水稻葉片響應(yīng)干旱和滲透脅迫的蛋白質(zhì)組學(xué)研究.pdf

1、干旱是影響作物生長和產(chǎn)量的重要非生物脅迫之一,對干旱敏感型作物的影響尤其明顯。水稻(Oryza sativa L.)是世界上種植最廣泛的糧食作物之一,同時也是一種重要的模式作物。以蛋白質(zhì)組學(xué)為代表的組學(xué)研究對于系統(tǒng)地了解水稻抗旱的分子機(jī)制有著十分重要的作用。
　　 旱稻品種IRAT109具有極強(qiáng)的抗旱能力,被廣泛地用于抗旱基因的發(fā)掘以及水稻抗旱性的遺傳改良。本研究以該材料為核心,以蛋白質(zhì)雙向電泳和質(zhì)譜鑒定為主要技術(shù)手段,結(jié)合形態(tài)

2、學(xué)和生理學(xué)調(diào)查,分析了葉片在全根滲透脅迫和分根滲透脅迫下的響應(yīng)。主要研究結(jié)果如下:
　　 1.全根滲透脅迫引起了葉片ABA和脯氨酸含量的上升,并伴隨有葉片卷曲和質(zhì)膜損傷等脅迫癥狀,而分根滲透脅迫只誘導(dǎo)了ABA以及脯氨酸含量的上升,但是并沒有引起明顯的葉片損傷,表明分根滲透脅迫誘導(dǎo)了植物滲透脅迫信號的產(chǎn)生,并引發(fā)了包括滲透調(diào)節(jié)在內(nèi)的一系列抗逆反應(yīng)。
　　 2.采用雙向電泳分別將全根滲透脅迫,分根滲透脅迫與對照組之間的葉片蛋

3、白表達(dá)譜進(jìn)行了比較,總共發(fā)現(xiàn)了67個差異表達(dá)蛋白點(diǎn),其中36個僅在全根滲透脅迫表現(xiàn)差異,15個僅在分根滲透脅迫表現(xiàn)差異。此外,有11個蛋白點(diǎn)在兩種處理下都表現(xiàn)上升表達(dá),有3個蛋白點(diǎn)都表現(xiàn)下降表達(dá),還有2個蛋白點(diǎn)在不同的處理中表現(xiàn)完全相反的表達(dá)模式。采用串聯(lián)質(zhì)譜成功鑒定了67個差異蛋白中的58個。按照其功能,這些蛋白被歸于脅迫防御、光合作用等12類。
　　 3.分根滲透脅迫誘導(dǎo)的差異表達(dá)蛋白主要參與光合作用、碳水化合物代謝等。具體

4、包括促使了核酮糖1,5-二磷酸羧化/加氧酶(Rubisco)大亞基的降解,增強(qiáng)了參與糖酵解和三羧酸循環(huán)關(guān)鍵酶-順烏頭酸酶和3-磷酸甘油醛脫氫酶以及ATP合成酶的表達(dá)。此外,分根滲透脅迫還特異誘導(dǎo)了鄰苯氨甲酸鹽合成酶和鎳結(jié)合蛋白2A的上升表達(dá)。其中,鄰苯氨甲酸鹽合成酶的上升表達(dá)可能和ABA預(yù)處理克服脅迫對植物的生長抑制有關(guān)；而對于鎳結(jié)合蛋白2A,雖然前人也有將其基因列為水稻抗旱候選基因,但該蛋白在植物抵御干旱以及其它脅迫中的作用還知之甚少

5、。
　　 4.全根滲透脅迫誘導(dǎo)了大量分子伴侶及具有分子伴侶功能的熱激蛋的上升表達(dá),有利于維持脅迫環(huán)境下其它蛋白的穩(wěn)定性和維持植物生存與生長。此外,全根滲透脅迫還誘導(dǎo)了單脫氫抗壞血酸還原酶、過氧化物酶以及谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶等氧化平衡類蛋白的上升表達(dá),有助于清除脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生的活性氧離子,降低滲透脅迫對植物的危害。另外,S-腺苷甲硫氨酸合成酶和咖啡酸3-O-甲基轉(zhuǎn)移酶等參與次生代謝的蛋白在全根滲透脅迫表達(dá)下降,表明木質(zhì)素以及其它相關(guān)

