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镉胁迫下秋茄(Kandelia candel)根系蛋白质组变化及差异表达蛋白功能研究

翁兆霞  
【摘要】:随着现代工业的发展以及人类活动的不断增加,重金属对环境的污染已经成为了一个重大的风险问题。镉(Cd)是相对稀有的重金属元素,人类活动可使镉以各种途径进入土壤、水体污染。红树林是生长于热带和亚热带海岸和河口潮间带的木本植物群落,是陆地向海洋过度的特殊生态系;具有过滤陆地径流和内陆带出的有机物质和其他污染物的生态功能,对海湾河口区域的污染具有较高承载力和耐受性。秋茄是东南沿海,特别是福建等省份红树林的常见种,研究其对重金属镉的耐性机制具有重要的意义和广阔的应用前景。本研究采用蛋白质组学研究手段结合生理指标测定,以秋茄(Kandelia candel)为材料,分离鉴定镉胁迫胁迫下差异表达的蛋白,构建了秋茄根系镉胁迫响应蛋白谱,解析了秋茄根系镉胁迫条件下生理响应与耐受机制。获得了以下研究结果: 1.以未添加CdCl2的营养液培养的秋茄为对照,比较100、200、400、800μMCd2+处理72h后,秋茄根系的过氧化氢、丙二醛、抗氧化酶系(SOD、POD、CAT、APX、GR等)、抗氧化剂AsA和GSH以及渗透调节物质脯氨酸等物质与对照组的差异。试验发现:镉胁迫(100-400μM)提高了SOD、POD、APX、GR和CAT等抗氧化酶活性、抗氧化剂ASA和GSH含量以及渗透调节物质脯氨酸的含量,提高了秋茄根部的抗氧化能力,在一定程度上缓解了重金属胁迫对秋茄幼苗造成的伤害。但是,随着重金属胁迫浓度的增加(800μM),超过秋茄所能忍受极限时,作为防御体系的抗氧化物也相应减弱。 2.通过比较不同提取方法、等电聚焦参数和上样量的双向电泳图谱差异,优化了秋茄根系全蛋白质双向电泳的条件,建立了适合秋茄根系总蛋白质的双向电泳技术平台。 3.采用pH4-7、24cm的IPG胶条及12.5%SDS-PAGE分离镉胁迫下秋茄根系蛋白,经过Image-master软件分析发现55个差异表达蛋白,经过质谱鉴定,确定了53个蛋白。通过NCBI等生物信息学公共数据库,在深入分析了镉响应差异蛋白的分子功能和细胞内定位的基础上,将这些差异蛋白分为蛋白质代谢相关的蛋白(蛋白折叠,蛋白质合成,蛋白降解)、氨基酸转运及代谢相关的蛋白、能量与物质代谢相关的蛋白、解毒与抗氧化相关的蛋白、参与信号转导的蛋白,以及未分类、未知功能的蛋白等6个大类。 4.结合蛋白质的功能、代谢途径和生理指标测定结果,阐述了镉胁迫引起的秋茄幼苗生理生化响应。植物在镉胁迫环境下,体内氧化还原平衡被打破,氧自由基大量产生,导致蛋白质降解,并引起氨基酸代谢发生变化。而为了抵御镉胁迫,镉胁迫下根系中抗氧化蛋白及解毒蛋白的超量表达,通过相关酶体有效地清楚活性氧族分子,如过氧化氢、超氧阴离子等,进而缓解秋茄根系受到的氧化胁迫,保护细胞膜系统;同时,解毒蛋白及时降解和结合对细胞有毒性作用的次生产物,从而维持了细胞内的正常生理环境。其次,镉胁迫启动了秋茄植物体内的防御机制。秋茄根系及植株体通过表达抗逆相关蛋白,抵御逆境对细胞组分的损伤,并修复遭到破坏的机体平衡,如甲基化作用在镉胁迫下得到加强。最后,通过信号网络调控,如14-3-3蛋白的上调表达,提高植株体对逆境信号的感应,从而有效地调节控制秋茄植物体内的响应事件,最终使秋茄根系及整个秋茄幼苗植株体在镉的短期胁迫处理下,能够保持正常的生理活动,维持生长。


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