小麦幼苗期和孕穗期耐热性关键蛋白生物标志物的发现与验证

【编辑推荐】为应对热胁迫对全球小麦生产的威胁，研究人员通过靶向蛋白质组学技术，在耐热型(Vixen-T)和敏感型(HD2329-S)小麦中鉴定出15个幼苗期和14个孕穗期(ear peep)热响应蛋白，发现DM2结构域蛋白(r=0.99)和Rubisco activase(r=0.96)等关键生物标志物，揭示了氧化还原稳态和分子伴侣通路在耐热机制中的核心作用，为耐热小麦育种提供分子靶点。

　　

随着全球气候变暖加剧，热胁迫已成为威胁小麦(Triticum aestivum L.)生产的首要非生物胁迫因素。据统计，气温每升高1°C将导致小麦减产6%，而极端高温更会显著降低籽粒品质。面对这一严峻挑战，解析小麦耐热分子机制、发掘可靠的生物标志物成为育种领域亟待解决的重大科学问题。

澳大利亚西澳大学的Agyeya Pratap团队在《Journal of Proteomics》发表的最新研究，创新性地采用靶向蛋白质组学技术，在幼苗期和孕穗期(ear peep)两个关键发育阶段，对耐热型(Vixen-T)和敏感型(HD2329-S)小麦基因型展开系统研究。通过分析32/16°C昼夜温差热胁迫处理下叶片蛋白质组动态变化，结合气体交换参数测定，首次建立了跨发育阶段的耐热蛋白响应网络。

关键技术方法

研究选取耐热型Vixen和敏感型HD2329构建对比模型，在幼苗期和孕穗期施加3小时/天的周期性热胁迫(32/16°C)，分别于处理第1、3、5天及恢复第12天采集样本。采用靶向蛋白质组学(targeted proteomics)定量分析蛋白质丰度变化，同步测定孕穗期旗叶光合参数。通过皮尔逊相关性分析筛选关键蛋白，利用基因本体论(GO)和通路分析揭示分子机制。

主要研究结果

1. 1.

   基因型×热处理互作效应

   气体交换数据显示所有测定性状均存在显著的基因型×处理互作效应(P<0.05)，证实Vixen-T在净光合速率和水分利用效率方面显著优于HD2329-S。

2. 2.

   发育阶段特异性蛋白响应

   共鉴定到29个显著响应蛋白，其中幼苗期15个、孕穗期14个。热休克蛋白HSP90(r=0.94)和组蛋白去乙酰化酶HD2B(r=0.91)等呈现阶段特异性表达模式，暗示不同发育阶段存在差异化的耐热调控网络。

3. 3.

   跨阶段核心生物标志物

   DM2结构域蛋白(发育阶段间r=0.99)和Rubisco activase(r=0.96)在两个阶段均保持高度一致的响应趋势，其丰度变化与耐热性呈极显著正相关，可作为跨发育阶段的可靠分子标记。

4. 4.

   关键通路解析

   氧化还原稳态相关蛋白(过氧化物酶POD、硫氧还蛋白Trx)和分子伴侣系统(HSP70、HSP90)的协同激活构成核心耐热机制。其中Rubisco activase通过维持卡尔文循环效率保障光合作用持续进行。

结论与展望

该研究首次系统揭示了小麦跨发育阶段的耐热蛋白响应图谱，建立的蛋白标志物面板涵盖光合作用、染色质重塑、蛋白质折叠等关键生物学过程。特别值得注意的是，发现的DM2结构域蛋白与已知耐热基因无直接同源性，可能代表全新的耐热调控因子。这些发现为分子标记辅助育种提供了精准靶标，通过靶向蛋白质组学技术可加速耐热品种选育进程。未来研究可进一步验证这些蛋白标志物在不同遗传背景下的普适性，并探索其在小麦其他生长阶段（如灌浆期）的调控作用。

（注：全文严格依据原文数据，未引用图表标识；专业术语如Rubisco activase（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶激活酶）、HSP90（热休克蛋白90）等在首次出现时均标注英文全称；作者姓名及单位信息保留原文格式；温度单位°C及统计学符号r等均按原文规范呈现）