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編譯：Mr. Left，編輯：十九、江舜堯。

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1 硫組學(xué)的現(xiàn)狀如何？

從概念上講，系統(tǒng)方法旨在提供盡可能多的無偏數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)提供了有關(guān)研究主題的初步信息，這里是指植物硫代謝。為了進(jìn)行數(shù)據(jù)驗證，分析程序的迭代循環(huán)是必要的（圖1A），旨在了解調(diào)節(jié)植物硫代謝和穩(wěn)態(tài)的分子反應(yīng)和生理過程。然后，使用系統(tǒng)或更有針對性的方法在迭代過程中分析初始結(jié)果，以更好地理解系統(tǒng)，例如通過采用改變條件或通過正向和反向遺傳學(xué)鑒定選定候選基因的突變體。

2 擬南芥關(guān)于硫代謝的轉(zhuǎn)錄組學(xué)

擬南芥已被確立為有價值的模型植物系統(tǒng)。擬南芥基因組序列的發(fā)布提高了其作為研究工具的價值，并促進(jìn)了旨在破譯整體而非單個植物對特定條件的反應(yīng)的方法。此類系統(tǒng)方法已被用于研究植物硫酸鹽代謝，目的是系統(tǒng)地闡明分子反應(yīng)。早期分析著重于硫酸鹽吸收，還原和同化過程的基因和代謝產(chǎn)物響應(yīng)，而系統(tǒng)方法則試圖檢驗整個系統(tǒng)內(nèi)部的聯(lián)系和相互作用。這是基于一個固有的假設(shè)，即對硫酸鹽饑餓的反應(yīng)不僅會影響硫的代謝本身，而且還會影響其他相互聯(lián)系的過程和下游過程。顯然，在這種情況下，植物的不同部分，如根，葉或種子將顯示一般響應(yīng)和特定響應(yīng)。此外，在分析植物對硫酸鹽的吸收或隨時間再供應(yīng)的反應(yīng)時，必須考慮發(fā)育因素。Hirai等人（2003），Nikiforova等人（2003），和Maruyama-Nakashita等人（2003）使用擬南芥開創(chuàng)了作為硫系統(tǒng)生物學(xué)部分的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究。為了解決隨著時間的推移響應(yīng)的發(fā)展，在不同的S饑餓時間下，進(jìn)行了硫（S-）缺乏的擬南芥幼苗的轉(zhuǎn)錄組分析。S缺乏后OAS積累，早期研究認(rèn)為它是S饑餓的信號，后來的確證明了這一點。由于當(dāng)時的技術(shù)局限性，這些開創(chuàng)性研究是在每個包含約10 000個隨機cDNA的宏陣列上進(jìn)行的，或者是將Affymetrix 8K芯片與約8000個基因的探針一起使用的。鑒定出的差異表達(dá)基因包括一些已知對S狀態(tài)有反應(yīng)的基因，例如硫轉(zhuǎn)運蛋白，這證實了該方法的有效性。更有趣的是，獲得了有關(guān)新基因的信息。因此，除了已知的基因，這些早期研究還提供了一個基因目錄，至今尚未分配這些基因響應(yīng)于S缺乏的生長條件的功能。

在擬南芥上進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄組研究的數(shù)量仍然很低，總共只有14個（表1）。可以合理地包括一系列暴露于硒的植物，因為它可以與硫競爭，從而模擬了S的缺乏。在相關(guān)的十字花科物種中，對油菜進(jìn)行了硫酸鹽饑餓研究。盡管油菜對硫酸鹽的需求很高，但缺乏有關(guān)此主題的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究。關(guān)于擬南芥，在早期研究中研究的組織和條件已經(jīng)非常多樣（表1）。這提供了豐富的信息，但是由于關(guān)于所應(yīng)用的硫酸鹽水平和/或所檢查的組織，每個實驗都是基于非常特殊的條件，因此很難進(jìn)行研究之間的比較。例如，針對S缺乏而研究的組織包括在瓊脂平板上生長的整個幼苗，分成葉和根的幼苗以及正在發(fā)育的種子。隨后的研究測定了深層幼苗培養(yǎng)基中暴露于S缺乏的整個幼苗，然后重新補給S以評估恢復(fù)過程，水培生長的根部組織暴露于S缺乏并分成各種細(xì)胞類型的一部分，并且研究表明，S缺乏是其他綜合脅迫中的一個因素。硫酸鹽饑餓已被用作研究油菜中韌皮部特異性微小RNA的條件。盡管僅分析了韌皮部RNA組分的一部分，但有關(guān)擬南芥的miRNA-395調(diào)控功能的結(jié)果在進(jìn)一步的研究中得到了證實。已經(jīng)研究了響應(yīng)酸雨條件的硫酸鹽代謝，在低pH條件下S的高輸入。由于化石燃料燃燒釋放出SO₂，酸雨在許多國家中都是生態(tài)和健康問題。在北美和歐洲，由于立法措施規(guī)范了化石燃料的工業(yè)和家庭使用，近二十年來，SO₂的排放已成功減少。但是，這因此減少了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的硫投入，這反過來又引發(fā)了其對農(nóng)業(yè)影響的研究。從分子角度看，小麥中與硫營養(yǎng)反應(yīng)相關(guān)的幾個轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集可能是研究硫輸入影響的主要資源（表1）。

