2023年1月，南京农业大学作物遗传与种质创新利用全国重点实验室梨创新团队在Molecular Plant（IF：）在线发表了题为“A large-scale proteogenomic atlas of pear”的梨蛋白基因组文章，一时激起千层浪。
解读链接：文献解读 | 蛋白质组学助力首个梨蛋白基因组图谱构建
不少人疑惑蛋白基因组到底是什么？怎么做？作用有哪些？2023年6月南京林业大学发表的蛋白基因组（PG）综述性文章，可全面解答这些疑惑。文章题为“Proteogenomics-based functional genome research: approaches, applications, and perspectives in plants”，发表在Trends in Biotechnology（IF：17.3）上，全面阐述了植物蛋白质基因组学方法、应用及展望。
1.植物中的蛋白质基因组学（PG）
蛋白质基因组学（PG）是一个结合蛋白质组学、转录组学和基因组学的研究领域，以发现新的多肽，并改进基因模型和注释。随着功能基因组学研究的不断深入，基因之间的联系和完整性变得越来越重要，而单一的组学方法往往不再足以充分解释一些生物学现象。此时，PG的出现可以很好地解决这些问题，并通过从全面的角度呈现生命活动过程中基因和蛋白表达的变化，为机制分析提供了一种新的策略。植物的PG研究涵盖了不同的发育阶段或器官（表1）。
表一 部分蛋白基因组应用基础研究综述
本文就PG在植物研究中的应用、PG的不同技术以及多组学的集成进行综述。文中认为，这一强大的工具应广泛应用于植物，为植物研究提供多种策略。
2.PG在非生物胁迫响应中的应用
表一中列举了植物在逆境中蛋白质的动态变化。例如，盐胁迫会导致环境中高浓度的离子，使植物水分流失，最终阻碍植物生长，甚至导致死亡。为了解对盐的反应，PG技术成功鉴定了RLK5和POD27在膜运输中的中心作用，并证明了激素信号和翻译后修饰（PTMs）在盐启动及其相关相互作用网络中的关键作用。PG发现了杨树HSP70蛋白剪接亚型；在铅（II）胁迫下，该亚型具有10倍的铅结合能力，直接结合铅离子并排泄而不影响其他蛋白的结构，从而为了解植物胁迫响应的AS机制提供了依据。
图 AS介导的HSP70调控植物铅胁迫模型（Fu-Yuan Zhu et al. 2023 ）
3.PG在植物响应外界刺激中的应用
PG在微生物与植物互作也具有重要的研究价值。燕麦品种Argamak以其对镰刀菌抗性而闻名的，几种脂氧合酶的独特存在可以作为镰刀菌抗性标记。研究还发现，在侵染期间，与蜡生产相关的蛋白表达上调，这可以作为镰刀菌物理屏障并减缓疾病进展。这些发现揭示了植物-微生物相互作用关系的表达模式，可以纳入生态模型。
4.PG研究方法概述
（1）PG较单一组学优势
PG是一种结合多个组学数据的综合策略，利用来自基因组和转录组的信息来生成定制的理论蛋白质组数据集。与使用单一组学相比，它具有一些突出的优势。例如，蛋白质组数据可以在蛋白质水平上直接验证可变剪切产物，而转录组数据可以帮助发现更多潜在的可变剪切事件；PG也有验证蛋白亚型的能力；此外，PG可以反映生物体中的确切差异，对SNP突变的翻译结果可以进行大规模验证。
图 1 植物蛋白质基因组学工作流程
（2）SC-PG先驱的高分辨率基因组图谱草案
Bulk组学通常将一组细胞混合进行测序，这使得很难捕获细胞之间的差异，这可能导致基因功能研究的误导。为了获得更高的准确性，需要更精确和更详细的样本分类。随着细胞分类技术的结合，组学对样本的分类越来越复杂，最终出现了单细胞（SC）组学。虽然SC分析已经被开发出来分析单个基因及其转录动态，但这对植物来说仍然是困难的。在SC基因组学中，可以充分反映由等位基因、SNP或基因突变导致的基因组水平上的细胞异质性，为进一步细化基因组注释提供了进一步的基础。SC技术在蛋白质组学主要表现在：(i)单个细胞蛋白质定性和定量分析，(2)区分不同细胞群蛋白质，（3）细胞蛋白质分子地图的建设，（4）细胞之间蛋白质功能和细胞状态之间的关系。
图2 PG相关领域技术特征比较
（3）空间PG为功能基因组研究提供了一个多维分析视角
2016年，Stahl等人开发了空间转录组（ST），打开了空间组学的大门。随后，出现了许多空间组学技术，如空间转录组学（ST）、空间蛋白质组学和空间代谢组学。空间蛋白质组学可以定位和量化亚细胞室中的蛋白质，找到它们的PTM类型，甚至获得蛋白质丰度波动的变化。根据工作原理，空间蛋白组技术可分为CODEX、MIBI、DSP（图2）。CODEX技术分辨率高，但检出水平相对较低；MIBI基于质谱技术，利用同位素标记获得空间蛋白表达谱，实验成本高；DSP与上述方法相似，具有针对性和高通量特点。
植物细胞的形态特征往往与其空间位置有关，因此植物的空间PG可以构建植物蛋白网络，可以解释形态趋势和生存策略。虽然植物空间组学在植物领域的应用仍存在一些技术障碍，但植物空间组学将细胞的基因表达状态与空间信息结合起来，这可以揭示细胞群之间的广泛联系。构建完整的植物SC-PG将有助于更深入地了解植物生长、繁殖、抗逆性的控制，以及许多其他支撑植物生命的过程。
5.PG在植物中的新兴组合及应用前景
生物学的研究正逐渐向一个高度整合的学科和个性化的方向发展。虽然传统的单一组学领域无法反映其在微观尺度上的动态变化，但PG体现了多组学组合的应用。蛋白质组学领域中一些新方法的交叉为这些研究带来了新的视角和更好的理解。通过结合不同的组学技术，同步分析这些数据，可以从多个角度探索生物过程中的转录、修饰和代谢变化，从而构建生物体的调控网络，了解不同细胞实体之间的调控和因果关系。
6.总结语和未来展望
PG作为一种多组学方法，在对基因组进行重新注释以提供更准确的遗传信息方面具有重要价值，近年来已成为模式植物和非模式植物生长发育和胁迫反应机制研究的优先选择。随着组学技术的发展，组学研究正变得更加详细和多维。鉴于目前植物SC蛋白质组的技术局限性，常用的PG思路将SC转录组与大体积蛋白质组分析结合起来。然而，植物SC分选方法的优化和多种蛋白质检测方法的发展，可以显著降低SC水平上的蛋白质组检测阈值，大大提高了PG在植物中的检测范围和能力。PTM-PG分析可能有望揭示植物核心信号转导通路的微妙调控，如激素信号级联。PG的大规模AS分析将为探索涉及植物生长和抗性的转录后调控途径提供一个分析的视角。预计空间SC-PG将是未来植物研究的一个重要而强大的工具，从空间上呈现每个细胞群的精确动态变化，揭示新的基因表达和AS机制，探索新的蛋白质修饰和相互作用网络。通过“整合”的视角，提供关于植物生命活动过程的更好信息，以及解析基因和蛋白质之间的联系，最终将带来植物功能研究的一场革命。
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