英文标题：Lactylome Profiling Reveals the Potential Role of Lysine Lactylation in Regulating Soybean Seed Quality
发表期刊：Journal of Agricultural and Food Chemistry
影响因子：6.2
研究背景
赖氨酸乳酸化(Lysine lactylation, Kla)是近年新发现的蛋白质翻译后修饰，以乳酸为供体修饰赖氨酸残基，可调控蛋白功能、基因表达与代谢通路，在哺乳动物发育、肿瘤发生、免疫应答中作用关键。目前该修饰研究多集中于动物体系，植物领域仅在水稻、小麦、玉米中初步揭示其参与碳代谢、种子萌发与逆境响应，豆科植物中赖氨酸乳酸化的修饰特征与功能仍属空白。
大豆是全球核心粮油作物，种子蛋白与油脂含量是决定品质的关键性状，其积累受复杂分子网络调控，但现有研究多聚焦转录调控层面，对翻译后修饰的调控作用关注极少。乳酸作为糖酵解关键代谢产物，兼具能量中间物与信号分子功能，还可改善食品品质，为探索大豆品质调控提供了新视角。
野生大豆与栽培大豆的种子蛋白、油脂含量差异显著，但其背后的翻译后修饰调控机制尚不明确。对此，本研究首次对野生大豆(ZYD)与栽培大豆(SN14)种子进行全面的乳酸化组学分析，结合蛋白质组学与代谢组学，系统鉴定乳酸化位点及修饰蛋白，旨在揭示Kla在大豆种子发育及品质形成中的潜在作用。
研究结论
01.野生与栽培大豆的蛋白、油脂及乳酸含量差异
本研究连续四年测定发现：与栽培大豆SN14相比，野生大豆ZYD种子的油脂含量显著更低，蛋白含量显著更高（图1A）；同时，ZYD种子中蛋白体数量更多、油体数量更少（图1B）。
为探究上述品质差异是否与赖氨酸乳酸化有关，它们种子的乳酸含量（乳酸为该修饰的供体分子）被进一步检测。结果显示，ZYD的乳酸水平显著高于SN14（图1C）。结合Western blot实验，二者均存在乳酸化修饰，且修饰模式明显不同（图1D）。由此可见，种子品质差异或许与乳酸含量及乳酸化模式有关。
为进一步阐明潜在机制，研究对SN14和ZYD种子进行了定量蛋白质组学、乳酸化修饰蛋白组学及非靶标代谢组学分析（图1E）。
图1.ZYD和SN14的表型特征
02.大豆种子赖氨酸乳酸化修饰的特征分析
通过乳酸化蛋白组学分析，总计558个乳酸化肽段被鉴定，覆盖327个蛋白上的783个乳酸化位点（图2A）。为解析位点周围序列特征，研究提取每个乳酸化赖氨酸上下游各10个氨基酸，共发现六个显著基序（图2B）。结合热图分析，乳酸化位点上下游特定位置存在氨基酸富集，例如甘氨酸(G)在+2位、谷氨酸(E)在−8位显著富集（图2C）。另外，与小麦等植物对比，部分基序（如含AxxxKlaD和ExxxKlaG的基序）具有保守性，但另一些基序为大豆特有。整体而言，大豆种子中赖氨酸乳酸化基序既有进化保守特征，也存在物种特异性。
图2.大豆种子赖氨酸乳酸化修饰的特征分析
03.野生大豆与栽培大豆赖氨酸乳酸化修饰的差异分析
为探究野生与栽培大豆间赖氨酸乳酸化修饰的差异，研究接着对野生/栽培大豆的乳酸化蛋白进行了定量分析。结果显示，野生大豆ZYD的整体乳酸化修饰水平更高（图3A）。其中，差异乳酸化修饰蛋白主要分布于细胞质（27%）、叶绿体（24%）、线粒体（14%），少量分布于细胞核、内质网等结构，大量蛋白定位于脂类与氨基酸代谢核心的线粒体（图3B）。
COG/KOG功能注释表明，差异蛋白主要参与翻译后修饰、翻译、能量生成与转化，同时介导糖、脂、氨基酸等物质的转运及次生代谢（图3C）。KEGG通路富集显示，这些蛋白集中参与糖代谢、氨基酸代谢、能量代谢、脂质代谢等核心通路（图3D）。GO富集分析发现，它们参与ADP/ATP转运、线粒体蛋白定位等过程，分子功能以跨膜转运、蛋白催化、营养储存为主（图3E）。