所有系統(tǒng)生物學(xué)方法的一個共同特點是它們產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。因此，必須開發(fā)或修改統(tǒng)計方法來解決此問題。在硫系統(tǒng)生物學(xué)的背景下，此類方法已被應(yīng)用于早期轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)集。尤其是在嘗試關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)時，不可避免地有必要應(yīng)用生物信息學(xué)方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋和模型開發(fā)。結(jié)果通常顯示為相關(guān)網(wǎng)絡(luò)。這種方法旨在過濾數(shù)據(jù)以消除與基因表達(dá)和代謝產(chǎn)物含量相關(guān)的變異性的“噪音”，并以此突出具有統(tǒng)計學(xué)意義的差異。

系統(tǒng)方法，如轉(zhuǎn)錄組學(xué)，蛋白質(zhì)組學(xué)或代謝組學(xué)的一個限制因素是，即使確定濃度差異本身，它們也可能不代表相關(guān)蛋白質(zhì)或酶或代謝物通量的變化。轉(zhuǎn)錄組學(xué)無法揭示重要基因的這種情況的一個例子是轉(zhuǎn)錄因子硫限制1（SLIM1，AT1G73730），該基因已通過擬南芥突變體的遺傳篩選而確定，并已證明可控制S饑餓響應(yīng)的主要部分。就目前的數(shù)據(jù)而言，SLIM1本身在S缺乏時不受轉(zhuǎn)錄調(diào)控，或僅受轉(zhuǎn)錄調(diào)控。EIN3（AT3G20770）是參與乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要因子，已被證明可調(diào)節(jié)SLIM1與其靶基因啟動子的結(jié)合活性。正如作者所表明的那樣，這可能會干擾SLIM1對靶基因的S缺乏依賴誘導(dǎo)。但是，它們并不排除其他調(diào)節(jié)劑可能參與S缺乏響應(yīng)形成的可能性。因此，要揭示植物S代謝調(diào)控的復(fù)雜性，很明顯，盡管系統(tǒng)方法提供了豐富數(shù)據(jù)，但仍需結(jié)合目標(biāo)分析來揭示對S缺乏的細(xì)胞和生理反應(yīng)（圖1A）。系統(tǒng)生物學(xué)結(jié)果在數(shù)據(jù)庫中的沉積可以在新知識可用時，例如改進(jìn)的基因注釋，重新訪問數(shù)據(jù)，這不僅可以確認(rèn)最初的假設(shè)，還可以提供新的信息（圖1A）。最近，Henríquez-Valencia等人（2018）使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)集以及新的生物信息學(xué)方法進(jìn)行了比較元研究。這導(dǎo)致了對轉(zhuǎn)錄因子網(wǎng)絡(luò)的鑒定，該轉(zhuǎn)錄因子網(wǎng)絡(luò)為硫酸鹽研究提供了新的候選基因，而在單獨實驗設(shè)置中是無法鑒定的。這也凸顯了向科學(xué)界提供進(jìn)一步的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究以增進(jìn)作者的知識的需要。隨著與S代謝有關(guān)的數(shù)據(jù)的沉積，包括除擬南芥以外物種的數(shù)據(jù)（表1），這種方法將對假說的生成產(chǎn)生更大的影響。與植物S代謝相關(guān)的新候選基因和生化過程將被鑒定為這些基于系統(tǒng)和針對性方法的結(jié)果。這是一個不斷辯論的問題，可能是由個人研究興趣驅(qū)動的，關(guān)于僅在各種條件下和在各種植物中發(fā)生的“魯棒”過程是否相關(guān)，還是僅在某些條件下發(fā)生的“特定”響應(yīng)對增進(jìn)作者對植物硫生理的理解最有意義。

