劉琳 賈培培 盧偉東 郭奇林 郭立忠
(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 山東省應(yīng)用真菌重點實驗室,青島 266109;2.西北農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,楊凌 712100)
真姬菇(Hypsizigus marmoreus),別名玉蕈,味道比平菇鮮,肉質(zhì)比滑菇厚,質(zhì)地脆嫩、口感極佳,因具有獨(dú)特的蟹香味,又稱蟹味菇。據(jù)報道,真姬菇富含蛋白質(zhì)和人體必需的8 種氨基酸,在日本,人們把其與珍貴的松茸相提并論,享有“聞則松茸,食則玉蕈”的美譽(yù),已成為僅次于金針菇的重要食用菌品種[1]。真姬菇含有多種生物活性物質(zhì),具有抗癌、防癌、降血壓、提高免疫力、延長壽命等獨(dú)特功效。從真姬菇子實體中提取的核糖體抑制蛋白Hypsin、膠原質(zhì)蛋白HM23 及多糖均具有顯著的抗腫瘤效果[2-4]。Ikemizu 等[5]從真姬菇菌絲體中提取分離到血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑(ACEI),ACEI 能夠有效降低血壓,減緩高血壓和糖尿病患者腎功能的衰退,且副作用小,世界衛(wèi)生組織將其推薦為抗高血壓的一線藥物。因此,真姬菇作為一種食藥兩用真菌具有巨大的開發(fā)潛力和良好的市場前景。
真姬菇屬于中偏低溫型食用菌,溫度是影響其生長及品質(zhì)的重要因素[6]。菌絲生長最適溫度20-25℃,30℃以上生長緩慢,超過 35℃時菌絲不再生長,45℃以上無法存活。當(dāng)溫度較高時,菌蓋變薄且展開加快,菇體色澤變白,鮮菇品質(zhì)明顯下降。目前,真姬菇的栽培已經(jīng)規(guī)?;?,但由于高溫對其生長的限制,增加了周年栽培成本,國內(nèi)真姬菇只在大型超市中出售,且價格較高[7]。研究真姬菇溫度脅迫相關(guān)機(jī)理是解決高溫限制,降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)量的有效方法,而真姬菇在高溫脅迫下的抗逆機(jī)理研究尚未見報道。本研究應(yīng)用雙向電泳和質(zhì)譜蛋白質(zhì)組技術(shù),通過比較最適溫度(25℃)和高溫脅迫條件下(42℃)真姬菇菌絲體的蛋白表達(dá)差異,篩選與高溫脅迫緊密相關(guān)的蛋白,并探討其功能,旨在為實現(xiàn)通過基因操作選育耐熱性強(qiáng)的優(yōu)良真姬菇菌種,降低周年栽培生產(chǎn)成本奠定基礎(chǔ)。
白真姬菇G12 為青島農(nóng)業(yè)大學(xué)山東省應(yīng)用真菌重點實驗室保藏。將G12 接種到PDA 平板上,25℃培養(yǎng)3 周后分為兩組:對照組(繼續(xù)在25℃培養(yǎng)2 h)、高溫處理組(42℃熱激2 h)。
1.2.1 菌絲體全蛋白的提取 刮取對照組和高溫處理組的真姬菇菌絲體各1.0 g,液氮研磨后,分別用Tris-飽和酚法[8]、TCA/丙酮法[9]、尿素裂解法[10]提取菌絲體全蛋白。采用Bradford 法[11]測定提取液中全蛋白總量,SDS-PAGE[12]檢測蛋白,分離膠濃度為12%,濃縮膠濃度為5%,Marker 上樣體積4 μL,蛋白上樣體積17 μL。
1.2.2 雙向電泳 選用24 cm 的IPG 膠條(pH4-7),蛋白上樣量1.2 mg,膠條水化16 h 后,進(jìn)行等電聚焦。聚焦參數(shù):溫度20℃,最大電流50 μA/膠條。聚焦程序:100 V×1 h,500 V×1 h,1 000 V×1 h,8 000 V×4 h,8 000 V×8 h,500 V×∞。第一向電泳等電聚焦結(jié)束后,迅速取出IPG 膠條,吸干膠條上的礦物油和多余的樣品,將膠條先后置于平衡緩沖液Ⅰ[6 mol/L 尿素、75 mmol/L Tris-HCl(pH8.8)、30%甘油、2% SDS、0.002% 溴酚藍(lán)、1% DTT]和平衡緩沖液Ⅱ[6 mol/L 尿素、75 mmol/L Tris-HCl(pH8.8)、30%甘油、2% SDS、0.002%溴酚藍(lán)、2.5%碘乙酰胺]中各平衡15 min,取出膠條,吸去多余的平衡液。第二向SDS-PAGE 凝膠電泳采用Ettan-DALT-Six 系統(tǒng),水浴循環(huán)儀設(shè)定溫度為20℃,聚丙烯酰胺凝分離膠濃度為12.5%,電泳程序設(shè)置為2 W×45 min,17 W/gel 電泳至溴酚藍(lán)前沿距離玻璃板下緣0.5 cm 時停止電泳。凝膠染色采用銀染。
