南開大學李磊教授：蛋白質周轉分析植物能量高效利用的新視角

——訪南開大學生命科學學院李磊教授

光合蛋白質穩態研究-植物生長/逆境應答的能量基礎

光是植物光合作用的基礎，對植物的生長周期、結構、外觀和品質等都具有直接和間接的影響。但是光逆境引起的光抑制會降低光合作用產率，造成農作物和經濟作物大幅度的減產。在全球氣候惡化、糧食安全問題日益凸顯的今天，如何發現并修復光損傷蛋白質，穩定提高植物的光合作用效率，是對于基礎科研和現代農業同等重要的科學難題。

南開大學李磊教授利用蛋白質質譜分析平臺，系統解析了模式植物擬南芥高光損傷的蛋白質周轉率，發現了新的光損傷蛋白質酶穩態調控機制。為此，分析測試百科網近日采訪了李磊教授，圍繞其課題展開討論，為我們揭示其中的奧秘。

青年科學家

李磊教授在西澳大學獲得植物生物化學博士學位，曾任澳大利亞植物能源中心（ARC-CPEB）助理研究員，期間至比利時VIB所短期合作研究，2018年9月受聘南開大學生命科學學院教授，入選南開大學“百青計劃”。

李磊教授致力于植物生物化學研究，開展了蛋白穩定性、蛋白復合體組裝和蛋白降解途徑的研究。發表學術論文20多篇，包括Trends in Plant Science、PNAS和Plant Cell等，多篇成為Web of Science高引用論文，多次受邀在植物生物化學和國際蛋白組學會議做主題報告，2017年被中澳科學和技術創新大會授予“青年科學家獎”，Nature Plants、Cell Reports和eLife等學術期刊審稿人。

能量細胞器-光穩態研究的核心

植物細胞器中葉綠體和線粒體占到植物細胞蛋白質的總量的85%，在植物能量轉化中發揮著至關重要的作用。李磊教授在南開大學生命科學學院創建了蛋白質周轉率測定的蛋白質質譜分析平臺，主要研究方向即為植物葉綠體和線粒體的蛋白質穩態調控。其中，穩定同位素標記的蛋白質組學技術是主要手段之一，同時需結合細胞生物學以及分子生物學等多方面的方法開展策略研究。

目前研究工作主要圍繞兩個方面，一方面是逆境對植物能量細胞器的影響，尤其是在高光照這個非生物逆境對于葉綠體蛋白質穩態調控方向。另一方面是針對前期工作中發現的線粒體中一些高周轉率的蛋白質，對于植物線粒體蛋白質穩態的調控機制的研究。

值得注意的是，深入研究能量細胞器，需要對細胞器進行純化、分離處理，這對于細胞器的研究帶來了額外的技術手段的要求，同時也帶來了新的挑戰。

蛋白質周轉率-植物能量利用的動態研究

蛋白質的合成和降解決定了蛋白質的周轉的動態過程。這個周轉過程需要消耗大量能量分子ATP，占到了呼吸作用的30%到50%的能量甚至更多。周轉率研究的是蛋白質分子合成降解的動態過程，而不僅僅局限于傳統蛋白質對于蛋白質表達豐度或翻譯后修飾等方面。“這是一個新的研究策略”李磊教授說。經過十多年的努力，創建了蛋白質周轉率研究技術平臺。

蛋白質周轉率分析一方面可以分析哪些是高周轉蛋白，另一方面可以計算哪些蛋白質在細胞周轉中消耗更多的能量。可以廣泛應用在植物逆境或細胞發育過程的研究中。這對于植物能量高效利用以及未來建立能量高效農業，都有潛在應用價值。

蛋白質組學-蛋白質周轉率的主要分析手段

蛋白質周轉率的研究的方法，具體而言，是應用重的穩定同位素標記法，通過質譜分析，對標記后的蛋白質分子的肽段進行分離和定量。計算新合成的被穩定同位素標記的蛋白質和原來的蛋白質之間的比例，進而得到蛋白質的周轉率。

李磊教授研究團隊利用穩定同位素¹³CO₂標記，通過蛋白質組學質譜分析的方法，發現了高強度光照可以激活包括D1在內的七十多種蛋白質周轉率快速升高。結合多組學分析發現，高光可引發廣泛的蛋白質降解，相關蛋白質的編碼基因多數被激活表達，但蛋白質的豐度并未發生明顯變化。該發現解決了長久以來困擾生物學家的基因表達發生顯著激活，而蛋白質穩態得以維持的生物學問題。僅有少數蛋白質的編碼基因未被激活，蛋白質水平呈現降低趨勢，從而成為光損傷的蛋白質靶點。這些靶標蛋白質為未來穩定提高光合作用效率應用研究奠定了基礎。

分析手段與研究展望

李磊教授從事植物蛋白質組學研究有將近15年時間，質譜分析儀器是蛋白質周轉率研究的利器之一。現代質譜儀器靈敏度、分辨率、覆蓋率等方面的性能越來越高，對于蛋白質周轉包括其在內的植物蛋白質組學研究具有非常大的推動作用。

談到未來生命科學及科學儀器的發展，李磊教授希望未來在單細胞，甚至單細胞器的蛋白質組學分析方面能取得突破。在亞細胞水平上，進一步提高分析的深度，讓生命科學研究更加聚焦。這需要學界和質譜儀器公司從科學問題和儀器性能的不同角度來共同來推動。

目前，國內植物蛋白質組學研究著眼于在大的方向或領域，而國外研究相對聚焦具體的科學問題。國內植物蛋白質組學研究處于高速發展階段，李磊教授團隊正在積極發展，迎頭趕上，爭取揭開更多的、更聚焦的生物學問題的奧秘。