PNAS | 代谢组+转录组揭示生物脱水胁迫耐受性的关键分子机制

研究摘要

研究方法

研究结果

代谢图谱检测到266种代谢物(124种阳离子模式的代谢物和142种阴离子模式的代谢物)，涉及三种测试的生理状态：未处理(D0)、脱水48 h(D48)和复水3 h(R3)。

图1、脱水和复水摇蚊幼虫的代谢组主成分分析结果。(A) 主成分分析图。每个生理状态的三个重复以不同颜色的点显示。(B) 因子加载图。代谢物用点标记。虚线表示相关阈值(PC1为0.0，PC2为0.05和0.05)，用于根据代谢物对脱水作用阶段(该代谢物含量变化模式)的反应性对代谢物组进行分类。具有不同表达模式的代谢物组用不同的颜色标记，包括方差分析无显著性的代谢物。

主成分分析显示，前两个主成分占总差异的77%。PC1占43.9%，而PC2占33.1%(图1A)。PC1值高的代谢物在脱水中至少一个阶段显示浓度显著增加(图1B)。

图2、脱水和复水过程中摇蚊幼虫碳水化合物的代谢组和转录组变化。每种代谢物的动态都用点图表示。时间点用不同颜色表示。参与代谢反应的酶和转运蛋白用数字表示：1）糖原合酶；2）磷酸葡萄糖变位酶；3）T6P合酶；4）T6P磷酸酶；5）己糖激酶；6）海藻糖酶；7）促海藻糖转运蛋白1。

摇蚊幼虫的代谢图谱揭示了各种碳水化合物中间体水平发生显著扰动(图2)。
 

图3、(A)幼虫脱水过程(左)和复水过程(右)的关键碳水化合物变化水平。(B)连续脱水-再水合循环对碳水化合物含量和幼虫存活的影响。(C)复水后16小时海藻糖酶抑制剂VAA对幼虫存活的影响。

实验数据表明幼虫中存在的大多数糖原在脱水过程中被降解产生海藻糖(图3 A，左)。当幼虫经历连续的脱水和复水循环，而在复水阶段没有进食时，这种现象更明显(图3B)。最终发现海藻糖在脱水及复水中的作用：快速恢复新陈代谢的最佳能量来源。

图4、摇蚊幼虫脱水复水过程中柠檬酸循环中间代谢物含量的变化。

图5、(A)每种腺苷酸含量的波动。(B)脱水及复水过程中的腺苷酸能荷比率。

幼虫脱水过程最明显的特征之一是脱水过程中腺苷酸和5’-二磷酸腺苷(ADP)的积累(图5A)，干燥状态下的腺苷酸能荷比降至仅0.6(图5B)，这是一个通常在压力条件下观察到的值。值得注意的是，正常的呼吸和线粒体活性，如高AEC比率所表明的，一直持续到脱水的最后几个小时，并在再水合的第一个小时内迅速恢复(图5B)。
 

图6、(A)尿酸酶表达模式和尿酸降解途径的相关代谢谱。(B)谷胱甘肽合成和替代性眼酸途径。(C)KYN途径及相关酶的表达模式。

相关氨基酸降解产物水平的变化暗示了无毒代谢物和抗氧化剂的积累。例如尿酸、尿囊素和尿囊酸，都是在脱水期间丰度增加最多的中间产物(图6A)，在转录组检测中，尿酸酶编码基因在脱水24小时后显著上调(图6A)。谷胱甘肽合成的主要中间体γ-谷氨酰半胱氨酸(γ-Glu-Cys)的含量在脱水幼虫的复水过程中明显高于对照幼虫(图6B)。在脱水过程中，KYN水平显著增加了约26倍(图6C)。

图7、摇蚊幼虫脱水和复水过程中主要代谢事件的汇总图。

结论

在脱水和复水过程中，摇蚊幼虫的代谢及转录变化主要为：1)海藻糖是该过程能量来源，氧化还原能力支持复水幼虫的恢复；2)积累的柠檬酸盐和AMP有利于早期复水过程中能量代谢的恢复；3)积累的OA、XA、尿囊素和多胺可作为抗氧化剂或无毒替代物。这些假设为进一步研究低湿隐生的机制以及脱水工程和干燥贮藏应用提供了新的途径。

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