1.2.3 數(shù)據(jù)分析 凝膠銀染后,用UMAX 光密度掃描儀獲得分辨率為300dpi 的電子圖像。采用PDQuest8.0 版軟件進(jìn)行圖象分析,為驗證自動檢測到的蛋白點,需要對所有蛋白點進(jìn)行人工檢查和編輯,主要操作包括凝膠蛋白點檢測、圖像背景扣除、蛋白點灰度值標(biāo)準(zhǔn)化。比較處理組和對照組的雙向電泳圖譜,確定差異蛋白點(表達(dá)量差異倍數(shù)>3.0),進(jìn)行蛋白質(zhì)的膠內(nèi)酶解及肽段提?。?3]。樣品送北京華大蛋白組研發(fā)中心進(jìn)行MALDI-TOF-MS 鑒定。根據(jù)質(zhì)譜結(jié)果,用MASCOT 軟件搜索MSDB、NCBI 等數(shù)據(jù)庫,初步鑒定相關(guān)蛋白并分析其生理功能。
為了制備適合蛋白質(zhì)組分析的蛋白樣品,獲得較好的雙向電泳效果,分別采用TCA/丙酮法、Tris-飽和酚法和尿素裂解法提取真姬菇菌絲體的全蛋白。Bradford 法檢測蛋白量結(jié)果表明,TCA/丙酮法獲得的蛋白總量最高,達(dá)到1.6 mg/g 菌絲體;Tris-飽和酚法稍低,蛋白量為1.36 mg/g 菌絲體;尿素裂解法僅得到蛋白0.89 mg/g 菌絲體。全蛋白提取液的SDSPAGE 結(jié)果(圖1)表明,3 種方法提取的菌絲體蛋白分子量都在19-118 kD 之間;全蛋白濃度大小順序為Tris-飽和酚法>尿素裂解法>TCA/丙酮法。將上述3 種方法制備的菌絲體全蛋白提取液應(yīng)用于雙向電泳檢測,凝膠圖譜分析(圖2)表明,Tris-飽和酚法獲得的全蛋白提取液在凝膠上可檢測到900多個蛋白點且雜質(zhì)少,而其它兩種方法的全蛋白提取液,圖譜上蛋白點較少。因此,選擇Tris-飽和酚法提取真姬菇對照組和高溫處理組的菌絲體全蛋白。
圖1 SDS-PAGE 檢測3 種方法提取的全蛋白
圖2 三種方法提取的全蛋白2-DE 圖譜
采用Tris-飽和酚法提取真姬菇菌絲體對照組和高溫處理組的全蛋白,然后進(jìn)行雙向電泳檢測,用PDQuest8.0 版軟件分析電泳凝膠圖譜。對照組凝膠上約有890 個蛋白點,高溫處理組凝膠上約有930個蛋白點(圖3)。軟件分析對照組和高溫處理組的凝膠圖譜,篩選出12 個表達(dá)豐度差異倍數(shù)大于3 的蛋白點,其中6 個蛋白點的表達(dá)量上調(diào),6 個蛋白點的表達(dá)量下調(diào)。凝膠上,這12 個蛋白點分布在分子量80 kD 以下,pH4-6 的區(qū)域。
圖3 對照組和高溫處理組菌絲體全蛋白2-DE 圖譜比較
將12 個具有顯著表達(dá)差異的蛋白點進(jìn)行質(zhì)譜鑒定,根據(jù)獲得的信息用MASCOT 軟件搜索MSDB、NCBI 等數(shù)據(jù)庫,初步鑒定7 個蛋白。另外5 個蛋白由于分辨率或靈敏度不夠(酶解不充分或樣品含有雜質(zhì)),或者因匹配率、覆蓋率太低未能被鑒定。7個被鑒定的蛋白質(zhì)中,6 個蛋白表達(dá)量上調(diào)(點1、7、8、9、10 和11),1 個蛋白表達(dá)量下調(diào)(點2)。蛋白鑒定結(jié)果如下:DEHA2G15532p(點1),Spa2 同源結(jié)構(gòu)域(點2),肽酶M76 家族(點7),HSP70(點8),SNF2家族的DNA 修復(fù)蛋白(點9),細(xì)胞色素p450(點10),SAM 域家族和鋅指蛋白的混合物(點11)。各蛋白的詳細(xì)信息見表1。
TCA/丙酮法能夠?qū)⒄婕Ч骄z體中的所有干物質(zhì)沉淀,蛋白損失少,因此獲得的全蛋白總量最多。但其沉淀的蛋白因與膜或其它組織結(jié)合而較難溶解,需要大量裂解液才能溶解完全,所以蛋白質(zhì)提取液濃度較低。Tris-飽和酚法由于只收集酚相、苯酚與水相的界面,蛋白質(zhì)總量較TCA/丙酮法少,但沉淀蛋白易溶于裂解液,因此,獲得的蛋白提取液濃度最高。TCA/丙酮法制備的樣品由于雜質(zhì)多且鹽濃度高,電壓很難順利到達(dá)聚焦電壓,聚焦不充分造成蛋白點較少;尿素裂解法獲得的全蛋白在雙向電泳凝膠圖譜上蛋白點較少,可能與樣品蛋白總量少且濃度較低有關(guān)。Tris-飽和酚法制備的全蛋白提取液,蛋白濃度高,蛋白總量能夠滿足雙向電泳檢測需求,獲得的雙向電泳圖譜,蛋白得率高,分辨率高,重復(fù)性好,因此,以Tris-飽和酚法作為真姬菇菌絲體全蛋白的提取方法。
