作者：房超伟、吴锁伟
脂质转移蛋白（lipid transfer proteins，LTPs）是指在体外促进非特异性磷脂和脂肪酸在膜间转移的一类蛋白。LTP蛋白由8 个Cys基序（8CM）形成的4个保守二硫键桥所稳定，其一般形式为C–Xn–C–Xn–CC–Xn–CXC–Xn–C–Xn–C，从而形成一个中心疏水腔，便于各种脂类的结合。LTPs是不同细胞器间运输各类脂质的载体，参与脂质在细胞内、细胞外和细胞间的运输。在植物中，LTPs参与许多生物学过程，如花药和花粉发育、营养器官发育、种子发育和萌发、生物和非生物胁迫反应等。然而，在玉米中只鉴定和功能验证了7个LTP转运蛋白。同时，随着玉米基因组学研究的深入，更多的LTP基因被发现，玉米LTP基因缺乏系统的命名，给玉米LTP相关研究带来诸多不便。
2023年1月14日，北京科技大学、北京中智生物农业国际研究院万向元教授团队应邀在国际期刊International Journal of Molecular Sciences（IF：6.208）发表了题为“A Systematic Investigation of Lipid Transfer Proteins Involved in Male fertility and Other Biological Processes in Maize” 的研究论文，对玉米中全部65个LTP转运蛋白进行了系统的命名和鉴定，总结了LTP转运蛋白对水稻、拟南芥、玉米生长发育尤其是雄花育性等方面的多重作用，为LTP转运蛋白在玉米等植物中的功能研究和潜在应用提供了框架和参考。
本文基于MaizeGDB数据库（https://maizegdb.org/）中玉米B73参考基因组（B73 RGV5.0）的BLAST检索，共鉴定出65个LTP基因，并将LTP转运蛋白分成type 1, type 2, type C, type D, type G 和type X六类，根据它们的染色体物理定位，将LTP基因进行命名（图1）。同时，对65个ZmLTP基因的其他特征（如基因模型、基因表达模式、基因组物理位置和亚细胞定位预测等）进行了系统分析。
图1 65个ZmLTP基因在玉米染色体上的物理定位信息
为了分析玉米、水稻和拟南芥LTP家族成员间的进化关系，作者对三个物种的所有LTP蛋白序列（玉米65个，水稻80个，拟南芥84个）进行了系统进化树分析（图2）。结果表明，LTP蛋白可以分成3个Groups，Group1-3分别可进一步分为6、5和3个分支。该分析结果不仅提供了三个物种间LTP基因的系统发育关系，而且为探索玉米、水稻和拟南芥中未知LTP基因的功能提供了重要的参考信息。
图2 玉米、水稻和拟南芥LTP家族的系统发育树分析
为了了解玉米LTPs基因的分子功能和可能参与的生物学途径，作者对玉米中所有LTP基因进行GO富集分析。结果表明，基于LTP参与的分子功能， ZmLTPs主要参与脂肪酸结合等5个显著的GOterms，与其生物学功能一致。按照参与的生物过程分类的话，包含20个GO terms，分为生物和非生物胁迫响应、脂质等物质的运输和定位等两大类。总之，GO分析表明，ZmLTPs可能参与多种生物学过程，如脂质结合、脂质转运和定位、生物和非生物应激反应等，为ZmLTP基因的功能研究提供了线索。
图3 玉米LTP基因的GO分析
越来越多的证据表明，植物LTP转运蛋白在花药和花粉发育、营养器官和雌性器官发育、种子发育和萌发、生物和非生物胁迫反应等多种生物学过程中发挥着重要作用（图4）。在拟南芥和水稻中，至少有36个LTP基因被克隆报道，但玉米中只有7个LTP转运蛋白被功能鉴定，其中4个（ZmMs44、ZmLTPg11、ZmLTPx2和MZm3-3）与玉米花药发育和雄性育性相关。本研究系统总结了玉米、水稻和拟南芥中LTPs基因的生物学功能，并首次总结了花药发育过程中LTP基因的转录调控作用。通过LTPs基因同源功能预测、RNA-seq等生物信息学分析（图5）等方法可以为LTP转运蛋白在玉米中的功能研究提供线索。
图4 拟南芥、水稻和玉米LTP转运蛋白的主要功能
脂质代谢在植物生殖发育中起着重要作用，包括花药角质层和花粉壁的发育等，其中LTP转运蛋白参与多种生物学过程。然而，大多数LTP转运蛋白的精确底物仍不清楚。本研究中，作者系统总结并讨论了鉴定LTP转运体底物的几种方法，包括PIP脂和膜脂试纸条，同位素标记，光谱分析以及GC-MS系统等。另外本文还讨论了植物LTP转运蛋白底物识别、机理分析以及目前面临的挑战和未来的研究前景，为LTP转运蛋白在玉米等多种植物中的功能研究和潜在应用提供了框架和参考。
图5 玉米LTP基因在花药中的转录组学分析与qPCR验证
本研究主要依托北京科技大学生物与农业研究中心、北京中智生物农业国际研究院等单位合作完成。博士生房超伟和吴锁伟教授为论文共同第一作者，万向元教授和魏珣研究员为共同通讯作者。相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市种质创新与新品种选育联合研究项目等联合资助。
原文链接：https://doi.org/10.3390/ijms24021660