盡管最初的高通量分析可以導(dǎo)致假設(shè)的產(chǎn)生，但需要對這些假設(shè)進(jìn)行實驗測試以進(jìn)行進(jìn)一步的驗證（圖1A）。單靠編目不足以發(fā)展過程知識，最終不足以將其用于植物育種和農(nóng)作物生產(chǎn)。驗證工作必然需要以迭代方式采用所有級別的分子生物學(xué)和基于生物信息學(xué)的方法。一個例子是通過突變方法研究預(yù)測的樞紐基因。在響應(yīng)S缺乏的網(wǎng)絡(luò)中，三個轉(zhuǎn)錄因子IAA13，IAA28和ARF-2（ARF1結(jié)合蛋白）已被確定與多個下游和上游相互作用因子連接，因此構(gòu)成了樞紐，使其有可能代表重要基因。Falkenberg等人（2008）隨后證明，這些轉(zhuǎn)錄因子確實在控制植物硫酸鹽代謝的某些方面發(fā)揮了作用，因此驗證了以下假設(shè)：相關(guān)網(wǎng)絡(luò)樞紐的識別確實是可用于識別相關(guān)靶基因的工具——在這種情況下，將S缺乏與生長素信號傳導(dǎo)聯(lián)系起來。實際上，IAA28可能構(gòu)成額生長素信號傳導(dǎo)，饑餓和根發(fā)育變化之間的聯(lián)系，盡管這在功能上尚待證明。以前已假定與生長素的聯(lián)系。另一個例子是對硫缺乏誘導(dǎo)1（SDI1）和SDI2的功能作用的鑒定（圖1B）。一項針對小麥的AFLP研究鑒定SDI為強響應(yīng)性S缺乏基因，并且在早期對S缺乏和OAS處理的擬南芥的微陣列研究中也堅定了SDIs。然而，這些最初的研究尚不清楚SDI基因的功能。OAS相關(guān)反應(yīng)的生物信息學(xué)方法和突變方法相結(jié)合以及轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析相結(jié)合，揭示了SDI1和SDI2通過蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的結(jié)合與先前描述的轉(zhuǎn)錄因子MYB28相互作用。在擬南芥中剝奪S后，這種結(jié)合下調(diào)了MYB28轉(zhuǎn)錄，因此減少了芥子油苷的生物合成。從功能上講，這可能會將S資源從次級代謝轉(zhuǎn)移到初級代謝。有趣的是，Hubberten等人（2012a）還揭示了一組在各種條件下共同調(diào)控的OAS響應(yīng)基因，稱為OAS簇基因。共同調(diào)節(jié)的表達(dá)暗示著共同的上游調(diào)節(jié)控制機制的存在，這值得研究。

3 擬南芥與硫代謝相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子

植物硫代謝對硫酸鹽可用性變化的響應(yīng)已被很好地描述。在調(diào)節(jié)方面，已經(jīng)鑒定了幾種候選基因（表2）。“組學(xué)”方法通常不會識別轉(zhuǎn)錄后或翻譯后的修飾，除非它們專門設(shè)計用于指示修飾，例如硫巰基化或DNA甲基化。蛋白質(zhì)組學(xué)方法適合于鑒定蛋白質(zhì)的修飾，但有關(guān)擬南芥對S缺乏響應(yīng)的研究數(shù)量很少。關(guān)于引起S缺乏響應(yīng)的信號分子的信息甚至更少。結(jié)果表明磷酸化的參與是有針對性的，而不是系統(tǒng)分析的結(jié)果，除了蔗糖非發(fā)酵-1相關(guān)蛋白激酶（SNRKs）的潛在參與，這是基于硫酸鹽，硝酸鹽和磷酸鹽缺乏擬南芥的不同根細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)錄組學(xué)提出的。OAS被認(rèn)為是潛在的信號，并且已經(jīng)積累了證據(jù)來證實其信號功能。但是，盡管SDI1和SDI2似乎是由OAS誘導(dǎo)的，由于尚未確定受體或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)鏈，因此尚不清楚如何準(zhǔn)確地感知OAS。除OAS外，還提出了硫酸鹽同化途徑的其他幾種中間體作為信號，包括硫酸鹽，亞硫酸鹽，在硫巰基化中起作用的硫化物，谷胱甘肽（GSH）和半胱氨酸。問題在于，硫酸鹽同化途徑對其代謝產(chǎn)物濃度的任何變化都會與該途徑其他代謝產(chǎn)物的相關(guān)變化發(fā)生反應(yīng)，從而難以辨別個體效應(yīng)。對于OAS，可以通過在誘導(dǎo)型啟動子的控制下表達(dá)絲氨酸乙?；D(zhuǎn)移酶（SERAT）基因，并通過發(fā)現(xiàn)OAS可能與在沒有檢測到含S代謝物進(jìn)一步變化的條件下誘導(dǎo)的脅迫誘導(dǎo)的活性氧（ROS）有關(guān)。轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究尚未確定受體。突變方法可能提供此信息，但是盡管這種方法確實將SLIM1鑒定為控制硫酸鹽饑餓反應(yīng)某些部分的轉(zhuǎn)錄因子（TF），但并未鑒定出含S代謝產(chǎn)物的受體。各種激素通常都在硫酸鹽代謝的調(diào)控中發(fā)揮作用，但是它們的確切參與仍然難以捉摸。已經(jīng)鑒定了細(xì)胞分裂素受體CRE1/AHK4（細(xì)胞分裂素應(yīng)答1/擬南芥組氨酸激酶4），并表明在調(diào)節(jié)硫酸鹽吸收中發(fā)揮作用。先前已確定該受體可通過抑制磷酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白的表達(dá)來調(diào)節(jié)磷酸鹽饑餓反應(yīng)，并在具有磷和硫供應(yīng)充足的條件下下調(diào)根中硫酸鹽的吸收。TF磷酸鹽饑餓反應(yīng)1（PHR1）也已知與硫酸鹽代謝的控制有關(guān)，因為phr1突變體中芽到根的硫酸鹽轉(zhuǎn)運受到影響，并且在P缺乏條件下硫代異鼠李糖二?；视?/span>（SQDG）的積累相對于野生型減少約2倍。這些發(fā)現(xiàn)表明P和S代謝之間存在串?dāng)_。