简言之，野生与栽培大豆的差异乳酸化修饰蛋白主导糖、脂、氨基酸代谢，与二者种子蛋白和油脂含量差异高度相关，证明赖氨酸乳酸化是调控大豆种子品质的重要翻译后修饰方式。
图3.野生大豆与栽培大豆赖氨酸乳酸化修饰差异分析
04.蛋白质组与乳酸化修饰整合分析
借助定量蛋白质组分析，研究从野生/栽培大豆的干种子中鉴定出4132个蛋白，内含674个差异积累蛋白(DAPs)，其中ZYD中上调234个、下调440个（图4A）。
进一步整合蛋白质组与乳酸化修饰数据发现：相较于SN14，ZYD中94个蛋白表达不变，但乳酸化修饰显著上调，15个显著下调；13个蛋白丰度和修饰均上调，13个蛋白丰度降低但修饰升高；2个蛋白丰度和修饰均降低，3个蛋白丰度升高但修饰降低（图4B）。KEGG聚类分析显示，ZYD中表达不变，但乳酸化上调的蛋白富集于亚油酸代谢、TCA循环、糖酵解/糖异生、多种氨基酸降解及RNA降解等通路；而丰度下调但乳酸化上调的蛋白则富集于脂肪酸降解、丙酮酸代谢、乙醛酸和二羧酸代谢等通路（图4C）。
综合来看，该结果证实了赖氨酸乳酸化与能量、脂质及蛋白质代谢高度相关，为阐明大豆种子品质的调控机制提供了新的分子依据。
图4.蛋白质组学与乳酸化修饰的综合分析
05.构建乳酸化修饰调控大豆种子油脂与蛋白质含量的互作调控网络
大豆种子的油脂与蛋白质含量、碳水化合物积累（糖酵解/糖异生、TCA循环等），以及脂肪酸、氨基酸的生物合成密切相关。研究发现，这些途径中调控油脂与蛋白含量的关键酶均存在差异乳酸化修饰。基于此，研究进一步整合多组学数据（蛋白质组、乳酸化修饰蛋白组和代谢组数据），构建出赖氨酸乳酸化调控大豆种子油脂与蛋白含量的互作网络（图5），核心结果如下：
①中心碳代谢关键酶的乳酸化水平在野生大豆ZYD中显著高于栽培大豆SN14，ZYD的柠檬酸、苹果酸等脂肪酸合成中间体含量显著降低（图5A）。
②脂肪酸降解关键酶的乳酸化修饰在ZYD中显著增强，酶活提升得以加速脂肪酸分解；同时ZYD的PA、DAG、PC等脂质合成前体含量大幅下降，脂质合成前体库缩减，共同导致ZYD油脂含量更低（图5B-C）。
③蛋白积累层面，ZYD中大豆球蛋白、Cupin蛋白、种子成熟蛋白、蛋白酶抑制剂及核糖体蛋白等显著上调，匹配高蛋白表型（图5D）。种子关键贮藏蛋白的乳酸化位点修饰水平在ZYD中显著升高，乳酸化可增强蛋白稳定性，促进蛋白积累。
图5.基于蛋白质组、修饰组与代谢组整合分析的蛋白与油脂积累通路互作网络
综上所述，赖氨酸乳酸化在大豆种子的脂肪酸代谢和蛋白质合成途径中均发挥关键作用。通过调节酶活性和增强蛋白稳定性，这一翻译后修饰影响油脂和蛋白等关键贮藏物质的积累，这些物质对种子品质至关重要。此外，野生与栽培大豆品种间乳酸化水平的差异表明，这些修饰可能在大豆的选择和驯化过程中发挥了作用（图6），意味着乳酸化修饰在优化油脂和蛋白含量方面具有重要价值。
图6.大豆种子油脂含量、蛋白质含量与赖氨酸乳酸化的调控模型
研究总结
本研究首次对野生大豆(ZYD)与栽培大豆(SN14)种子开展赖氨酸乳酸化修饰蛋白组学分析，系统鉴定出327个蛋白上的783个乳酸化位点，明确了大豆乳酸化修饰的保守基序与物种特异性特征。研究发现，野生大豆乳酸含量与整体乳酸化水平显著高于栽培大豆，差异修饰蛋白主要定位于细胞质、叶绿体与线粒体，富集于糖、脂、氨基酸及能量代谢通路。多组学整合分析表明，赖氨酸乳酸化通过增强脂肪酸降解关键酶的修饰水平、抑制油脂合成前体积累，降低种子含油量；同时通过提升贮藏蛋白乳酸化修饰增强其稳定性，促进蛋白积累。综合而言，赖氨酸乳酸化是调控大豆种子油分与蛋白含量平衡的重要翻译后修饰，这为大豆品质改良与分子育种提供了全新靶点与理论依据。
