炎炎盛夏，烈日當空，林間蟬鳴陣陣。持續(xù)高溫炙烤之下，枝葉蔫垂萎靡，靜待轉(zhuǎn)機。一場陣雨倏忽而至，燥熱盡數(shù)消散，草木葉片重歸鮮亮翠綠，仿佛從倦怠之中緩緩蘇醒。
大自然這些直觀的表象變化背后，藏著大量肉眼無法捕捉的微觀運行規(guī)律。當外界環(huán)境驟然波動，植物與環(huán)境的每一次互動，都依托著一套精密且快速的內(nèi)部調(diào)控體系。在環(huán)境脅迫發(fā)生后的數(shù)秒至數(shù)分鐘內(nèi)，植物可通過蛋白磷酸化和蛋白復合物重組啟動早期信號；隨后，糖類、氨基酸、黃酮和脂質(zhì)等代謝網(wǎng)絡逐步發(fā)生調(diào)整，推動植物從正常生長狀態(tài)轉(zhuǎn)向逆境適應狀態(tài)。
在過去的植物研究體系中，受限于檢測技術(shù)的靈敏度與通量，研究者往往只能從單一維度觀察植物的逆境響應，捕捉局部的分子變化，較難將不同層次的數(shù)據(jù)串聯(lián)起來，也難以完整解釋植物從感知脅迫到形成表型的連續(xù)調(diào)控過程。
圖|植物蛋白質(zhì)組學主要研究方向。來源：Navigating the Landscape of Plant Proteomics(JIPB, 2025)(點擊查看大圖)
如今，隨著高通量DIA全景掃描、高靈敏度質(zhì)譜、翻譯后修飾富集、蛋白互作分析以及單細胞樣品處理等技術(shù)快速發(fā)展，植物逆境研究正在由碎片化觀測走向多層次、動態(tài)化解析。通過系統(tǒng)考察蛋白質(zhì)豐度、修飾狀態(tài)、相互作用網(wǎng)絡及其時序變化，并與轉(zhuǎn)錄組、代謝組和單細胞分析相結(jié)合，蛋白質(zhì)組學正在為揭示植物生命活動的分子機制提供更完整的證據(jù)。
01 蛋白質(zhì)組與多組學整合：從“看不見”到“看見”
蛋白組學、轉(zhuǎn)錄組學、代謝組學等每一個組學技術(shù)均是植物科研最基礎(chǔ)、應用廣泛的研究切入點，能夠解答諸多核心科研問題：逆境脅迫下哪些蛋白/代謝物豐度發(fā)生顯著改變？基因突變?yōu)楹螘l(fā)特定植株表型？不同作物品種的性狀差異對應哪些核心通路？哪些關(guān)鍵蛋白可作為分子育種靶點等等？
研究案例｜鹽生大麥：9032個蛋白精細勾勒動態(tài)耐鹽時間軸
過往植物耐鹽機制研究多停留在“處理組 vs 對照組”的靜態(tài)比對，難以捕捉脅迫過程中逐步變化的調(diào)控規(guī)律。2026年發(fā)表于 Journal of Proteomics 的研究，以耐鹽野生大麥 Hordeum marinum 為材料，整合Orbitrap Astral-DIA蛋白質(zhì)組學與轉(zhuǎn)錄組學，系統(tǒng)分析大麥根系在鹽脅迫下的動態(tài)應答。研究設(shè)置300 mM NaCl處理，并在第2天和第7天兩個時間點取樣，最終定量覆蓋9032個蛋白；其中，早期有1875個蛋白顯著變化，后期有2052個蛋白受到調(diào)控，從而描繪了耐鹽響應的階段性變化。
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多組學聯(lián)合分析顯示，鹽生大麥的耐鹽性并非依賴單一基因或單一通路，而是通過多條功能通路協(xié)同并分階段調(diào)控。隨著脅迫持續(xù)，離子穩(wěn)態(tài)、氧化還原防御和能量代謝等核心過程依次發(fā)生變化，共同支持植株適應高鹽環(huán)境。
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從9032個蛋白的大規(guī)模定量，到早、晚脅迫階段響應網(wǎng)絡的區(qū)分，質(zhì)譜技術(shù)使植物耐鹽過程中原本難以觀察的分子變化更加清晰，并為抗逆機理研究、候選功能基因篩選和作物耐鹽育種提供多組學數(shù)據(jù)支持。
02 修飾蛋白質(zhì)組：捕捉信號啟動的“第一瞬間”
植物感知環(huán)境、啟動應激信號的速度，遠比蛋白豐度變化更快。蛋白表達量的上調(diào)或下調(diào)通常需要數(shù)十分鐘乃至數(shù)小時，依賴基因轉(zhuǎn)錄、翻譯的完整流程；而磷酸化、泛素化、乙?；?、氧化還原修飾等翻譯后修飾，可在數(shù)秒至數(shù)分鐘內(nèi)快速可逆切換，是植物早期、靈敏的分子開關(guān)。
研究案例1｜稻瘟病菌互作研究：區(qū)分蛋白豐度與修飾的雙重調(diào)控
研究人員依托Orbitrap Astral平臺，對水稻重要病原真菌 Magnaporthe oryzae 開展全局蛋白質(zhì)組與磷酸化蛋白質(zhì)組聯(lián)合分析，鑒定到6799個蛋白和15682個磷酸化位點，相關(guān)成果于2026年發(fā)表于《Scientific Reports》。
