水稻品种依赖性硅积累与植硅体形成的比较蛋白质组学解析

《International Journal of Molecular Sciences》：Cultivar-Dependent Variation in Silicon Accumulation and Phytolith Formation Revealed by Comparative Proteomic Analysis in Rice

硅（Si）是水稻（Oryza sativa L.）生长、生产力及逆境适应性的关键决定因素。硅的积累及其以植硅体形式的沉积有助于提升植株表现与环境适应力。然而，尽管硅的生理功能及其吸收转运机制已被广泛研究，品种依赖性硅积累与植硅体形成背后的蛋白质组学基础仍知之甚少。本研究于开花期比较了三个水稻品种Chai Nat 1（CNT）、Khao Dawk Mali 105（KDML105）和RD51根系与地上部的硅浓度、植硅体含量及蛋白质组谱。RD51在地上部表现出最高的硅浓度与植硅体积累，而CNT在根系中积累的硅浓度最高。蛋白质组分析在根系和地上部分别鉴定到4086和4115个蛋白质组，揭示了品种特异性的蛋白质丰度差异。主成分分析与差异丰度分析表明，CNT与RD51之间的蛋白质组分化最大，尤以地上部为甚。功能富集分析显示，KDML105富集于转运与硫代谢相关过程，而RD51则富集于线粒体呼吸、能量产生及相关代谢通路。蛋白质–蛋白质相互作用（PPI）网络分析进一步揭示了硅转运蛋白与参与转运、信号传导及呼吸代谢的蛋白质之间的功能关联。总体而言，这些发现为水稻硅积累与植硅体形成的蛋白质组学机制提供了新见解。RD51所表现出的优越硅积累与植硅体产生能力，凸显其作为提升植硅体产量、改善硅利用效率及增强水稻气候韧性宝贵遗传资源的潜力。

**研究背景与问题**：水稻（Oryza sativa L.）是全球最重要的谷类作物之一，硅（Si）作为地壳中第二丰富的元素，在水稻中积累量可达地上部干重的10%。硅以单硅酸［Si(OH)₄］形式被吸收，经木质部装载转运至地上部并以无定形二氧化硅（植硅体）形式沉积，具有增强植株生长、光合效率、抗病虫害、抗倒伏及耐非生物胁迫等作用。水稻硅的吸收与分布由特化转运蛋白介导：Lsi1（Low Silicon 1）为NIP（nodulin 26-like intrinsic protein）家族成员，负责根系细胞硅内流；Lsi2为外排转运蛋白，介导向中柱的硅移动与木质部装载；Lsi6参与地上部维管组织硅卸载；Lsi3参与硅向叶片和生殖器官的再分配。尽管硅的生理功能及转运蛋白已被广泛研究，但品种依赖性硅积累与植硅体形成的分子机制，尤其在开花期与硅利用相关的品种特异性蛋白质信息仍十分有限。CNT、KDML105和RD51是具有不同农艺性状与遗传背景的水稻品种，但三者间硅积累、植硅体形成及相关蛋白质组谱的比较信息匮乏。因此，研究人员旨在：（i）比较开花期三个品种的硅浓度与植硅体积累；（ii）利用LC-MS/MS（liquid chromatography–tandem mass spectrometry）蛋白质组分析表征根与地上部的品种特异性蛋白质谱；（iii）鉴定与硅利用及植硅体形成潜在相关的生物学过程与候选蛋白质，为改善硅利用效率、逆境韧性与植硅体产量的育种提供依据。

**主要技术方法**：研究以三个水稻品种（CNT、KDML105、RD51）为材料，种子源自泰国Pathum Thani水稻研究中心，在温室水泥池中按随机完全区组设计（RCBD）栽培，开花期（种植后60天）取样，硅浓度与植硅体分析设3个生物学重复。硅浓度采用NaOH高压灭菌提取结合钼蓝比色法于650 nm测定；植硅体含量采用干灰化法（500 °C、8 h）结合酸处理与显微观察测定。蛋白质组分析采用SDS提取、胰蛋白酶溶液内消化，经Ultimate 3000纳升级液相色谱与ZenoTOF 7600质谱仪联用进行DDA（data-dependent acquisition）模式采集，MaxQuant 2.5.0.0结合Andromeda引擎检索UniProtKB水稻数据库（61,200条），FDR控制在1%；数据经MetaboAnalyst 6.0处理，采用limma moderated t检验筛选差异丰度蛋白（DAPs），并利用STRING v12.5进行GO富集与PPI网络分析，手工纳入Lsi1、Lsi2、Lsi3、Lsi6。

**研究结果**：

**开花期水稻品种的硅浓度与植硅体含量**：根系硅含量以CNT最高（0.891 ± 0.009% DW），其次为KDML105与RD51；地上部硅含量以RD51最高（1.100 ± 0.010% DW），其次为CNT与KDML105，各品种对间差异显著。根系植硅体含量为6.0–7.0% DW，品种间无显著差异；地上部植硅体含量以RD51最高（10.0 ± 0.17% DW），其次为KDML105与CNT。

