水稻根系響應(yīng)鎘脅迫的蛋白質(zhì)差異表達(dá)

肖清鐵, 王經(jīng)源, 鄭新宇, 戎 紅, 張國(guó)君, 王良華, 謝惠玲, 李 藝, 陳 珊, 林瑞余, 林文雄

福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 福州 350002

水稻根系響應(yīng)鎘脅迫的蛋白質(zhì)差異表達(dá)

肖清鐵, 王經(jīng)源, 鄭新宇, 戎 紅, 張國(guó)君, 王良華, 謝惠玲, 李 藝, 陳 珊, 林瑞余*, 林文雄

福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 福州 350002

為探討水稻根系對(duì)鎘脅迫的分子生理響應(yīng)，以抗鎘水稻PI312777和鎘敏感水稻IR24為材料，設(shè)置Cd2+濃度為0、50和100μmol/L的水培試驗(yàn)，處理7d后分析了水稻根系的蛋白質(zhì)差異表達(dá)。結(jié)果表明，在鎘脅迫下水稻PI312777和IR24根系有18個(gè)蛋白質(zhì)發(fā)生了差異表達(dá)，其中的12個(gè)得到MALDI-TOF/MS鑒定。這些鑒定的蛋白功能可分四類：(1)與活性氧(ROS)脅迫相關(guān)的過氧化物酶(POD)、蛋氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶(MAT)、類萌發(fā)素蛋白前體；(2)與谷胱甘肽(GSH)合成相關(guān)的S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸脫氫酶(GDH)；(3)與逆境脅迫相關(guān)的ABA脅迫誘導(dǎo)蛋白含HVA22域蛋白、ABA-脅迫-成熟誘導(dǎo)蛋白5(ASR5)；(4)與細(xì)胞分裂調(diào)控相關(guān)的GTP結(jié)合核蛋白R(shí)an-2。鎘脅迫下SAMS和GTP結(jié)合核蛋白R(shí)an-2在兩種水稻根系均發(fā)生上調(diào)表達(dá)；MAT、POD、類萌發(fā)素蛋白前體和GS發(fā)生下調(diào)表達(dá)；依賴NADP-GDH、GDH和磷酸甘油酸變位酶在IR24根部均發(fā)生下調(diào)表達(dá)，在PI312777根部?jī)H在100μmol/L Cd2+處理發(fā)生下調(diào)表達(dá)；含HVA22域蛋白在PI312777根部上調(diào)表達(dá)，在IR24根部發(fā)生下調(diào)表達(dá)；ASR5在PI312777根部上調(diào)表達(dá)，在IR24根部的表達(dá)無顯著差異；100μmol/L Cd2+脅迫下60S酸性核糖體蛋白P0在水稻PI312777根部表達(dá)下調(diào)，在IR24根部表達(dá)上調(diào)?？梢姡k脅迫使水稻根部ROS增加，形成氧化脅迫反應(yīng)，造成毒害作用，而水稻根通過調(diào)節(jié)SAMS和GS提高GSH合成降低鎘毒害。ASR5和HVA22蛋白等逆境脅迫蛋白的表達(dá)差異則是水稻品種間抗性差異的重要原因之一。

水稻;根系;鎘;脅迫反應(yīng);蛋白質(zhì)組學(xué)