一項專門鑒定對硫酸鹽缺乏和補給響應(yīng)但對N或P饑餓無響應(yīng)的TFs的比較研究產(chǎn)生了幾種候選物（表2）。在同一項研究中，一組已知的TF，特別是與脂肪族和吲哚芥子油苷生物合成有關(guān)的那些（MYB28、29、76、34、51、122）與芥子油苷途徑基因的表達(dá)相關(guān)。此外，顯示出對硫的利用有響應(yīng)的TF包括調(diào)節(jié)花青素生物合成的那些，主要是MYB75（PAP1，花青素色素生成1），以及可能受PAP1控制的一組TF，即花青素MYB90（PAP2），MYB113和MYB114；類黃酮TT8（TRANSPAREN TTESTA 8），bHLH，TTG1（TRANSPARENT TESTA，GLABRA1），WD40和TTG2（TRANSPARENT TESTA GLABRA2）和WRKY。花青素和類黃酮生物合成的這種聯(lián)系很明顯，因為S饑餓的植物（與N和P饑餓的植物相同）顯示出葉片中紅色色素的積累。盡管由S缺乏引起，但這些TF也可能是更普遍的脅迫緩解系統(tǒng)的一部分。Bielecka等人（2015年）建議的大多數(shù)TF尚未通過進(jìn)一步的分析得到驗證，但它們?yōu)閷淼难芯刻峁┝藢氋F的數(shù)據(jù)資源。揭示信號，受體，信號級聯(lián)，TF和其他控制植物S代謝的調(diào)節(jié)劑是一項持續(xù)的挑戰(zhàn)。

表2 提出的與S代謝有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子和調(diào)節(jié)劑建議

4 關(guān)于擬南芥硫代謝的代謝組學(xué)

細(xì)胞或組織中所有代謝物的總和稱為代謝組。專門針對擬南芥對S缺乏或S補給的響應(yīng)的代謝組學(xué)研究數(shù)量很少（表3）。在主要代謝物組成的水平上，作者假定大多數(shù)植物將共享相關(guān)的反應(yīng)，因為主要代謝物構(gòu)成了所有植物中存在的，為生命的基本功能服務(wù)的代謝途徑。因此，即使在不同物種之間比較S相關(guān)的代謝組學(xué)研究也是合理的（圖1A；表3）。這些研究顯示出硫酸鹽，硫醇和其他含S代謝物的組織水平降低形式的常見變化，而其他代謝物（如OAS）則不斷積累。它們還顯示出對代謝物組成的不可預(yù)測的影響，例如減少葉綠素，蛋白質(zhì)和RNA的含量，以及富氮化合物，如尿囊素，天冬酰胺，谷氨酰胺和腐胺的積累。黃酮積累作為MYB75表達(dá)的效果，由葉組織的顏色偏紅所示。關(guān)于次生代謝產(chǎn)物，在得出結(jié)論時必須格外小心；例如，在十字花科（如擬南芥和油菜）中，硫酸鹽被剝奪后芥子油苷含量降低，但在不存在這些化合物的其他植物中則不如此。

表3 與硫代謝有關(guān)的代謝組學(xué)分析

* CE，毛細(xì)管電泳；DI-ICR，直接注入離子回旋共振；FT，傅立葉變換；FTICR，傅立葉變換離子回旋共振；GC，氣相色譜；HPLC，高效液相色譜法；IC，離子色譜；ICR，離子回旋共振；ICP-OES，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀；LC，液相色譜；MS，質(zhì)譜；QTOF，四極飛行時間；TOF，飛行時間；UPLC，超高效液相色譜。

可以說，代謝組學(xué)僅暗示受影響的途徑，而沒有提供有關(guān)實際上參與調(diào)節(jié)代謝成分的蛋白質(zhì)或基因的詳細(xì)信息。可以假定代謝物的組成反映了所有與以前所有調(diào)節(jié)反應(yīng)和生化步驟有關(guān)的轉(zhuǎn)錄，翻譯，酶活性和通量動態(tài)的整合。因此，代謝組學(xué)數(shù)據(jù)包含有關(guān)植物如何適應(yīng)給定脅迫（例如S缺乏）的信息。代謝模式的改變可能會提供有關(guān)受影響途徑的信息，但很少提供涉及產(chǎn)生整體產(chǎn)出的單個基因或酶的信息。代謝組中不存在的中間體的積累有助于確定生物合成途徑中的瓶頸以及所涉及的基因，酶或拯救機制。OAS在S缺乏時積累，它是半胱氨酸生物合成的中間產(chǎn)物，通常在植物組織中以低濃度存在，因此暗示了其相關(guān)酶SERAT和O-乙酰絲氨酸（硫醇）裂解酶（OASTL）的活性發(fā)生了改變。這些研究最終導(dǎo)致了半胱氨酸合酶復(fù)合物（CSC）的功能測定。對OAS積累而S不耗盡的情況進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析相結(jié)合，表明OAS是一種推定的信號分子，可以誘導(dǎo)一組稱為OAS簇基因的基因。OAS已被CSC鑒定為半胱氨酸生物合成的前體，并且是該復(fù)合物在酶活性水平上自身合成的調(diào)節(jié)劑。具體而言，在擬南芥中，OAS可能是下調(diào)芥子油苷生物合成的信號，有利于通過激活SDI1和SDI2將剩余的S資源轉(zhuǎn)移至初級代謝。由于發(fā)現(xiàn)所有受檢植物物種中都存在SDI，因此它們可能承擔(dān)了其他生物學(xué)功能，例如介導(dǎo)對涉及ROS的脅迫和發(fā)育過程的響應(yīng)。然而，這仍有待驗證。

