水稻抗镉胁迫响应的差异蛋白组学研究

【摘要】： 水稻是全球最重要的粮食作物之一,其重金属污染问题已经引起各国政府部门的高度重视。农田重金属污染不仅影响作物的生长和发育,降低产量与品质,它经作物吸收后通过食物链进入人体,对人类健康产生巨大威胁。水稻对重金属的吸收、积累以及抗性存在显著的基因型差异。阐明水稻重金属吸收、积累机理,对选育抗重金属水稻品种、降低重金属污染,实现在轻、中度重金属污染土壤上生产出无污染的稻米,保障粮食安全、可持续生产具有重要意义。 镉位列联合国环境规划署提出的12种具有全球性意义的危险化学物质之首,也是严重污染我国稻米的重金属之一。在前期研究的基础上,本研究以抗镉水稻品种PI312777和镉敏感水稻品种IR24为材料,通过0μmol/L、50μmol/L和100μmol/L镉浓度水培处理,应用差异蛋白质组学技术,研究了不同抗性水稻镉胁迫下根系和叶片的蛋白质差异表达,主要结果如下: (1)镉胁迫下,在水稻叶片中共检测到31个差异表达的蛋白质。经过MALDI-TOF-TOF-MS检测和数据库检索,其中有24个蛋白质的功能得到鉴定,去掉其中4个重复蛋白质,其它蛋白质分别涉及光合作用、细胞防御及其它代谢等。 (2)镉胁迫下,在水稻根系中共检测到18个差异表达的蛋白质。其中12个蛋白质功能得到鉴定,它们分别参与了信号转导、细胞防御及其它代谢等。 (3)镉胁迫下,抗镉水稻品种PI312777和镉敏感品种IR24叶片及根中差异蛋白表达模式存在着相似之处,具体表现在:在Cd~(2+)胁迫下,两个水稻品种叶片的光合速率相关蛋白(如核酮糖二磷酸羧化酶大链)表达量在两个水稻品种中均上调;干旱诱导蛋白、脱氢抗坏血酸还原酶以及6-磷酸山梨醇脱氢酶的表达量均高于对照,铜锌超氧化物歧化酶的表达下调。在50μmol/L Cd~(2+)处理下,水稻PI312777和IR24的3-磷酸甘油醛脱氢酶表达量无明显变化,但在100μmol/L Cd~(2+)处理下,其表达量均上调。两个水稻根系的胁迫诱导蛋白在低浓度镉处理下表达量均上调;蛋氨酸腺苷转移酶、过氧化物酶和谷氨酰胺合成酶表达量在不同镉浓度处理下均发生了下调。 (4)镉胁迫下,抗镉水稻品种PI312777和镉敏感品种IR24叶片及根中差异蛋白表达模式也表现一定的差异。镉胁迫下,水稻PI312777中的PEP羧化酶表达量下调,在IR24中表达量上调;PI312777叶片中出现一种新的蛋白质-DNA重组修复蛋白,在IR24叶片中无此蛋白;PI312777叶片的谷胱甘肽还原酶、蛋白酶体和热激蛋白的表达量均高于对照,在IR24的表达量无显著差异;水稻PI312777叶片中的硫氧还蛋白表达量上调,而IR24中的表达量下调。 PI312777根中的谷氨酸脱氢酶在低浓度Cd~(2+)处理(50μmol/L)下表达量不变,随着Cd~(2+)浓度的增加表达量下调,IR24谷氨酸脱氢酶的表达量在Cd~(2+)处理下均下调;在低浓度Cd~(2+)处理(50μmol/L)下,PI312777根中的S-腺苷甲硫氨酸合成酶的表达量上调,在高浓度镉胁迫下蛋白表达量与对照无差异,IR24根中的S-腺苷甲硫氨酸合成酶的表达量在两种镉浓度处理下表达量均上调。对于信号转导相关的60S酸性核糖体蛋白,PI312777在高浓度镉胁迫下表达量发生上调,而IR24的表达量发生下调。PI312777根中的GTP结合蛋白在不同Cd~(2+)浓度处理下表达量上调,IR24在高浓度镉胁迫下表达量无变化。