鎘(Cd)是生物毒性最強(qiáng)的土壤污染物之一，它極易在植物體內(nèi)積累，并通過食物鏈影響動(dòng)物與人類的健康[1]。水稻是我國(guó)最重要的糧食作物，隨著工業(yè)三廢的大量排放及化肥農(nóng)藥的大量使用，稻田鎘污染日益嚴(yán)重，大米鎘污染已引起政府部門的高度關(guān)注[2]。根系是植物最先感受逆境的器官，也是植物吸收礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)、水分以及有害物質(zhì)的主要通道。研究發(fā)現(xiàn)水稻吸收到體內(nèi)的Cd2+大部分累積在根部，嚴(yán)重抑制根系生長(zhǎng)，使根彎曲，根數(shù)減少[3]；直接或間接作用于DNA分子，引起DNA分子損傷[4]；影響細(xì)胞分裂、誘發(fā)染色體畸變等，且隨著鎘濃度的提高，這種傷害增強(qiáng)[5]。水稻根部通過改變氧化酶活性、形成GSH、PC絡(luò)合解毒、生成金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等來降低鎘的毒害作用[1]，但這些反應(yīng)的過程是十分復(fù)雜的，其調(diào)控機(jī)制并不明確，尚待研究。此外，不同水稻品種的鎘抗性不同，其鎘吸收能力存在差異[6]，但這種差異形成的原因和機(jī)制尚不明確。因此，研究不同抗性品種水稻根系對(duì)鎘脅迫的響應(yīng)對(duì)揭示水稻的鎘抗性與鎘在水稻體內(nèi)的積累機(jī)制具有重要意義。目前對(duì)于不同品種水稻根對(duì)鎘脅迫的不同抗性研究主要集中在形態(tài)(生物量、根長(zhǎng)及根尖細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu))、生理(SOD、POD、CAT活性)等方面[3,7]，對(duì)根系其他方面的研究卻較少。為此，本研究擬用抗鎘水稻PI312777和鎘敏感水稻IR24為材料，應(yīng)用差異蛋白質(zhì)組學(xué)方法，分析兩種水稻的根系在Cd脅迫條件下的蛋白質(zhì)表達(dá)變化，以期為研究水稻響應(yīng)鎘脅迫的分子機(jī)理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)在福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行。選取抗鎘水稻品種PI312777和鎘敏感水稻品種IR24為供試材料[7]。在3葉期將水稻秧苗移栽至塑料盆(40cm×30cm×15cm)中用10L營(yíng)養(yǎng)液(參照國(guó)際水稻研究所常規(guī)營(yíng)養(yǎng)液配方[8])進(jìn)行水培。5葉期時(shí)，在營(yíng)養(yǎng)液中添加50μmol/L和100μmol/L Cd2+溶液進(jìn)行脅迫處理(不添加為空白對(duì)照)，每個(gè)處理3次重復(fù)。處理7d后，選取生長(zhǎng)一致的水稻秧苗，獲取根系樣品并立即置于液氮中，用于蛋白質(zhì)提取[9]。

1.2 蛋白質(zhì)樣品溶液制備

取4.0g水稻根，按王經(jīng)源等[10]的TCA-丙酮沉淀法進(jìn)行蛋白質(zhì)提取。取適量蛋白質(zhì)干粉加入裂解液[9mol/L尿素，1%二硫蘇糖醇(DTT)，4%CHAPS，2%Ampholine(pH 3—10)]，20—25℃水浴超聲30min，然后在25℃下18000r/min離心15min，棄沉淀，上清液即蛋白質(zhì)樣品溶液，置于-80℃冰箱保存?zhèn)溆?。蛋白質(zhì)樣品濃度用Brandford方法進(jìn)行定量[11]。

1.3 雙向電泳與凝膠成像

(1)等電聚焦 采用自制的18cm膠條(尿素1.854g；15%ACR 0.900g；超純水0.234g；10%NP-40為0.68g；pH 3—10的兩性電解質(zhì)61μL；pH5—8的兩性電解質(zhì)244μL；10%過硫酸銨7.2μL；TEMED15.0μL)進(jìn)行等電聚焦，上樣量150μg，聚焦電壓參數(shù)：200V×0.5h，300V×0.5h，400V×0.5h，500V×0.5h，600V×0.5h，800V×14h，1000V×4h。

(2)SDS-PAGE電泳 膠條置于平衡緩沖液[60mmol/LTris-HCl(pH6.8)，2%SDS，5% 巰基乙醇，10%甘油，0.05%溴酚藍(lán)]平衡30min，后進(jìn)行SDS-PAGE(電泳參數(shù)為: 每板10mA×10h)。

(3)硝酸銀染色 電泳結(jié)束后，SDS-PAGE膠經(jīng)固定液(50%甲醇，5%冰醋酸)×30min，增敏液(30%乙醇0.2%硫代硫酸鈉，6.8%醋酸鈉)×30min，硝酸銀染色液(2.5%硝酸銀，0.4%甲醛)×20min，顯色液(2.5%碳酸鈉，0.2%甲醛)顯色，5%冰醋酸終止顯色。

(4)圖譜分析 銀染后的SDS-PAGE膠用Image Scanner Ⅲ掃描儀掃描，構(gòu)建蛋白質(zhì)表達(dá)圖譜。采用Image Master 5.0版軟件對(duì)圖譜進(jìn)行分析，表達(dá)豐度差異達(dá)1.5倍以上的蛋白質(zhì)點(diǎn)標(biāo)記為差異點(diǎn)[9]。

