小麥漸滲系耐鹽抗旱的蛋白質(zhì)組學比較研究.pdf

1、近年來，由于環(huán)境變化加劇，對世界范圍內(nèi)的作物生長帶來了巨大的影響.據(jù)統(tǒng)計，在世界范圍內(nèi)，適于耕種的土地不足10％，大部分土地處于干旱、鹽漬、沼澤、冷土等逆境中。因而對植物鹽、旱脅迫應答機制進行深入研究，培育耐鹽、抗旱作物新品種，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一項重要任務。 本實驗室已通過不對稱體細胞雜交方法成功育成世界首例體細胞雜種耐鹽、抗旱、高產(chǎn)小麥新品種山融3號，該品種為含有少量供體親本高冰草遺傳物質(zhì)的小麥漸滲系。本試驗通過雙向電泳(2-DE

2、)方法獲得了山融3號及其親本普通小麥濟南177幼苗根和葉的鹽、旱脅迫差異蛋白質(zhì)組圖譜，并利用質(zhì)譜(MALTI-TOF-TOF MS)技術(shù)鑒定了差異表達蛋白質(zhì)，再采用RT-PCR方法分析這些差異表達蛋白編碼序列的表達方式，從蛋白質(zhì)組學和轉(zhuǎn)錄水平上系統(tǒng)分析了雜種及其親本小麥不同組織器官對鹽、旱脅迫的應答特征，探討了山融3號可能的耐鹽、抗旱機制。 1.在濟南177與山融3號幼苗根中發(fā)現(xiàn)了93個差異表達蛋白質(zhì)，并通過MS鑒定了88個。首

3、先，山融3號與濟南177根蛋白質(zhì)組本身具有差異。在山融3號和濟南177根中特異表達的蛋白分別有13個和21個。其次，山融3號和濟南177中的鹽、旱脅迫誘導蛋白存在顯著差異，在鑒定的20個鹽、旱誘導型蛋白中，3個在山融3號中被特異誘導，5個在濟南177中被特異誘導，其余12個在濟南177與山融3號均被誘導；第三，鹽、早脅迫響應蛋白在鹽、旱脅迫下的表達模式有較大差異。鹽脅迫誘導上調(diào)和下調(diào)的蛋白數(shù)量分別比旱脅迫增加19.2％和11.7％，表明

4、鹽脅迫可能引起細胞更劇烈更廣泛的脅迫應答過程和更多脅迫響應蛋白的表達變化。而另外一些蛋白如醌還原酶(根90)與翻譯起始因子5A3(根74)在濟南177根中旱脅迫下表達下調(diào)而鹽脅迫下被抑制，則表明鹽脅迫與早脅迫的信號轉(zhuǎn)導和效應特征存在一定的差異。第四，根中鹽、旱脅迫響應蛋白的表達模式具有品種差異，表現(xiàn)為同種蛋白在濟南177與山融3號根中的表達模式不同。如核苷切除修復蛋白(根21)在鹽、旱脅迫下濟南177根中表達下調(diào)而山融3號根中表達不變，

5、醛縮酶(根8)在旱脅迫下濟南177根中表達不變而山融3號根中表達上調(diào)，鹽脅迫下根74在濟南177根中的表達被抑止而在山融3號根中的表達下調(diào)。表明體細胞雜交改變了脅迫響應蛋白對鹽、早脅迫的應答模式。 2.在濟南177與山融3號葉中發(fā)現(xiàn)了65個差異表達蛋白質(zhì)，并通過MS鑒定了63個。比較分析顯示，它們表現(xiàn)出與根中相似的各種差異。例如：葉中鹽、旱脅迫響應蛋白的表達模式也有較大差別：葉綠素a/b結(jié)合蛋白CP24前體(葉1)在山融3號葉中旱脅迫下

6、表達上調(diào)12.7倍而鹽脅迫下表達上調(diào)6.1倍，過氧化氫酶(葉23)在濟南177葉中鹽脅迫下表達被抑止；超氧化物歧化酶(葉51)在濟南177葉中旱脅迫下表達上調(diào)而鹽脅迫下表達不變，這些差異反應了鹽與旱脅迫信號途徑調(diào)節(jié)機制的差異。而葉中鹽、旱脅迫響應蛋白的表達模式也具有品種差異：如葉綠素a/b結(jié)合蛋白CP24前體(葉1)在鹽、旱脅迫下濟南177葉中表達下調(diào)而在山融3號的葉中表達上調(diào)，2一半胱氨酸氧還蛋白類似蛋白(葉21)在旱脅迫下的濟南17