表1 差異蛋白點的質(zhì)譜鑒定結(jié)果
在已被鑒定的7 個蛋白中,DEHA2G15532p(點1)目前僅在漢遜德巴利酵母的兩個菌株中發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)庫中沒有其結(jié)構(gòu)和功能的相關(guān)信息,其它6 個蛋白質(zhì)按其參與的生理代謝過程歸納為5 類。
3.2.1 調(diào)節(jié)功能和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的蛋白質(zhì):Spa2 同源結(jié)構(gòu)域(SHD)、SAM 域家族蛋白和鋅指蛋白 Spa2 同源結(jié)構(gòu)域(SHD)與多種蛋白相互作用,參加細(xì)胞信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程[14,15]。Ryan 等[16]的研究表明,SHD 是GIT(G-protein-coupled receptors kinase interacting protein)家族蛋白的功能域,能夠與p21 基因激活的磷酸化蛋白激酶(PAK)相互作用,PAK 通過調(diào)節(jié)Rac1/Cdc42 誘導(dǎo)激活絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinases,MAPKs),MAPKs信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路將細(xì)胞外刺激信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞及其核內(nèi),并引起細(xì)胞生物學(xué)反應(yīng),調(diào)節(jié)細(xì)胞的極化和分裂。在釀酒酵母細(xì)胞中,Spa2蛋白定位于極性生長點,為細(xì)胞極性生長所必需,另外,Spa2 蛋白在細(xì)胞交配過程中的形態(tài)學(xué)變化中起重要作用,缺失Spa2 基因,細(xì)胞交配效率降低了90%[17]。高溫脅迫下,真姬菇細(xì)胞通過Spa2 同源結(jié)構(gòu)域參與的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,調(diào)節(jié)細(xì)胞的極性生長和分裂。SHD 的表達(dá)量下調(diào)導(dǎo)致細(xì)胞分裂次數(shù)減少或分裂周期延長,真姬菇菌絲細(xì)胞的生長繁殖受到抑制。這在一定程度上降低了細(xì)胞的能量消耗,有利于提高真姬菇在逆境中的生存能力。
Schultz 等[18]的研究表明,SAM 是重要的蛋白結(jié)合域,參與細(xì)胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。pH 結(jié)構(gòu)域是SAM 的重要功能區(qū)域,約由100-120 個氨基酸殘基組成,與磷酸肌醇類化合物具有很強(qiáng)的親和力[19]。SAM 域家族蛋白通過與磷酸肌醇類化合物的相互作用,對胞外刺激做出反應(yīng),轉(zhuǎn)移至細(xì)胞膜上[20]。另有文獻(xiàn)報道pH結(jié)構(gòu)域能夠與G蛋白的β、γ亞基結(jié)合,并參與調(diào)節(jié)宿主蛋白的活性[21]。高溫處理后,SAM域家族蛋白的表達(dá)量顯著上調(diào),說明它可能參與真姬菇抗高溫反應(yīng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。Orrecilla 等[22]監(jiān)測了魚腥藻(Anabaena sp. PCC7120)細(xì)胞內(nèi)的游離Ca2+濃度,發(fā)現(xiàn)熱激20 min 細(xì)胞內(nèi)的游離Ca2+濃度達(dá)到最大值。試驗中我們發(fā)現(xiàn)熱激后真姬菇菌絲體細(xì)胞內(nèi)的Ca2+濃度明顯增加。高溫脅迫下,真姬菇可能通過磷脂酰肌醇信號通路,以Ca2+作為第三信使,引發(fā)一系列生理生化反應(yīng),緩解逆境傷害。