1.4 質(zhì)譜分析

從SDS-PAGE膠上挖取的差異蛋白質(zhì)點(diǎn)經(jīng)脫色(50%乙腈+50mmol/L碳酸氫銨100μL)、干膠(100%乙腈)、酶解(12.5ng/μL的trypsin酶溶液)、肽段提取(50%乙腈+0.1%TFA 60μL)后，將溶液轉(zhuǎn)移到96孔板內(nèi)進(jìn)行質(zhì)譜鑒定。質(zhì)譜分析在復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院分析測(cè)試中心進(jìn)行，采用4700MALDI-TOF/TOF Proteomics Analyzer(Applied Biosystems,USA)進(jìn)行分析。激光源：Nd,YAG激光器(波長(zhǎng)355nm)，加速電壓20kV，數(shù)據(jù)采集采用正離子和數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取模式。PMF質(zhì)量掃描范圍700—3500Da，且強(qiáng)度最大的5個(gè)峰進(jìn)行串級(jí)質(zhì)譜分析；用myoglobin酶解肽段作為外標(biāo)校正譜圖。用GPS(Applied Biosystems,USA)-MASCOT (Matrix,Science,London,UK)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索所得結(jié)果[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫下水稻根系差異表達(dá)蛋白質(zhì)分析

將提取的各蛋白樣品經(jīng)過雙向電泳，得到雙向電泳凝膠2-DE圖譜，進(jìn)一步通過Imagemaster 2D Elite 5.0圖象軟件分析，經(jīng)自動(dòng)檢測(cè)和人工去除雜點(diǎn)后，每塊膠得到700個(gè)左右蛋白質(zhì)點(diǎn)，各蛋白質(zhì)的pI范圍為3.5—10.0，Mr范圍為14.4—116.2KD(圖1)。

圖1 不同濃度鎘處理水稻根差異表達(dá)圖譜Fig.1 2-DE maps of proteins in rice roots under different Cd2+ concentrationsA、B、C分別為0、50、100μmol/L Cd2+處理下PI312777根蛋白表達(dá)圖譜，D、E、F分別為0、50、100μmol/L Cd2+處理下IR24根蛋白表達(dá)圖譜;A、D中數(shù)字為差異蛋白質(zhì)點(diǎn)編號(hào)

2.2 水稻根系差異表達(dá)蛋白的MALDI-TOF-TOF MS分析與鑒定

以0μmol/L Cd2+處理為對(duì)照，在抗鎘水稻PI312777和鎘敏感水稻IR24根中都發(fā)生差異表達(dá)的蛋白質(zhì)點(diǎn)共有18個(gè)(圖1)。對(duì)凝膠圖譜中重現(xiàn)性好，Cd2+脅迫下豐度值發(fā)生1.5倍以上變化的18個(gè)差異蛋白點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)質(zhì)譜分析，除表達(dá)豐度較低而無法檢測(cè)的蛋白點(diǎn)外，共有12個(gè)蛋白得到鑒定(表1)。其中鎘脅迫下水稻根部關(guān)鍵蛋白質(zhì)的表達(dá)情況見表2。

2.3 不同鎘抗性水稻根系的差異蛋白表達(dá)模式分析

鎘脅迫處理下，在抗鎘和鎘敏感水稻根部具有相同表達(dá)模式的差異表達(dá)蛋白6個(gè)，包括SMAS、MAT、POD、類萌發(fā)素蛋白前體、GTP結(jié)合核蛋白R(shí)an-2和GS。其中在不同濃度鎘處理下均發(fā)生上調(diào)表達(dá)的蛋白為SAMS、GTP結(jié)合核蛋白R(shí)an-2(表1，表2)；在不同濃度鎘處理下均發(fā)生下調(diào)表達(dá)的蛋白為MAT、POD、類萌發(fā)素蛋白前體和GS(表1)。