6、次生代謝產(chǎn)物的合成下降。這有助于植物減少不必要的能量和物質(zhì)消耗。
　　 為了更系統(tǒng)地了解早稻品種瓜AT109對干旱脅迫的響應(yīng),本研究采用蛋白質(zhì)組與轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析相結(jié)合的策略,探究早稻品種IRAT109幼苗的葉片在干旱脅迫下的綜合反應(yīng)。主要研究結(jié)果如下:
　　 1.雙向電泳分析發(fā)現(xiàn)干旱脅迫引起了71個蛋白點(diǎn)的表達(dá)發(fā)生明顯差異。采用串聯(lián)質(zhì)譜成功鑒定了其中的60個,包括38個上升表達(dá)的蛋白點(diǎn)以及22個下降表達(dá)的蛋白點(diǎn)。這些

7、蛋白按照其功能被歸于蛋白折疊和聚集、碳水化合物代謝等11個類別。從蛋白功能分類以及所屬蛋白的調(diào)節(jié)方式上分析,我們可以看出下降表達(dá)的蛋白主要與翻譯相關(guān),而上升表達(dá)的蛋白主要參與了蛋白折疊與聚集以及氧化平衡。
　　 2.轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)了4756個差異表達(dá)基因,包括2528個上升表達(dá)基因和2228個下降表達(dá)基因。這些差異表達(dá)基因有的屬于信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄以及蛋白翻譯等調(diào)節(jié)性基因,有的屬于氧化平衡、碳水化合物代謝以及氨基酸代謝等功能性基因。

8、此外,還有一些類別僅僅在差異表達(dá)基因中才有發(fā)現(xiàn),比如參與核苷酸代謝和脂類代謝的基因,甚至還有很多非編碼蛋白基因受干旱脅迫誘導(dǎo)差異表達(dá)。
　　 3.使用KEGG數(shù)據(jù)庫對差異表達(dá)蛋白和基因參與的pathway,進(jìn)行分析,總共發(fā)現(xiàn)了47個被顯著改變的pathway,其中有5個pathway在蛋白質(zhì)和mRNA水平上都有發(fā)現(xiàn)。在我們發(fā)現(xiàn)的這些pathway中,很多都屬于基礎(chǔ)代謝(碳固定、尿素循環(huán)、脂肪酸代謝、氨基酸合成)。此外,也有幾個屬

9、于次生代謝(苯丙烷合成、檸檬精油和松萜降解等)。
　　 4.采用GC-MS技術(shù)進(jìn)行的代謝譜分析發(fā)現(xiàn)了37個明顯變化的代謝產(chǎn)物,分屬于6大類,包括有機(jī)酸(38％)、糖類(19％)、氨基酸(16％)、脂肪酸(14％)、糖醇(5％)以及其它類別(8％)。
　　 5.根據(jù)差異表達(dá)蛋白和基因的pathway分析結(jié)果并結(jié)合所發(fā)現(xiàn)的差異表達(dá)代謝產(chǎn)物,我們對植物在干旱脅迫下的代謝調(diào)節(jié)反應(yīng)有了一個更全面的認(rèn)識:干旱脅迫下,光合作用受到抑制

10、,導(dǎo)致能量和碳水化合物輸出減少。然而,植物需要大量的能量和物質(zhì)用于其它一些生物學(xué)過程,比如活性氧清除和滲透物質(zhì)合成等以抵御脅迫。額外的能量與物質(zhì)的需求和較低的供應(yīng)成為了一對矛盾,此時,需要動用植物的儲備物質(zhì)來解決這一矛盾。碳水化合物和脂肪酸是植物葉片中最重要的兩種儲備物質(zhì)。干旱脅迫加速了糖酵解以及脂肪酸降解,促進(jìn)了三羧酸循環(huán)以及各種氨基酸的合成,形成了從碳水化合物和脂肪酸向氨基酸方向的能量和物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和利用。該過程一方面有助于累積包括脯