Alterations in wheat pollen lipidome during high day and night temperature stress
小麥花粉脂質體在晝夜高溫脅迫下的變化
期刊：plant cell Environment，2018，IF=5.624研究材料：兩個材料，耐高溫型Ventnor，高溫敏感型Karl92處理：五個溫度梯度處理，HN夜高溫(25/24°C ),HD日高溫(35/15°C), HDN日夜高溫(35/24°C)正常溫度OT，每個材料5個生物學重複，兩個年份重複技術平臺：qTrap
研究背景
高溫是世界小麥產區的主要非生物脅迫。從1961年到2002年，全球最低和最高氣溫每升高1攝氏度，小麥產量就會下降3.2%-8.4%。小麥開花期間的高夜間(HN)、高日間(HD)和高晝夜(HDN)溫度顯著降低籽粒定勢(15-37%)、粒數(13-41%)和產量(13-43%)。與營養期相比，如果高溫脅迫發生在生育期，小麥產量對高溫脅迫更敏感。如果高溫只發生在開花期間，則籽粒產量下降是由於籽粒結實率下降的結果，因為高溫並不影響單個粒重。種子集主要是小花生育力的結果，由雄配子和雌配子(花粉和胚珠)的功能來定。如果高溫發生在小麥的這一高度敏感時期，花粉活力和性能會受到極大的影響。因此，高溫脅迫導致小麥籽粒結實率降低的主要原因是花粉性能較差，即在開花前或開花時發生脅迫。
高溫脅迫(35/25C)導致花粉粒塌陷和乾燥，花粉粒表面凹陷深，不光滑。此外，高溫脅迫也降低了附著在柱斑表面的花粉粒數。擬南芥胞外區甘油脂生物合成對絨氈層分化和花粉發育至關重要。高溫脅迫條件下，脂質代謝變化及其途徑中所涉及的酶在花粉中表現出重要作用，但目前還沒有研究高溫誘導的花粉脂質體變化及其在小麥植株高溫適應性中的作用。
研究結果
1.qTrap對小麥花粉進行定性定量
ESI-MS / MS方法量化了總共89種脂質分析物。這些包括質體脂質[二半乳糖基單醯基甘油（DGMG）、DGDG，單半乳糖基單醯基甘油（MGMG）、MGDG、PG和磺基奎諾糖醯基甘油（SQDG）]、胞外磷脂（PE、PC、PI、PA和PS）、溶血脂（LPG、LPC和LPE）、二醯基甘油（DAG）、TAG和ox-lipids（具有氧化醯基鏈的脂質）。以下部分將詳細討論高溫脅迫下的花粉脂質組成和脂質變化。由於花粉脂質組的組成和改變對於耐熱和易感基因型基本相同，因此這裡僅給出了易感基因型的數據。
2.花粉中胞外磷脂的組成與葉片中不同
粉中胞外磷脂的組成主要由兩種類型34：3和36：6組成，為包含亞麻酸（18：3）的16：0/18：3或18：3/18：3構型（圖 1a、c、e、g和i）。在OT和HN，HD和HDN下，這兩個類型分別構成總PC的>90％、>85％和>79％（圖2）。它們是PE、PI和PA中的主要類型，在適宜溫度下佔這些類別的85％以上，在高溫脅迫條件下佔70％以上（圖1和2）。這與葉片中的情況形成對比，在任何溫度條件下，34：3和36：6種類佔PC、PE、PI和PA各類的<60％（圖1b、d、f、h和j）。相反，葉片胞外磷脂組合物具有大比例的含有亞油酸（18：2）的類型，例如34：2（16：0/18：2）、36：5（18：2/18：3）和36：4（可能主要是18：2/18：2）（圖1和2）。因此，小麥花粉粒含有與葉片相同的胞外磷脂類，但在適宜和高溫脅迫條件下，與葉相比，它們具有不同的組成。儘管花粉脂質在應激反應方面有所改變（圖1和2以及後續部分），但主要的胞外磷脂的組成仍由兩種分子類型決定。
圖1. 小麥Karl 92基因型花粉粒(a、c、e、g、i)和葉片(b、d、f、h、j)的胞外磷脂組成