鎘脅迫處理下，在抗鎘與鎘敏感水稻根部具有不同表達(dá)模式的差異表達(dá)蛋白6個(gè)，包括依賴NADP-GDH、含HVA22域蛋白、ASR5、GDH、60S酸性核糖體蛋白P0和磷酸甘油酸變位酶。其中50μmol/L和100μmol/L Cd2+脅迫下，IR24根部依賴NADP-GDH、GDH和磷酸甘油酸變位酶均發(fā)生下調(diào)表達(dá)，而PI312777根部這3個(gè)蛋白僅在100μmol/L Cd2+脅迫下才發(fā)生下調(diào)表達(dá)(表1)；含HVA22域蛋白在PI312777根部發(fā)生上調(diào)表達(dá)，而在IR24根部發(fā)生下調(diào)表達(dá)(表1，表2)；ASR5在PI312777根部上調(diào)表達(dá)，而在IR24根部的表達(dá)量與對(duì)照無顯著差異(表1，表2)；在50μmol/L Cd2+脅迫下，60S酸性核糖體蛋白P0在兩種水稻根的表達(dá)量未發(fā)生變化，在100μmol/L Cd2+脅迫時(shí)兩種水稻根部的60S酸性核糖體蛋白P0表達(dá)量在水稻PI312777根中減少，在水稻IR24根中增加(表1)。

3 討論與總結(jié)

鎘脅迫對(duì)植物最重要的傷害是氧化脅迫，這種脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧(ROS)增加。ROS一方面誘導(dǎo)清除活性氧相關(guān)的酶活性升高，另一方面又可直接攻擊生物大分子，使植物體內(nèi)酶活性喪失[12]。過氧化物酶(POD)是植物在逆境條件下酶促防御系統(tǒng)的關(guān)鍵酶之一，參與植物體內(nèi)ROS清除。類萌發(fā)素蛋白(GLPs)是PRs家族中的一類胞外糖蛋白, 在植物中普遍存在。GLPs主要以酶、受體和結(jié)構(gòu)蛋白的形式參與多種生理生化過程, 能清除植物體內(nèi)過多的ROS，解除植物的氧化脅迫[13]。MAT催化蛋氨酸和ATP形成S-腺苷甲硫氨酸的反應(yīng)，是蛋氨酸循環(huán)的關(guān)鍵酶，而Mg2+和K+是該酶產(chǎn)生活性的重要元素[14]，Cd2+的存在可能會(huì)破壞MAT的結(jié)構(gòu)，降低其酶活性。不同濃度鎘脅迫下兩種水稻根系與自由基清除相關(guān)的POD、類萌發(fā)素蛋白前體和MAT的表達(dá)量均下調(diào)(表1)，表明水稻根系部分酶的活性喪失，不利于自由基的清除，從而直接影響水稻的生長(zhǎng)發(fā)育。這與肖美秀等發(fā)現(xiàn)鎘脅迫抑制了水稻生長(zhǎng)發(fā)育的研究結(jié)果相吻合[7]。

○無差異表達(dá)；↓表達(dá)量下調(diào)；↑表達(dá)量上調(diào)

表2 鎘脅迫下水稻根部差異表達(dá)的關(guān)鍵蛋白質(zhì)點(diǎn)Table 2 The key proteins were differently expressed in rice root under Cd2+ concentrations

植物通?？梢酝ㄟ^拒絕吸收重金屬或者誘導(dǎo)一些基因表達(dá)，產(chǎn)生一些物質(zhì)直接或間接地參與重金屬結(jié)合固定或者把重金屬?gòu)拿舾械奈稽c(diǎn)移除排除，以增強(qiáng)對(duì)重金屬污染的耐性。螯合肽(PCs)是植物體中Cd2+最重要的配體之一，它由谷胱甘肽(GSH)還原合成，結(jié)合金屬鎘離子后可將其轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡，從而減輕金屬在胞液中的毒性。半胱氨酸作為GSH的合成底物，在植物重金屬解毒方面發(fā)揮重要作用[15]，S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS)可催化甲硫氨酸和ATP生成S-腺苷甲硫氨酸，進(jìn)而形成甲硫氨酸和半胱氨酸[16]，能促進(jìn)GSH的合成。因此SAMS活性的提高能增強(qiáng)水稻的鎘解毒能力[17-18]。研究表明不同濃度鎘處理誘導(dǎo)了兩種水稻根部的SAMS表達(dá)增強(qiáng)，研究結(jié)果與Wang等研究鎘脅迫下小麥根系SAMS的表達(dá)量顯著增加相一致[19]。谷氨酰胺合成酶(GS)是植物催化谷氨酸鹽(Glu)轉(zhuǎn)變?yōu)楣劝滨０?Gln)的關(guān)鍵酶，在鎘脅迫下該酶活性受到極大的抑制[20]。其活性的降低促進(jìn)了Glu的積累，有利于鎘解毒物質(zhì)GSH的生物合成[21]。研究發(fā)現(xiàn)鎘脅迫下兩種水稻根系的GS均下調(diào)表達(dá)，有利于水稻根系鎘解毒的進(jìn)行。