植物的最終目標(biāo)是保持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，以支持生長和最終繁殖，因此即使在S脅迫條件下，代謝組的相對穩(wěn)定性也是如此。作者推測，在S缺乏的情況下，所有調(diào)節(jié)努力均旨在保持平衡的代謝物組成或激活補償措施以替代消耗的代謝物，例如在S缺乏的生長條件下消耗ROS保護(hù)性GSH。因此，在代謝組水平上，僅當(dāng)資源降至維持生物合成的特定閾值以下時，代謝物含量才會發(fā)生變化。通量分析可以提供有關(guān)如何通過改變通量來保持代謝物水平恒定的信息。作者建議將代謝組學(xué)與其他目標(biāo)或非目標(biāo)數(shù)據(jù)（例如轉(zhuǎn)錄組學(xué)或通量分析）整合，然后檢查組合數(shù)據(jù)的相關(guān)性。最近，重同位素（³⁴S）的使用提供了新的信息（表3）。盡管以前的代謝組學(xué)研究集中于半胱氨酸，蛋氨酸，谷胱甘肽和S-腺苷甲硫氨酸等主要的含S代謝物以及芥子油苷和硫脂的次生代謝物，但使用³⁴S-硫酸鹽已經(jīng)可以鑒定出140多種先前未知的含有對硫酸鹽缺乏或不同基因突變有不同反應(yīng)的含S化合物。作者通過調(diào)用硫代謝的重新評估得出結(jié)論。但是，這些新型化合物中的幾種尚未注釋。低濃度S化合物是否確實可以對植物代謝產(chǎn)生影響，需要進(jìn)行評估。一個特殊的案例是大蒜和洋蔥中促進(jìn)健康的化合物的鑒定（表3），其中重同位素標(biāo)記有助于鑒定相關(guān)的化合物和途徑。次生代謝物分析主要提供植物科內(nèi)的信息。然而，這些研究中介紹的方法適用于其他物種，因此有助于硫系統(tǒng)生物學(xué)。

5 蛋白質(zhì)組學(xué)

對于擬南芥，只有少數(shù)研究致力于確定S缺乏后葉片或根中蛋白質(zhì)組的變化（表4）。擬南芥種子的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)相結(jié)合，研究了對S缺乏的響應(yīng)，證實了貯藏蛋白的遷移，通過阻止低S 12S球蛋白的C末端降解并減少富S的2S白蛋白的數(shù)量，有利于那些含有較少S氨基酸的氨基酸。在S缺乏條件下的小麥和油菜的種子蛋白質(zhì)組學(xué)研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的發(fā)現(xiàn)，從而可以假設(shè)這構(gòu)成了普遍的反應(yīng)。但是，該反應(yīng)的分子機制和調(diào)節(jié)控制仍有待闡明。此外，這些研究表明，在S限制下，種子中誘導(dǎo)了S反應(yīng)基因，如硫酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白和APS還原酶，以及與ROS保護(hù)有關(guān)的幾個基因，這表明S剝奪的種子中存在ROS脅迫。鑒定出的基因與早期關(guān)于暴露于S脅迫的擬南芥研究中發(fā)現(xiàn)的基因重疊。據(jù)推測，ROS積累可能是S缺乏的種子中硫醇可用性降低的結(jié)果，并且種子具有抵消這些影響以保持活力的機制。研究表明，油菜中過量的S饑餓會削弱其活力和發(fā)芽能力。這些對S限制暴露的油菜的蛋白質(zhì)組學(xué)研究與對葉片和種子的代謝組學(xué)研究相結(jié)合，證實了擬南芥的發(fā)現(xiàn)，即了種子脂質(zhì)組成的其他變化有利于長脂肪酸鏈和葉片光合作用的降低。此外，這些研究還表明與擬南芥中所述的乙烯和茉莉酮酸酯代謝的關(guān)系。因此，其他十字花科物種的蛋白質(zhì)組學(xué)研究可能彌補了對擬南芥研究的不足。最近的一項研究集中于氣體遞質(zhì)H₂S和L-半胱氨酸脫硫酶1（DES1），它使用一種專門的蛋白質(zhì)組學(xué)方法來鑒定擬南芥中的硫巰基化蛋白。據(jù)信硫巰基化會影響多種生物學(xué)功能，包括應(yīng)激反應(yīng)和碳代謝，并顯示出一種新型的調(diào)節(jié)作用，該調(diào)節(jié)作用被認(rèn)為可抵消亞硝基化介導(dǎo)的氣體遞質(zhì)NO的反應(yīng)，后者可能作用于相同的蛋白質(zhì)。作者預(yù)計將來會進(jìn)行基于系統(tǒng)生物學(xué)的詳細(xì)研究來研究硫巰基化的影響。一項對西藏高山植物獨一味的蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，H₂S是適應(yīng)高海拔脅迫的重要因素，并將S代謝與此適應(yīng)過程和氧化脅迫相關(guān)聯(lián)。蛋白質(zhì)組學(xué)對重金屬脅迫的響應(yīng)尚未就S蛋白質(zhì)組學(xué)本身提供許多新穎的信息。已測定的特定重金屬脅迫包括各種植物和組織，如擬南芥葉，楊樹葉和根以及芥菜根暴露于鎘。另外，已經(jīng)研究了鉻和亞砷酸鹽的暴露。但是，這些研究仍與S代謝有關(guān)，因為GSH和植物螯合肽的合成對于解毒金屬離子和/或減輕ROS的影響至關(guān)重要。