7、7葉中表達不變而在山融3號葉中表達上調(diào)，鹽脅迫下過氧化氫酶(葉23)在濟南177葉中表達被抑止而山融3號葉中表達上調(diào)。但是，山融3號與濟南177葉蛋白質(zhì)組間的差異沒有根蛋白質(zhì)組間明顯；山融3號和濟南177葉中鹽、旱脅迫誘導蛋白差異也比根中小，在發(fā)現(xiàn)的14個鹽、旱誘導型蛋白中，只有1個是山融3號特異性的鹽脅迫誘導型蛋白，其余13個在濟南177與山融3號中均被鹽、旱誘導。 3.對28個蛋白(包括25個差異表達蛋白和三個已知的鹽脅迫密

8、切相關(guān)蛋白SOS1/2/3)進行RT-PCR檢驗，結(jié)果表明：第一，11個蛋白編碼序列的轉(zhuǎn)錄本在各處理之間沒有顯著差異，其余17個在各處理間表現(xiàn)出不同的差異表達特征。這表明基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯是兩個相對獨立的過程，脅迫響應蛋白在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上的表達特征沒有直接相關(guān)性，其表達在不同水平上受到多樣而立體的調(diào)控。第二，在轉(zhuǎn)錄水平上沒有發(fā)現(xiàn)以上根與葉蛋白質(zhì)組中的品種特異性表達蛋白，也就是說，沒有一個蛋白在轉(zhuǎn)錄水平是品種特異性的。由此推測，山融3號與

9、親本濟南177的品種特異性蛋白的表達調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平，體細胞雜交抑制某些mRNA翻譯成蛋白，而激活另一些原本不能翻譯的mRNA產(chǎn)生新蛋白。第三，鹽脅迫下在轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生改變蛋白的比例明顯高于旱脅迫(根中高7.1-14.3％，葉中高28.6-32.2％)，說明鹽脅迫能引起細胞更大范圍的脅迫應答過程，使更多的脅迫響應蛋白在轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生變化，這與蛋白水平的狀況是一致的。 4.根和葉中鹽、早脅迫的差異表達蛋白的類型明顯不同。1)光

10、合作用相關(guān)蛋白差別明顯，在葉中占25.81％，在根中沒有發(fā)現(xiàn)這類蛋白。在根中鑒定了另外3種葉綠體蛋白，分別是谷氨酰氨合成酶葉同工酶，葉綠體前體(根45)、鐵氧還蛋白硝酸還原酶，葉綠體前體(根29)、轉(zhuǎn)酮酶，葉綠體(根4)，有關(guān)這些葉綠體蛋白在根中的作用有待進一步研究。2)抗氧化相關(guān)蛋白有較大差異，山融3號根中的品種特異性抗氧化相關(guān)蛋白有6個而葉中只有1個。濟南177根中的品種特異性抗氧化蛋白有3個而葉中沒有。說明根的抗氧化作用遠比葉大，

11、而且山融3號的抗氧化能力比濟南177強。3)物質(zhì)轉(zhuǎn)運相關(guān)蛋白差異顯著。在根中共鑒定了6個而在葉中鑒定了3個。根中的液泡質(zhì)子ATP酶亞基(根70)和鉀離子通道β亞基(根86)在維持液泡質(zhì)子動態(tài)平衡和離子的跨膜運輸中具有重要作用。從本實驗結(jié)果來看，在應對鹽、旱脅迫時根的作用比葉大。 5.體細胞雜交對小麥蛋白質(zhì)組產(chǎn)生顯著影響：1)體細胞雜交影響葉綠體和線粒體中蛋白質(zhì)的表達；2)相對于親本濟南177，山融3號中有些蛋白的表達被抑制，同時

12、合成一些新蛋白或使蛋白發(fā)生翻譯后修飾；3)體細胞雜交改變某些脅迫應答蛋白的表達模式：如脫氫抗壞血酸還原酶(根38)在早脅迫下，濟南177根中表達上調(diào)20.3倍而山融3號中表達不變；在鹽脅迫下，濟南177根中表達上調(diào)14倍而山融3號根中表達上調(diào)25.1倍。過氧化氫酶(葉23)在旱脅迫下濟南177中表達不變而山融3號表達上調(diào)7.8倍，在鹽脅迫下濟南177中不表達而在山融3號中上調(diào)表達9.4倍。 總之，在蛋白質(zhì)組水平上，體細胞雜交使小

13、麥幼苗根與葉蛋白質(zhì)組與轉(zhuǎn)錄組發(fā)生了全局性變化，使得山融3號光合作用系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、抗氧化系統(tǒng)以及離子動態(tài)平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)遠遠優(yōu)于其親本濟南177。正是這些系統(tǒng)性的變化提高了雜種中由多基因控制的數(shù)量性狀耐鹽、抗旱能力。無論在蛋白質(zhì)組水平還是在轉(zhuǎn)錄水平，鹽脅迫與早脅迫信號途徑既有重疊又有區(qū)別，表現(xiàn)為一部分脅迫響應蛋白對鹽、旱脅迫的應答模式不同。通過根與葉蛋白質(zhì)組的比較分析表明，根在對抗鹽、早脅迫時能夠發(fā)揮更重要的作用，根蛋白質(zhì)組比葉蛋白質(zhì)組