ASR5和HVA22都是ABA脅迫誘導(dǎo)蛋白，它們的表達(dá)水平反映了植物的抗性。ASR5是一類受逆境脅迫(如干旱、低溫、鹽脅迫、ABA 等)后大量表達(dá)，以減輕逆境引起的傷害的蛋白質(zhì)[22]。HVA22是一個(gè)ABA脅迫誘導(dǎo)蛋白，它受干旱、鹽和高溫等環(huán)境脅迫誘導(dǎo)表達(dá)[23]，能抑制赤霉素介導(dǎo)的谷類糊粉細(xì)胞的程序性死亡，還能調(diào)節(jié)脅迫細(xì)胞的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)，減少植物細(xì)胞的非必需分泌，從而提高植物的抗逆境能力[24]。Arenhart 等研究發(fā)現(xiàn)Al脅迫下粳稻日本晴的ASR5表達(dá)增強(qiáng)[25]，鹽脅迫下耐鹽水稻中的ASR5蛋白上調(diào)表達(dá)，而在鹽敏感水稻中無顯著變化[26]。大麥幼苗在100μmol/L ABA處理24h，脫水處理3d，或1℃冷處理4d等條件下其HVA22基因均增強(qiáng)表達(dá)[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同抗性水稻根中的這兩個(gè)蛋白對(duì)鎘脅迫產(chǎn)生了不同的表達(dá)反應(yīng)。鎘脅迫下，與對(duì)照相比，抗鎘水稻PI312777根部的含有HVA22域蛋白和ASR5蛋白的表達(dá)量均增加，而在水稻IR24根部的含有HVA22域蛋白表達(dá)卻降低，ASR5的表達(dá)量與對(duì)照無差異(表1)。表明水稻根中的ASR5和HVA22蛋白的增強(qiáng)表達(dá)可能會(huì)提高水稻的鎘抗性。

Ran2蛋白被認(rèn)為是一種重要的細(xì)胞分裂調(diào)控因子, 參與調(diào)控細(xì)胞周期中各個(gè)時(shí)期的許多細(xì)胞生命活動(dòng), 如細(xì)胞核膜重建、DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄與加工運(yùn)輸、細(xì)胞核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞分裂時(shí)紡錘體的組裝等[27]。冷脅迫下水稻OsRAN2基因表達(dá)上調(diào)，其表達(dá)水平與水稻根尖的有絲分裂指數(shù)呈顯著正相關(guān)，且該基因的過表達(dá)提高了水稻的抗寒能力[28]。不同濃度鎘脅迫下兩種水稻根部的GTP結(jié)合核蛋白R(shí)an-2均上調(diào)表達(dá)，促進(jìn)了根尖的有絲分裂，提高了水稻的鎘耐性。

由以上水稻根響應(yīng)鎘脅迫的蛋白質(zhì)表達(dá)變化，及前期對(duì)鎘脅迫下水稻葉片的蛋白質(zhì)組學(xué)分析結(jié)果顯示[16]，水稻根和葉通過了不同的途徑提高自身的抗鎘能力(圖2)。這些途徑的差異有：(1)鎘解毒過程：水稻根部一方面通過增強(qiáng)S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS)的表達(dá)來提高半胱氨酸的含量；另一方面通過降低谷氨酰胺合成酶(GS)的活性來減少Glu轉(zhuǎn)化為Gln，增加Glu的含量，進(jìn)而合成更多的GSH用于解除鎘毒害作用。而在水稻葉片則通過提高谷胱甘肽-抗壞血酸偶聯(lián)的氧化還原系統(tǒng)中的關(guān)鍵酶抗壞血酸還原酶(DHAR)和谷胱甘肽還原酶(GR)的活性來消除鎘引起的過氧化氫及其自身的毒害作用。(2)脅迫誘導(dǎo)蛋白的表達(dá)存在差異。水稻葉片通過誘導(dǎo)熱激蛋白(HSP)和干旱誘導(dǎo)蛋白的表達(dá)來增強(qiáng)自身的鎘抗性。而水稻根部則是提高了具有增強(qiáng)植物抗逆境能力的ABA脅迫誘導(dǎo)蛋白ASR5和HVA22的合成來提升抗鎘能力。(3) 基因表達(dá)方面。水稻葉片通過DNA修復(fù)重組蛋白來恢復(fù)鎘脅迫引起的水稻DNA結(jié)構(gòu)和功能的損傷，維持水稻葉片的正常生長(zhǎng)；而在鎘脅迫環(huán)境下，水稻根部提高了參與調(diào)節(jié)細(xì)胞核膜重建、DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄與加工運(yùn)輸、細(xì)胞核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞分裂時(shí)紡錘體的組裝等活動(dòng)的Ran2蛋白的生成，促進(jìn)水稻根細(xì)胞分裂，降低鎘對(duì)水稻生長(zhǎng)的抑制作用。本研究從蛋白質(zhì)水平探討了水稻的根和葉在鎘脅迫下的抗性調(diào)節(jié)過程，有助于加深人們對(duì)水稻抗鎘分子機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