des1突變體植物中的硫巰基化分析提供了一個使用“組學(xué)”分析進(jìn)行重復(fù)分析循環(huán)的示例，如圖1A所示。圖中所示方法的另一個示例是，在初始階段，對暴露于S缺乏的野生型植物進(jìn)行了“組學(xué)”研究（表1），然后在一個反復(fù)的分析周期中，由于針對性的研究工作或從先前的“組學(xué)”研究中鑒定出的候選基因（例如SDI1和SDI2；圖1B），對突變體進(jìn)行了分析。

表4 與硫代謝有關(guān)的蛋白質(zhì)組分析

2DE，二維凝膠電泳；ESI LC-MS/MS，串聯(lián)質(zhì)譜電噴霧電離液相色譜；MALDI-TOF，基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間；納米LC-MS/MS，納米級液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用；SDS-PAGE，聚丙烯酰胺凝膠電泳。

5 擬南芥關(guān)于硫代謝的生物信息學(xué)

在過去的二十年中，硫系統(tǒng)生物學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為在S生理學(xué)研究中廣泛使用的分析方法。從一開始，“組學(xué)”研究產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)就很難識別相關(guān)信息。因此，在硫系統(tǒng)生物學(xué)發(fā)展的早期，就采用了生物信息學(xué)方法來確定響應(yīng)之間的相關(guān)性并推導(dǎo)相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)?；蚺c基因之間的關(guān)聯(lián)，基因與代謝物的關(guān)聯(lián)，聚類，主成分分析和批量學(xué)習(xí)自組織映射網(wǎng)略（BL-SOM）等方法有助于將數(shù)據(jù)組織到有關(guān)的相關(guān)單元中，并有助于生成假設(shè)，并因此鑒定候選基因或過程（圖1A）。BL-SOM成功使用的例子包括S代謝參與植物中藥用活性化合物的生物合成的鑒定，S代謝與控制花色苷生物合成的MYB轉(zhuǎn)錄因子PAP1之間的相關(guān)性的鑒定以及功能性SDI1和SDI2的闡明（圖1B）。顯然，一個重要方面是對實驗問題的明確定義以及所采用的實驗和應(yīng)用的生物統(tǒng)計學(xué)方法：沒有這些，數(shù)據(jù)解釋將仍然不完整且不能令人滿意。統(tǒng)計上的挑戰(zhàn)是樣品數(shù)量（例如條件或植物基因型）與確定值（例如基因，代謝物，蛋白質(zhì)或其他數(shù)據(jù)）的數(shù)量較多之間的差距。為了解決這一挑戰(zhàn)，已開發(fā)了降維方法，并將其廣泛應(yīng)用于“組學(xué)”數(shù)據(jù)。

成功的S系統(tǒng)生物學(xué)要考慮的另一個因素是實驗和數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。這主要涉及實驗方面：如何種植植物，如何處理材料以及如何測量值。正如最近的研究所證明的那樣，可用的S轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)已從在不同條件下生長的植物中獲得，并且已使用了各種組織和發(fā)育階段。這些研究之間仍然存在重疊，可以表明最有力的應(yīng)答者，通常是樣品之間表達(dá)或代謝物含量變化增量最大的。其中，已經(jīng)推測出NADPH氧化還原酶（AT1G75280）不能用作異黃酮還原酶（IFR），其在花青素/類黃酮的生物合成中具有活性，可在S缺乏和GSH缺乏的條件下提供ROS保護(hù)能力。這很可能與前面討論的S缺乏條件下PAP1與硫酸鹽代謝的相關(guān)性聯(lián)系起來。另一個例子是OAS簇基因的鑒定，該基因把組織中OAS積累的各種條件與一組共表達(dá)的基因關(guān)聯(lián)起來。在這里，這些多樣化的條件與S代謝之間的聯(lián)系尚未建立。因此，已證明支持硫系統(tǒng)生物學(xué)的生物信息學(xué)是成功的，因為早期發(fā)現(xiàn)為以后的詳細(xì)研究奠定了基礎(chǔ)（例如OAS簇基因），或者提供了可以進(jìn)一步測定其在植物S代謝中的功能的候選基因（例如IFR）。

