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水稻叶片响应干旱和渗透胁迫的蛋白质组学研究

舒烈波  
【摘要】:干旱是影响作物生长和产量的重要非生物胁迫之一,对干旱敏感型作物的影响尤其明显。水稻(Oryza sativa L.)是世界上种植最广泛的粮食作物之一,同时也是一种重要的模式作物。以蛋白质组学为代表的组学研究对于系统地了解水稻抗旱的分子机制有着十分重要的作用。 旱稻品种IRAT109具有极强的抗旱能力,被广泛地用于抗旱基因的发掘以及水稻抗旱性的遗传改良。本研究以该材料为核心,以蛋白质双向电泳和质谱鉴定为主要技术手段,结合形态学和生理学调查,分析了叶片在全根渗透胁迫和分根渗透胁迫下的响应。主要研究结果如下: 1.全根渗透胁迫引起了叶片ABA和脯氨酸含量的上升,并伴随有叶片卷曲和质膜损伤等胁迫症状,而分根渗透胁迫只诱导了ABA以及脯氨酸含量的上升,但是并没有引起明显的叶片损伤,表明分根渗透胁迫诱导了植物渗透胁迫信号的产生,并引发了包括渗透调节在内的一系列抗逆反应。 2.采用双向电泳分别将全根渗透胁迫,分根渗透胁迫与对照组之间的叶片蛋白表达谱进行了比较,总共发现了67个差异表达蛋白点,其中36个仅在全根渗透胁迫表现差异,15个仅在分根渗透胁迫表现差异。此外,有11个蛋白点在两种处理下都表现上升表达,有3个蛋白点都表现下降表达,还有2个蛋白点在不同的处理中表现完全相反的表达模式。采用串联质谱成功鉴定了67个差异蛋白中的58个。按照其功能,这些蛋白被归于胁迫防御、光合作用等12类。 3.分根渗透胁迫诱导的差异表达蛋白主要参与光合作用、碳水化合物代谢等。具体包括促使了核酮糖1,5-二磷酸羧化/加氧酶(Rubisco)大亚基的降解,增强了参与糖酵解和三羧酸循环关键酶-顺乌头酸酶和3-磷酸甘油醛脱氢酶以及ATP合成酶的表达。此外,分根渗透胁迫还特异诱导了邻苯氨甲酸盐合成酶和镍结合蛋白2A的上升表达。其中,邻苯氨甲酸盐合成酶的上升表达可能和ABA预处理克服胁迫对植物的生长抑制有关;而对于镍结合蛋白2A,虽然前人也有将其基因列为水稻抗旱候选基因,但该蛋白在植物抵御干旱以及其它胁迫中的作用还知之甚少。 4.全根渗透胁迫诱导了大量分子伴侣及具有分子伴侣功能的热激蛋的上升表达,有利于维持胁迫环境下其它蛋白的稳定性和维持植物生存与生长。此外,全根渗透胁迫还诱导了单脱氢抗坏血酸还原酶、过氧化物酶以及谷胱甘肽-S-转移酶等氧化平衡类蛋白的上升表达,有助于清除胁迫诱导产生的活性氧离子,降低渗透胁迫对植物的危害。另外,S-腺苷甲硫氨酸合成酶和咖啡酸3-O-甲基转移酶等参与次生代谢的蛋白在全根渗透胁迫表达下降,表明木质素以及其它相关次生代谢产物的合成下降。这有助于植物减少不必要的能量和物质消耗。 为了更系统地了解旱稻品种IRAT109对干旱胁迫的响应,本研究采用蛋白质组与转录组和代谢组分析相结合的策略,探究旱稻品种IRAT109幼苗的叶片在干旱胁迫下的综合反应。主要研究结果如下: 1.双向电泳分析发现干旱胁迫引起了71个蛋白点的表达发生明显差异。采用串联质谱成功鉴定了其中的60个,包括38个上升表达的蛋白点以及22个下降表达的蛋白点。这些蛋白按照其功能被归于蛋白折叠和聚集、碳水化合物代谢等11个类别。从蛋白功能分类以及所属蛋白的调节方式上分析,我们可以看出下降表达的蛋白主要与翻译相关,而上升表达的蛋白主要参与了蛋白折叠与聚集以及氧化平衡。 2.转录组分析发现了4756个差异表达基因,包括2528个上升表达基因和2228个下降表达基因。这些差异表达基因有的属于信号转导和转录以及蛋白翻译等调节性基因,有的属于氧化平衡、碳水化合物代谢以及氨基酸代谢等功能性基因。此外,还有一些类别仅仅在差异表达基因中才有发现,比如参与核苷酸代谢和脂类代谢的基因,甚至还有很多非编码蛋白基因受干旱胁迫诱导差异表达。 3.使用KEGG数据库对差异表达蛋白和基因参与的pathway进行分析,总共发现了47个被显著改变的pathway,其中有5个pathway在蛋白质和mRNA水平上都有发现。在我们发现的这些pathway中,很多都属于基础代谢(碳固定、尿素循环、脂肪酸代谢、氨基酸合成)。此外,也有几个属于次生代谢(苯丙烷合成、柠檬精油和松萜降解等)。 4.采用GC-MS技术进行的代谢谱分析发现了37个明显变化的代谢产物,分属于6大类,包括有机酸(38%)、糖类(19%)、氨基酸(16%)、脂肪酸(14%)、糖醇(5%)以及其它类别(8%)。 5.根据差异表达蛋白和基因的pathway分析结果并结合所发现的差异表达代谢产物,我们对植物在干旱胁迫下的代谢调节反应有了一个更全面的认识:干旱胁迫下,光合作用受到抑制,导致能量和碳水化合物输出减少。然而,植物需要大量的能量和物质用于其它一些生物学过程,比如活性氧清除和渗透物质合成等以抵御胁迫。额外的能量与物质的需求和较低的供应成为了一对矛盾,此时,需要动用植物的储备物质来解决这一矛盾。碳水化合物和脂肪酸是植物叶片中最重要的两种储备物质。干旱胁迫加速了糖酵解以及脂肪酸降解,促进了三羧酸循环以及各种氨基酸的合成,形成了从碳水化合物和脂肪酸向氨基酸方向的能量和物质的转移和利用。该过程一方面有助于累积包括脯氨酸在内的各种氨基酸,增进植物细胞的渗透调节能力,同时也为植物体合成新的蛋白做好了准备。另外,储备物质通过糖酵解以及三羧酸循环等过程,产生大量的ATP,也为植物应对干旱胁迫提供了能量。


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