鋅指蛋白(點11)是一種具有手指狀結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子,通過和核酸結(jié)合或與蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用,在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控基因的表達(dá)。高溫脅迫下,鋅指蛋白通過表達(dá)量上調(diào),調(diào)控高溫相關(guān)基因的表達(dá),參與真姬菇的高溫脅迫過程。
3.2.2 蛋白質(zhì)降解有關(guān)的蛋白:肽酶M76 家族 肽酶M76 家族蛋白能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)直接水解為氨基酸[23]。有研究表明,高等植物在冷害、干旱、光輻射和高溫等環(huán)境脅迫下會誘導(dǎo)蛋白發(fā)生錯誤折疊,如果不受抑制將導(dǎo)致細(xì)胞死亡[24]。高溫下,Bt 棉棉鈴中的肽酶活性顯著增加,促進(jìn)了蛋白質(zhì)的分解,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)可溶性蛋白含量大幅度下降[25]。高溫脅迫下,真姬菇菌絲體細(xì)胞可能通過提高肽酶的表達(dá)量,促進(jìn)錯誤折疊蛋白的降解,增強(qiáng)生存能力。
3.2.3 熱激蛋白:HSP70 HSP70 是高溫刺激誘導(dǎo)生成或增加合成的蛋白質(zhì),在機(jī)體中呈現(xiàn)重要的應(yīng)對高溫的細(xì)胞策略[26]。高溫會導(dǎo)致細(xì)胞蛋白質(zhì)的變性和聚集,如果不受抑制將導(dǎo)致細(xì)胞死亡。熱激蛋白與其他蛋白質(zhì)結(jié)合,幫助蛋白質(zhì)折疊,防止變性蛋白聚合,調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境以適應(yīng)外界高溫壓力[27]。Waters 等[28]研究指出植物以復(fù)雜的方式對熱脅迫產(chǎn)生應(yīng)答,而HSP 在復(fù)雜的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)中起主導(dǎo)作用。陸兆明等[29]的研究表明,35℃高溫處理后,雙孢蘑菇菌絲體中HSP70 表達(dá)量顯著上調(diào)(為對照組的5 倍)。這與本試驗中,高溫處理后HSP70 表達(dá)量上調(diào)的結(jié)果一致??梢姡琀SP70 是食用菌耐熱機(jī)制中的重要蛋白之一,高溫下熱激蛋白的表達(dá)上調(diào)提高了真姬菇的耐熱性和存活率。
3.2.4 解毒有關(guān)的蛋白:細(xì)胞色素p450 細(xì)胞色素p450 是一類能與CO 結(jié)合形成復(fù)合物,在450 nm附近有最大吸收峰的含血紅素和硫羥基的蛋白。真菌細(xì)胞中,細(xì)胞色素p450 主要是催化一些具有重要生理功能的內(nèi)源性物質(zhì),如激素、脂肪酸、萜類化合物等的生物合成代謝,以及參與許多外源性物質(zhì)或一些有毒物質(zhì)的生物氧化[30]。棉花中,細(xì)胞色素p450 的超量表達(dá)能顯著增加棉花對黃萎病的抗性[31]。高溫處理后,真姬菇菌絲體中細(xì)胞色素p450 的表達(dá)量上調(diào),說明其可通過生物合成或代謝相關(guān)途徑參與熱應(yīng)激反應(yīng),降低高溫對細(xì)胞的毒性。
3.2.5 DNA 修復(fù)有關(guān)的蛋白質(zhì):SNF2家族的DNA修復(fù)蛋白 DNA 修復(fù)蛋白質(zhì)能夠通過對自身損傷DNA 的有效修復(fù),維持DNA 的完整性和穩(wěn)定性。在不良環(huán)境條件下,生物體提高DNA 修復(fù)蛋白質(zhì)的表達(dá)量是自我保護(hù),防止突變的重要手段。高溫處理后真姬菇菌絲體DNA 修復(fù)蛋白的表達(dá)量上調(diào)是真姬菇在高溫條件下啟動的有效抗逆措施。
本研究通過對最適溫度和高溫脅迫條件下真姬菇菌絲體蛋白質(zhì)的差異表達(dá)分析,篩選鑒定出7 個與高溫脅迫相關(guān)的蛋白,分別為Spa2、 DEHA2G15532p、肽酶M76 家族、HSP70、SNF2家族的DNA 修復(fù)蛋白、細(xì)胞色素p450 及AM 域家族和鋅指蛋白的混合物。根據(jù)同源蛋白的功能分析探討了真姬菇的抗高溫機(jī)制。高溫脅迫下,真姬菇可通過多種機(jī)制抵抗高溫刺激。
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