一個重要的問題是基因表達(dá)中的細(xì)微差異可能難以識別。例如，TFs的轉(zhuǎn)錄變化通常很低，閾值通常只涉及1.5倍或2倍的變化，可能幾乎不超過背景變化。即使方法已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，不同實驗室產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也存在差異。Massonnet等人（2010年）組織了許多獨立實驗室，使用相似的基因型和標(biāo)準(zhǔn)化的生長條件，以葉表型，轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)為輸出，或者將一個實驗室生產(chǎn)的材料分發(fā)給其他實驗室進(jìn)行分析，從而進(jìn)行相同的實驗。盡管進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，但仍觀察到所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的差異。有人認(rèn)為這種變化是由于植物和樣品處理的可變性（即人為因素）以及生長條件（光質(zhì)量，溫度和水）的細(xì)微差異引起的。而且，S缺乏的可比性更加復(fù)雜，因為這是一個動態(tài)過程，并且取決于所應(yīng)用的缺乏的特定級別。如果能夠在標(biāo)準(zhǔn)條件，植物品系和程序上達(dá)成共識，并在更系統(tǒng)，更完整的系統(tǒng)目錄中，對不同的S缺乏和補給條件做出響應(yīng)，這將有助于提高作者對S代謝的認(rèn)識。作為將來使用其他品種，條件或突變體進(jìn)行實驗的藍(lán)圖，這將是有幫助的，然后可以將其結(jié)果與該主數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較。目前可用的數(shù)據(jù)仍然允許對S轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行元分析，并且可以為可能在S代謝中發(fā)揮作用的新型TF提供建議。例如，Henriquez-Valencia等人（2018）推導(dǎo)了一個已知且推定相關(guān)的調(diào)節(jié)劑和TFs網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)特別表明了NF-YA2（AT3G05690，核轉(zhuǎn)錄因子Y亞基A-2）和RVE2（AT5G37260，reveille2）充當(dāng)S缺乏反應(yīng)的上游調(diào)節(jié)劑（表2）。NF-YA2和RVE2顯示與五個與S相關(guān)的響應(yīng)組件的連接。NF-YA2是由S耗竭誘導(dǎo)的，已被證明與幾種發(fā)育過程的調(diào)節(jié)有關(guān)，例如開花，葉片和根系結(jié)構(gòu)，并對N和P耗竭做出響應(yīng)。RVE2通過S耗竭而減少，并已證明與晝夜節(jié)律的發(fā)芽和控制有關(guān)。網(wǎng)絡(luò)分析表明，IAA28（AT5G25890）在S饑餓反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中起調(diào)節(jié)作用，盡管其表達(dá)在S耗盡后并沒有明顯改變。

硫系統(tǒng)生物學(xué)提供了新的信息，尤其是有關(guān)基礎(chǔ)研究結(jié)果的信息。轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法的一個固有特征是，它們無法識別轉(zhuǎn)錄后或甚至翻譯后發(fā)生調(diào)控的時間，例如通過酶活性或調(diào)控特性的變化。一個例子是第一個被識別為控制S代謝的TF，SLIM1，它在S缺乏后不會（或幾乎）不被轉(zhuǎn)錄改變。相反，SLIM1似乎是通過與EIN3的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用來調(diào)節(jié)的，EIN3是乙烯反應(yīng)途徑中的陽性調(diào)節(jié)劑。因此，系統(tǒng)生物學(xué)研究通常基于分子的差異積累來提供某些信息子集。因此，整合目標(biāo)分析或農(nóng)藝數(shù)據(jù)對于全面了解系統(tǒng)是必要的（圖1A）。硫系統(tǒng)方法已經(jīng)用于建立能夠鑒定和確認(rèn)新候選基因的模型，并且在隨后的應(yīng)用組學(xué)衍生候選物的靶向和非靶向分析的迭代過程中，使得進(jìn)一步的細(xì)節(jié)得以發(fā)現(xiàn)（圖 1A，B）。

由于S部分是眾多生物分子和生化過程的關(guān)鍵決定因素，因此系統(tǒng)方法突顯了似乎與真正的S同化和主要的含S代謝產(chǎn)物的生物合成無關(guān)的過程也就不足為奇了。硫組學(xué)是候選基因的豐富來源，其中許多仍在等待詳細(xì)測定。通過硫系統(tǒng)生物學(xué)方法產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)導(dǎo)致了有助于闡明植物S生理學(xué)的結(jié)果。系統(tǒng)生物學(xué)將繼續(xù)支持新基因的鑒定和候選基因的驗證，作為分子生物學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)工具。

