タンデムマスタグベースの定量的プロテオミクス解析により、綿花（Gossypium hirsutum L.）の乾燥ストレスに対する細根の応答を明らかにした

Tandem mass tag-based (TMT) quantitative proteomics analysis reveals the response of fine roots to drought stress in cotton (Gossypium hirsutum L.).

• Shuang Xiao
• Liantao Liu
• Yongjiang Zhang
• Hongchun Sun
• Ke Zhang
• Zhiying Bai
• Hezhong Dong
• Yuchun Liu
• Cundong Li

抄録

背景:

綿（Gossypium hirsutum L.）は、世界的に最も重要な換金作物の一つです。細根は植物の水分や栄養分の取り込みに寄与する根系の中心的な部分である。しかし、綿花の細根の土壌干ばつに対する応答のメカニズムは不明な点が多い。干ばつストレス下における綿花の細根のプロテオーム変化を明らかにするために、対照群（CK）では70-75％、干ばつストレス群（DS）では40-45％の土壌相対含水率処理を行った。その後、タンデムマスタグ(TMT)技術を用いて、細根組織サンプルのプロテオームプロファイルを決定した。

BACKGROUND: Cotton (Gossypium hirsutum L.) is one of the most important cash crops worldwide. Fine roots are the central part of the root system that contributes to plant water and nutrient uptake. However, the mechanisms underlying the response of cotton fine roots to soil drought remains unclear. To elucidate the proteomic changes in fine roots of cotton plants under drought stress, 70-75% and 40-45% soil relative water content treatments were imposed on control (CK) and drought stress (DS) groups, respectively. Then, tandem mass tags (TMT) technology was used to determine the proteome profiles of fine root tissue samples.

結果:

干ばつは綿花苗の平均根径を有意に減少させたが，根の長さと抗酸化酵素の活性は増加した。干ばつ応答の分子機構をさらに解明するために，CK 処理と DS 処理の組織間のプロテオームの違いを，干ばつストレス後 0 日目，30 日目，45 日目（DAD）でペアワイズ的に比較した。DS30 対 CK30」の比較では 118 個の異なる発現タンパク質（DEP）が増加し 105 個の減少が認められ、「DS45 対 CK45」の比較では 662 個の DEP が増加し 611 個の減少が認められた。これらのDEPの機能は、その経路に応じて分類された。干ばつ初期（30 日間）では，「カチン，スベリン，ワックス合成」経路に関与する DEP が増加したが，「モノテルペノイド生合成」経路に主に富む DEP が減少した。45 日間の土壌干ばつは、代謝に関与する DEPs に大きな影響を与えた。その結果、「炭水化物代謝」、「エネルギー代謝」、「脂肪酸代謝」、「アミノ酸代謝」、「二次代謝物生合成」に関わる多くのタンパク質が DEPs として同定された。さらに、イオン輸送、ストレス・防御、植物ホルモンなどに関わるタンパク質が、干ばつストレス下での綿花の細根の生育を決定する役割を果たしていることが明らかになった。

RESULTS: Drought significantly decreased the value of average root diameter of cotton seedlings, whereas the total root length and the activities of antioxidases were increased. To study the molecular mechanisms underlying drought response further, the proteome differences between tissues under CK and DS treatments were compared pairwise at 0, 30, and 45 DAD (days after drought stress). In total, 118 differentially expressed proteins (DEPs) were up-regulated and 105 were down-regulated in the 'DS30 versus CK30' comparison; 662 DEPs were up-regulated, and 611 were down-regulated in the 'DS45 versus CK45' comparison. The functions of these DEPs were classified according to their pathways. Under early stage drought (30 DAD), some DEPs involved in the 'Cutin, suberin, and wax synthesis' pathway were up-regulated, while the down-regulated DEPs were mainly enriched within the 'Monoterpenoid biosynthesis' pathway. Forty-five days of soil drought had a greater impact on DEPs involved in metabolism. Many proteins involving 'Carbohydrate metabolism,' 'Energy metabolism,' 'Fatty acid metabolism,' 'Amino acid metabolism,' and 'Secondary metabolite biosynthesis' were identified as DEPs. Additionally, proteins related to ion transport, stress/defense, and phytohormones were also shown to play roles in determining the fine root growth of cotton plants under drought stress.

結論:

その結果、干ばつストレス下でのストレス・防衛反応や植物ホルモン代謝に関連する生物学的経路や干ばつ応答性タンパク質が同定された。これらの結果は、綿花や他の作物の干ばつ耐性をさらに向上させるための新たな知見を提供するものである。

CONCLUSIONS: Our study identified potential biological pathways and drought-responsive proteins related to stress/defense responses and plant hormone metabolism under drought stress. Collectively, our results provide new insights for further improving drought tolerance in cotton and other crops.