缺磷是影响全球豆类生长和生产力的限制因素之一。结瘤和固氮的豆科植物对磷的需求高于以矿物氮为原料的豆科植物，固氮豆科植物高磷需求的过程包括固氮酶在高水平上发挥功能所需的高能量、信号转导/酶调节等。
2021年1月，北德克萨斯大学的Dhiraj Dokwal团队在Plant Physiology (IF 8.34)发表了题为“Phosphorus deprivation affects composition and spatial distribution of membrane lipids in legume nodules”的研究文章。该文章利用电喷雾电离-质谱技术（ESI–MS）和基质辅助激光解吸/电离质谱成像技术（MALDI–MSI）研究了缺磷对豆科蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)植株根瘤膜脂组成和空间分布的影响，研究结果提供了根瘤发育和缺磷期间磷脂酰胆碱（PC）分布和重塑的见解。
研究材料
技术路线
· 步骤1：生理表型研究确认成功诱导缺磷组；
· 步骤2：脂质组学研究叶片、根和根瘤中膜脂质成分，发现有明显区别；
· 步骤3：MALDI–MSI研究不同根瘤中PC种类的空间分布信息，表现出不同的空间变化；
· 步骤4：结合ESI–MS进一步验证根瘤中PC分布差异。
研究结果
1. 缺磷对M. truncatula叶片、根和根瘤中膜脂质成分有不同的影响
作者首先在气培室中种植植物以控制生长培养基条件，诱导缺磷组，对照组植物在充足的P条件（+P）下同时生长。通过与+P组生理指标和表型比较，发现-P组植物的生长受到损害，出现叶片、根和根瘤的鲜重和干重（DWs）较低，根瘤侧根数量更多，根瘤数量更少且更小等性状，表明缺磷组构建成功。
为了深入了解缺磷与磷充足情况下膜脂组成的变化，使用ESI–MS进行脂质分析，以确定叶、根和根瘤的极性膜脂组成，包括磷脂（PLs）和半乳糖脂（GLs）。结果发现与叶相比，+P与–P组在根中膜组成方面存在着显著差异，且根瘤具有与根相似的膜甘油脂分布，其中PLs最丰富。在+P和–P条件下的叶片中，GLs（MGDG和DGDG）分别占测得的总膜脂的75%、90%，而PLs仅分别占25%、10%。在+P和–P根中PL种类分别占总甘油脂的92%、68%，GLs（MGDG和DGDG）仅分别占7.39%、32.30%。在+P和–P根瘤中，PC种类均是最丰富的膜脂类，分别占49.10%、31.20%，GLs（MGDG和DGDG）分别占总甘油脂组成的7.72%、41.70%（图1）。
图1 叶，根和根瘤的总脂质组成（mol%）
2. MALDI–MSI显示PC种类在M. truncatula根瘤中分布不均匀
MALDI–MSI可绘制生物切片中的代谢物空间分布信息，原理如图2。作者首先使用MALDI–MSI评估了+P组根瘤中的PC种类分布情况。结果表明，与其他种类相比，PC 34:1、36:2、36:5和38:5在根瘤中更为丰富。后续调整了每个MALDI–MS图像中的比例，并创建了一个相对分布图，从而可以显示+P组根瘤中PC种类分布的显著差异。如，PC 34:2和36:5在附着于根瘤的根组织中有较高的分布，而PC 36:5在根瘤的中心部位有相当高的分布（图3A和3B）。
3.不同根瘤PC种类在磷胁迫下表现出不同的空间变化
进一步通过MALDI–MSI测定–P组根瘤中PC种类分布的变化。结果表明多数PC种类在–P组根瘤中丰度下降，如PC34:2、36:2、36:5和38:5种类丰度较低。且许多PC种类在磷胁迫下改变了分布，如+P 条件下PC 34:1和36:4在根瘤周围组织的丰度较高，而–P组根瘤中PC 34:1丰度较低，PC 36:4在–P组根瘤中部丰度较高。（图3）
图2 示意图显示了MALDI-MSI方法
图3 M. truncatula 根瘤中PC物质的MALDI–MSI
A、C：+P条件下调整前、调整后的图像；B、D：-P条件下调整前、调整后的图像；红色、绿色分别表示高、低丰度。
4.根瘤中PC种类分布差异的验证
作者将+P和–P条件下生长的植物根瘤解剖为远端、中心和近端区，分别提取脂质，使用ESI–MS测定PC种类组成，比较和验证MALDI–MSI观察到的空间分布差异。结果表明ESI–MS和MALDI–MS两者之间存在合理的一致性，如PC 34:3在+ P组所有根瘤区均有同样丰富的表达。在-P组根瘤中，ESI- MS和MALDI分析均发现，远端与中心区域、远端与近端区域在统计学上具有相似的显著差异。PC 36:2，ESI–MS分析显示，在所有三个根瘤区域，该PL的浓度相对一致。相比之下，MALDI结果显示，当比较根瘤的远端到中心和远端到近端区域时，+P组在统计学上存在显著差异（图4）。
图4 根瘤不同解剖部位PC种类的ESI–MS和MALDI–MSI结果比较
小编小结
本文利用脂质组和质谱成像技术重点研究缺磷条件下的植物膜脂稳态。结果表明，在不同的根瘤区和细胞类型中，特定的PC种类可能具有不同的重要性，并且在磷胁迫下，膜脂重塑在根瘤中并不均匀。
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