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研究將MoPah1(磷脂酸磷酸酶)缺失引起的蛋白豐度與磷酸化變化，與脂質(zhì)代謝、細胞自噬、真菌致病性及Pmk1 MAPK信號網(wǎng)絡聯(lián)系起來，為理解該蛋白參與病原調(diào)控提供了候選分子線索。
研究案例2｜擬南芥泛素化組：構(gòu)建近2萬個修飾位點全景資源庫
隨著質(zhì)譜檢測深度與修飾富集技術(shù)持續(xù)發(fā)展，植物翻譯后修飾研究已由單一脅迫、單一時間點的機制探索，逐步拓展到跨組織、大規(guī)模修飾圖譜和資源庫構(gòu)建。2024年底在線發(fā)表于《The Plant Cell》的一項研究，為擬南芥泛素化組及轉(zhuǎn)錄因子穩(wěn)定性研究提供了系統(tǒng)性數(shù)據(jù)資源。
該研究采用抗K-ε-GG抗體富集與TMT多重定量，對擬南芥根、幼苗和蓮座葉等組織開展系統(tǒng)性泛素化分析，獲得了近2萬個泛素化賴氨酸位點，覆蓋數(shù)千個修飾蛋白。相關(guān)蛋白涉及激素信號、生物防御、蛋白穩(wěn)態(tài)和物質(zhì)代謝等重要過程，同時為研究轉(zhuǎn)錄因子的穩(wěn)定性調(diào)控提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
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這一成果表明，植物修飾組學正在由小規(guī)模、單一條件的實驗，逐步轉(zhuǎn)向跨組織、大樣本和全景化的修飾資源構(gòu)建，為后續(xù)研究植物生長發(fā)育、逆境應答和分子調(diào)控機制提供更豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
03 蛋白互作與鄰近網(wǎng)絡：從差異蛋白邁向分子協(xié)作機制
差異蛋白分析可以告訴我們“誰變了”，修飾組學可以提示“信號開關(guān)何時發(fā)生變化”，但這些信息仍不足以回答蛋白如何協(xié)同工作、與哪些伙伴共同調(diào)控生命過程。因此，解析蛋白互作與鄰近網(wǎng)絡，是植物組學從現(xiàn)象觀察走向機制研究的重要一步。
常用技術(shù)包括親和純化質(zhì)譜(AP-MS)、鄰近標記技術(shù)和交聯(lián)質(zhì)譜(XL-MS)。AP-MS主要用于篩選在裂解和純化過程中仍能穩(wěn)定共純化的復合物成員；TurboID用于記錄活細胞內(nèi)目標蛋白或特定區(qū)域附近的鄰近蛋白；XL-MS則可提供殘基層面的空間距離約束，輔助分析蛋白復合物的結(jié)合界面與組裝方式。三類技術(shù)觀察的層次不同，可形成互補證據(jù)。
研究案例｜TurboID：捕捉轉(zhuǎn)瞬即逝的弱互作與瞬時互作
鄰近標記技術(shù)依托生物素連接酶的原位標記特性，可在活細胞內(nèi)對目標蛋白周圍納米尺度的鄰近蛋白完成共價生物素標記，捕獲傳統(tǒng)純化流程中極易解離的弱互作、瞬時互作分子。
2026年發(fā)表于《Nature Plants》的一項研究，將dCas9與TurboID融合，建立了CSPL標記體系，使鄰近標記的對象從蛋白周圍進一步拓展到特定基因位點。該體系利用dCas9識別目標DNA序列，再由TurboID對啟動子區(qū)域附近的蛋白進行原位標記和富集，適合篩選豐度較低或結(jié)合時間較短的候選轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。
研究團隊在擬南芥、甘藍和水稻中驗證了該體系，并以PIF4啟動子為對象，鑒定出多種已知及新的候選結(jié)合蛋白。富集后的鄰近蛋白采用Orbitrap質(zhì)譜進行鑒定與分析，展示了鄰近標記聯(lián)合高分辨質(zhì)譜在植物轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡研究中的應用價值。
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04 單細胞與空間蛋白質(zhì)組：突破組織平均，捕捉細胞特異性機制
傳統(tǒng)植物蛋白質(zhì)組常采用混合組織樣本，只能獲得多種細胞的平均表達信息。然而，保衛(wèi)細胞、分生組織細胞和生殖細胞等具有高度分化的功能，組織平均值可能掩蓋關(guān)鍵細胞類型的特異性變化。隨著質(zhì)譜靈敏度提升，單細胞與空間蛋白質(zhì)組學成為新的研究前沿。研究人員結(jié)合nanoPOTS微量樣品前處理平臺與FAIMS技術(shù)，對擬南芥葉肉原生質(zhì)體開展無標記單細胞蛋白質(zhì)組分析，共檢測正常供水和不同程度水分虧缺條件下的117個單細胞。在這些用于脅迫研究的細胞中，平均每個細胞鑒定2873個蛋白；方法性能測試中，單個原生質(zhì)體平均可鑒定約3000個蛋白。