**蛋白质聚类**：根系与地上部分别鉴定到4086与4115个蛋白质组。PCA显示根系中CNT与KDML105大量重叠，RD51沿PC1部分分离，PERMANOVA证实品种间差异显著，RD51与CNT、KDML105均显著不同；地上部品种分离更清晰，RD51形成独立聚类，CNT与RD51间效应量最大（R² = 0.708），表明地上部蛋白质丰度谱分化最大。

**根与地上部的差异丰度蛋白（DAPs）**：火山图分析显示广泛的品种依赖性蛋白质丰度变化。根系中CNT vs KDML105鉴定到176个DAPs（148上调、28下调），CNT vs RD51鉴定到155个DAPs（106上调、49下调）；地上部CNT vs KDML105鉴定到137个DAPs（53上调、84下调），CNT vs RD51鉴定到249个DAPs（116上调、133下调），为蛋白质组分化最大的比较。RD51地上部高积累蛋白包括精氨酸生物合成双功能蛋白ArgJ0（FC = 14.02）、RNA假尿苷合酶1、CBL互作蛋白激酶9（CIPK9）、转录因子RF2b及交替氧化酶1A（AOX1A）等。

**上调DAPs的基因本体（GO）富集分析**：KDML105根系富集于金属离子转运、囊泡介导转运、跨膜转运等过程，地上部主要富集于硫氨基酸代谢、半胱氨酸代谢及转录调控；RD51根系与地上部均显著富集于三羧酸循环、有氧呼吸、线粒体电子传递偶联ATP合成等能量代谢与呼吸相关功能。总体而言，KDML105以转运与硫代谢相关功能为特征，RD51则以线粒体呼吸与能量产生通路显著富集为特征。

**上调DAPs与硅转运蛋白的PPI网络分析**：将Lsi1、Lsi2、Lsi3、Lsi6整合入STRING分析构建PPI网络。KDML105根系网络含157个节点、318条边，以枢纽蛋白Q6K3D4为中心，硅转运蛋白模块经Q6K3D4与PHR2连接至核心网络；地上部网络含87个节点、127条边，含高度互联的琥珀酸脱氢酶（SDH）簇及SPL7、HSFB4D、HAK8等蛋白。RD51根系网络含149个节点、221条边，以Q6K3D4（度=30）为中心，含显著SDH子网络；地上部网络含130个节点、187条边，以磷脂酰肌醇4-激酶γ4为中心，硅转运蛋白模块经钙信号相关蛋白CBL7与CIPK9连接至网络，并含SDH2-1、SDH2-2等组成的SDH子网络。总体显示RD51中硅转运、钙介导信号、呼吸代谢与胁迫相关通路间存在广泛互作。

**讨论部分总结**：讨论指出，RD51根系硅浓度较低而地上部硅浓度与植硅体含量最高，提示其根系向地上部硅转运效率增强，与Lsi1、Lsi2、Lsi3、Lsi6协同调控的硅吸收与再分配一致；地上部硅积累与植硅体形成呈强正相关，根植硅体含量品种间相当则表明根中相当比例硅以可移动形式存在、沉积主要发生于蒸腾组织。RD51优越的地上部硅积累与植硅体产生与其蛋白质组分化（尤其与CNT间R² = 0.708）相对应；其呼吸与能量代谢通路富集提示增强的能量产生能力可为硅由根向地上部的高效再分配提供能量基础；CIPK9与AOX1A的高丰度提示营养信号、呼吸代谢与胁迫响应通路的协同调控。PPI网络中硅转运蛋白与营养转运、信号转导、转录调控及能量代谢蛋白的广泛互联表明硅转运并非孤立过程，而SDH子网络与钙信号组分（CBL7、CIPK9）的整合进一步支持呼吸代谢与信号网络在硅分配中的作用。研究认为品种依赖性硅积累与植硅体形成与转运功能、线粒体呼吸、钙介导信号及细胞稳态的协同变化相关，并鉴定出潜在参与硅转运与植硅体形成的候选蛋白与生物学过程，未来需结合定量表达分析、靶向蛋白质组学及转运蛋白相关蛋白的功能表征加以验证。

**研究结论翻译**：本研究证明，开花期CNT、KDML105和RD51水稻品种在硅积累、植硅体形成及蛋白质丰度谱方面存在显著的品种依赖性差异。CNT在根系中积累的硅浓度最高，而RD51在地上部表现出最高的硅浓度与植硅体含量，提示其向地上部组织的硅转运增强。蛋白质组分析鉴定出清晰的品种依赖性蛋白质丰度谱差异，其中CNT与RD51间蛋白质组分化最大，尤以地上部为甚。功能富集分析表明，KDML105以转运与硫代谢相关功能为特征，而RD51则表现出线粒体呼吸与能量产生通路的显著富集。蛋白质–蛋白质相互作用（PPI）网络分析进一步揭示了硅转运蛋白与参与转运、信号传导及呼吸代谢的蛋白质之间的功能关联。总体而言，这些发现提示增强的转运能力与呼吸代谢可能有助于RD51中高效的硅转运与植硅体形成。研究结果为水稻硅利用的蛋白质组学机制提供了新见解，并为旨在改善胁迫耐受性、生产力及硅利用效率的未来研究与育种计划鉴定了潜在靶标。