代谢组学分析揭示了花托中存在的代谢梯度，与发育梯度相对应。主成分分析（PCA）显示，中央与周边区域的代谢谱存在显著差异，PC1轴对应发育进程，而基因型间差异沿PC2轴呈现。在Mp^pgdh突变体的周边区域，丝氨酸和去甲肾上腺素特异性显著降低，降幅超过两倍。值得注意的是，尽管存在两种替代途径，但中央区域无法补偿周边区域的丝氨酸缺陷，表明丝氨酸水平以细胞自主方式调控。

讨论

研究结果表明，磷酸化丝氨酸生物合成途径（PPSB）可能在周边区域发挥功能，支持正常的精子发育。丝氨酸缺乏可能局部破坏这些蛋白质正常功能所需的代谢环境。去甲肾上腺素的减少可能与丝氨酸衍生的一碳和氧化还原代谢受损有关。研究强调了整合质谱成像（MSI）和激光显微切割（LMD）等先进技术，实现细胞分辨率空间代谢组学分析的重要性，为解码植物形态发生的化学基础开辟新途径。