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結(jié)果顯示，擬南芥葉肉細胞的蛋白質(zhì)組響應具有明顯的脅迫強度依賴性：較輕的水分虧缺主要引起有限的蛋白變化，而嚴重水分虧缺則導致更廣泛的蛋白質(zhì)組重塑。這說明單細胞蛋白質(zhì)組能夠揭示組織平均值難以反映的細胞差異。
05 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析：從分子功能到空間構(gòu)象機制
傳統(tǒng)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析長期依賴X射線晶體衍射和冷凍電鏡(cryo-EM)，兩者是獲得高分辨靜態(tài)結(jié)構(gòu)的經(jīng)典手段。交聯(lián)質(zhì)譜(XL-MS)、氫氘交換質(zhì)譜(HDX-MS)、Native MS和top-down MS等技術(shù)，則可提供亞基組成、化學計量、動態(tài)構(gòu)象及殘基層面空間約束，成為結(jié)構(gòu)生物學的重要補充。
研究案例｜Orbitrap高分辨結(jié)構(gòu)質(zhì)譜解析植物Rubisco復合體結(jié)構(gòu)異質(zhì)性
2026年發(fā)表于《PNAS》的一項植物結(jié)構(gòu)研究，結(jié)合Native MS，top- down技術(shù)與冷凍電鏡，解析擬南芥原生Rubisco復合物中小亞基亞型的混合組裝現(xiàn)象。研究的蛋白質(zhì)組鑒定部分采用Orbitrap Eclipse Tribrid平臺，并揭示了植物Rubisco復合物存在亞基組成與結(jié)構(gòu)異質(zhì)性。
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研究區(qū)分了相對均一的亞型組裝體和由不同小亞基亞型共同組成的混合組裝體。不同小亞基組合會改變復合物界面的相互作用，并可能影響復合體穩(wěn)定性及對環(huán)境變化的適應。該結(jié)果從結(jié)構(gòu)層面為理解植物Rubisco的組成多樣性和光合可塑性提供了證據(jù)。
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該研究顯示，質(zhì)譜能夠直接分析原生狀態(tài)下具有組成異質(zhì)性的蛋白復合物，并與冷凍電鏡形成互補，從而幫助識別不同亞基亞型及其組裝方式。作為2026年新發(fā)布的結(jié)構(gòu)質(zhì)譜平臺，Orbitrap Tribrid Apex進一步提供寬質(zhì)量范圍、DMT電荷直接檢測技術(shù)、PTCR以及多種碰撞、IR解離能力，可服務于完整蛋白、蛋白復合物、top-down MS及其他結(jié)構(gòu)質(zhì)譜研究。
結(jié)語｜植物組學正在從“看見變化”走向“解釋性狀”
當前，植物組學研究的評價正在逐步轉(zhuǎn)變：研究價值不再只是蛋白質(zhì)、修飾位點或代謝物的鑒定數(shù)量，而更關(guān)注能否穩(wěn)定捕獲低豐度調(diào)控因子、解析信號時序和蛋白質(zhì)組裝界面，并建立分子變化與表型之間的關(guān)聯(lián)，進而篩選可用于作物改良的候選靶點。
以O(shè)rbitrap Astral、Astral Zoom和Orbitrap Tribrid Apex等為代表的新一代質(zhì)譜平臺，可支持常規(guī)定量、翻譯后修飾、蛋白質(zhì)互作、單細胞蛋白質(zhì)組及蛋白結(jié)構(gòu)解析等研究方向，有助于緩解植物樣本背景復雜、低豐度信號難檢測、動態(tài)機制難解析和微量樣本分析受限等問題。結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、代謝組和脂質(zhì)組等策略，可進一步串聯(lián)“分子調(diào)控—結(jié)構(gòu)重塑—功能改變—表型形成”的研究路徑。
總體而言，高端質(zhì)譜技術(shù)正在推動植物逆境與發(fā)育研究由數(shù)據(jù)篩選和靜態(tài)描述，逐步走向更高精度、更強時間分辨率和更深入的結(jié)構(gòu)與功能解析，為理解植物復雜應答機制和挖掘作物改良候選靶點提供技術(shù)支持。
參考文獻：
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