要使作者的知識超出目前已實現(xiàn)的水平，可能需要什么？對植物（尤其是模型擬南芥）暴露于限定的S利用條件下進(jìn)行更系統(tǒng)的分析，將有助于提供藍(lán)圖，并將未來的研究結(jié)果與主數(shù)據(jù)集相關(guān)聯(lián)。可用于擬南芥的當(dāng)前系統(tǒng)生物學(xué)數(shù)據(jù)僅來自數(shù)量有限的條件，基因型和發(fā)育時間點（表1、3、4）。即使考慮其他植物種類，該數(shù)據(jù)庫也只是稍大一點。對于蛋白質(zhì)組學(xué)，可用的數(shù)據(jù)集不足。不僅需要分類蛋白質(zhì)含量的變化，而且還需要分類蛋白質(zhì)活性和蛋白質(zhì)修飾的變化，例如磷酸化，硫巰基化和谷胱甘肽化。最近關(guān)于蛋白質(zhì)硫巰基化的研究提供了一個迫切需要的例子。同樣，系統(tǒng)級別的通量分析通常會丟失，這將有助于構(gòu)建一致的功能網(wǎng)絡(luò)。這并不一定只是意味著更多的數(shù)據(jù)就是更好的數(shù)據(jù)，而是S研究界應(yīng)該就標(biāo)準(zhǔn)，方法以及數(shù)據(jù)存儲和交換達(dá)成共識。盡管可能包含冗余數(shù)據(jù)，作者甚至建議在不同實驗室之間進(jìn)行聯(lián)合研究。廣泛而可靠的數(shù)據(jù)庫對于將來的生物信息學(xué)嘗試來得出相關(guān)結(jié)論將是一個很好的資源。是否應(yīng)該通過集中研究諸如擬南芥之類的模型系統(tǒng)來避免數(shù)據(jù)碎片化，或者最終通過多種生物學(xué)對多種植物物種進(jìn)行分析是否可以提供更好的理解，尚需爭論。借助不斷改進(jìn)的序列技術(shù)，對基因組序列數(shù)據(jù)的可用性幾乎沒有任何限制，除了擬南芥模型系統(tǒng)外，油菜，水稻和小麥等許多作物物種提供了遺傳變異性數(shù)據(jù)的資源。

在生物信息學(xué)的情況下，需要改善數(shù)據(jù)解釋和模型構(gòu)建，以減小生物信息學(xué)和數(shù)據(jù)的生物學(xué)解釋之間的差距。相關(guān)候選物，途徑和過程的識別仍是知識驅(qū)動的，而不是由生物信息學(xué)預(yù)測工具以客觀的方式提供的。諸如對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其與激進(jìn)型異變穩(wěn)定性的關(guān)系的最新分析等研究可能對硫系統(tǒng)生物學(xué)很有幫助。此外，生物信息學(xué)研究和系統(tǒng)生物學(xué)研究應(yīng)旨在了解一段時間內(nèi)的動態(tài)過程，而不僅僅是當(dāng)前S代謝的瞬態(tài)看法。

硫不是植物生物化學(xué)中的分離實體。相反，它是相互作用的，交叉影響的，并受到許多其他過程的影響，其中最重要的是與ROS耐受性和解毒作用的聯(lián)系以及與其他礦質(zhì)營養(yǎng)離子的相互作用。光合作用和種子蛋白質(zhì)質(zhì)量等方面也值得在此背景下進(jìn)行更詳細(xì)的考慮。

關(guān)于硫系統(tǒng)生物學(xué)在農(nóng)學(xué)中的應(yīng)用，尚無關(guān)于投放市場的新品種的報道。但是，系統(tǒng)生物學(xué)已成為作物研究分析工具箱中的標(biāo)準(zhǔn)元素。應(yīng)用源自植物S研究的知識時，需要考慮農(nóng)業(yè)程序，例如施肥制度，耕作制度，土壤參數(shù)和水的可利用性。還必須考慮某些作物對硫供應(yīng)的特定需求，例如油菜的高需求。硫酸鹽的供應(yīng)也被認(rèn)為是豆類瘤功能和根-菌根相互作用的必要條件。尤其重要的是，S代謝取決于自然條件下的養(yǎng)分相互作用。

作者已經(jīng)審查了硫系統(tǒng)生物學(xué)，并分別審視了轉(zhuǎn)錄組學(xué)，代謝組學(xué)，蛋白質(zhì)組學(xué)和生物信息學(xué)。但是，系統(tǒng)生物學(xué)從本質(zhì)上整合了從基因型到表型的所有現(xiàn)有信息。作者堅信，所有“組學(xué)”技術(shù)的結(jié)果與經(jīng)典生化，生理學(xué)和農(nóng)學(xué)實驗結(jié)果的整合最終將帶來突破性的結(jié)果（圖1A）。系統(tǒng)生物學(xué)不是關(guān)于“組學(xué)”技術(shù)，而是關(guān)于植物高度復(fù)雜的生物系統(tǒng)的整體觀點，并試圖通過使用集成方法，即通過有針對性的方法支持的高通量“組學(xué)”確定，盡可能了解所有（或至少是很多）部分來捕獲其功能。硫組學(xué)的最終目標(biāo)是了解基本的網(wǎng)絡(luò)框架，對其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并將其用于細(xì)胞，器官和整個植物水平的預(yù)測。硫系統(tǒng)生物學(xué)有機會為營養(yǎng)系統(tǒng)生物學(xué)提供展示。

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