圖2.小麥Karl 92基因型花粉粒和葉片中各種脂質組分佔總PC和PE的百分比
3.高溫改變花粉中胞外磷脂的組成和不飽和度
高白天和/或夜晚溫度導致胞外類PC，PE，PI，PA和PS的二醯基脂質種類組成發生顯著變化（圖3）。這些磷脂是內質網合成的。高溫導致多不飽和脂質含量減少，低不飽和脂質含量增加。例如，含有兩個多不飽和醯基鏈的脂質物質，例如36：6-（其為二18：3組合）PC，PE和PA，在高溫下降低（圖3）。另一方面，低不飽和脂質種類，如34：1-（主要是16：0/18：1）、34：2-（主要是16：0/18：2）、36：4-（主要是18：2/18：2）、36：3-（主要是18：1/18：2）和36：2-（18：1/18：1或18：0/18：2）PC、PE或PI在高溫下增加[圖3]。與OT相比，34：2在HD和HDN增加了三倍或更多。通常，在高溫脅迫期間具有18：3醯基鏈（例如36：6種）的脂質種類減少，並且具有16：0、18：0、18：1和/或18：2醯基的脂質物質在高溫脅迫期間，（例如34：1、34：2、36：4、36：3和36：2種類）增加。這導致PE、PC、PI、PA和PS在高溫脅迫下的不飽和指數降低（儘管PA和PS的降低沒有統計學意義）（圖4）。在這些植物的葉子中也出現了胞外磷脂的組成和不飽和水平的類似趨勢。
有趣的是，34：3- [16：0/18：3）] PC、PI和PS在高溫條件下沒有降低（圖3）。這可能是不飽和指數在這些脂類在高溫脅迫條件下降低時仍然保持高水平的原因（圖4）。在未來的研究中，需要研究34：3物種是否有助於花粉粒中任何獨特的高溫適應機制。
圖3.溫度對小麥Karl92基因型胞外磷脂分子種類的影響
圖4.溫度對小麥Karl92的胞外磷脂類不飽和指數的影響
4.PC和PE物種水平呈負相關
小麥花粉中PC和PE呈負相關(圖5a)。此外，PC:PE比值在高溫下顯著升高(圖5b)。PC:在HN、HD和HDN時，PE比值分別增加了96、61和125%。在高溫條件下，這些植物葉片的PC:PE比值也較高。
圖5.基於斯皮爾曼相關係數的相關性熱圖顯示小麥Karl92磷脂醯膽鹼(PC)和磷脂醯乙醇胺(PE）相關性
5.相關分析揭示了高溫脅迫下共發生的脂質，證實了胞外磷脂的高溫響應性
Spearman的相關係數（ρ），計算所有單個花粉樣本的脂質分析物（兩個實驗，每個在4個溫度條件下重複5次）顯示在高溫條件下共同發生的脂質（經歷協調代謝的脂質）。Spearman相關係數的範圍從-1（完全負相關）到1（完全正相關），值為零表示沒有相關性。基於ρ對所有89種脂質分析物進行相關分析。通過每種脂質與其最高度相關的進行匹配來創建樹狀圖（圖6）。樹狀圖包括脂質組（由樹狀圖上的紅色和藍色條表示），其中每個脂質與組內的至少一種其他脂質相關，ρ為0.85。樹狀圖上的箭頭表示HDN下每種脂質水平與OT相比的方向性。小麥基因型Karl 92的樹狀圖包括10個脂質組（圖6）。每組包含共同發生的脂質。在各種溫度處理下，通過時間一起上調或下調。在本研究中檢測到的脂質基團主要包括ER合成的磷脂，其形成1-7組。這證實了花粉脂質的變化，這可能適應溫度升高，主要包括ER合成磷脂的代謝改變。
圖6.小麥卡爾92基因型的脂質樹狀圖
採用基於斯皮爾曼相關係數的單鏈分層算法對89種脂質分析物進行聚類。在樹狀圖上用紅色和藍色條表示共同出現的脂質基團（第1-10組）。樹形圖上的箭頭表示，在晝夜高溫脅迫條件下，與最佳溫度條件相比，各脂質水平的差異(基於總信號的百分比)具有方向性;數量減少的脂質用綠色向下箭頭表示，數量增加的脂質用粉色向上箭頭表示。