圖2 水稻對(duì)鎘脅迫的響應(yīng)途徑及其在鎘解毒過程中的蛋白質(zhì)表達(dá)變化Fig.2 A putative model of Cd response in rice and possible roles of differently expressed proteins in Cd detoxification

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Analysis of the differently expressed proteins in rice roots in response to cadmium stress

XIAO Qingtie, WANG Jingyuan, ZHENG Xinyu, RONG Hong, ZHANG Guojun,WANG Lianghua, XIE Huiling, LI Yi,CHEN Shan, LIN Ruiyu*, LIN Wenxiong

InstituteofAgroecology,SchoolofLifeSciences,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China

To investigate the molecular and physiological responses in rice roots to cadmium (Cd) stress, a set of hydroponic culture experiments treated with Cd2+at0, 50, and 100μmol/L in the solutions were conducted to analyze the differentially expressed proteins in the roots of two rice (OryzasativaL.) cultivars (Cd-tolerant rice PI312777and Cd-sensitive rice IR24) 7days after the treatments.The results showed that 18proteins were differentially expressed in the roots of PI312777and IR24under Cd stress;12of them were identified by the MALDI-TOF/MS technique.The biological functions of these identified proteins were involved in four metabolic pathways, including (1) reactive oxygen species (ROS) stress: peroxidase (POD), methionine adenosyltransferase (MAT), and germin-like protein precursor;(2) glutathione (GSH) synthesis: S-adenosylmethionine synthetase (SAMS), glutamine synthetase (GS), and glutamate dehydrogenase (GDH);(3) stress response induced by abscisic acid (ABA): HVA22and abscisic acid-stress-ripening-inducible 5protein (ASR5);and (4) cell division regulation: GTP-binding nuclear protein Ran-2.Under Cd stress conditions, the expression of SAMS and GTP-binding nuclear protein Ran-2were up-regulated and MAT, POD, the germin-like protein precursor, and GS were down-regulated in the roots of the two rice cultivars.The expression of NADP-GDH, GDH and phosphoglycerate mutase were down-regulated in the roots of rice IR24, but they were down-regulated in PI312777only upon the treatment with 100μmol/L Cd2+.The expression of protein with HVA22domain was up-regulated in PI312777, but it was downregulated reversed in IR24.ASR5was up-regulated in rice PI312777, but no significant change was found in IR24.The 60s acidic ribosomal protein P0was down-regulated in PI312777, but up-regulated in IR24at 100μmol/L Cd2+condition.Our results suggest that Cd stress increases ROS and produces oxidative stress in rice roots, which lead to Cd toxicity in rice roots.To alleviate Cd toxicity, rice roots increase the GSH synthesis by up-regulation of SAMS and GS.Different expression patterns of stress-related proteins such as ASR5and HVA22are important in understanding the differences in Cd tolerance across rice cultivars.

rice (OryzasativaL.);root;cadmium;stress response;proteomics

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31070403);福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2009J01056, 2013J01083);福建省教育廳基金項(xiàng)目(JA09084);福建省高校服務(wù)海西建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目(0B08B005);福建農(nóng)林大學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)專項(xiàng)(6112c0604)

2014-03-23; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2015-01-28

10.5846/stxb201403230517

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lrylin2004@163.com

肖清鐵, 王經(jīng)源, 鄭新宇, 戎紅, 張國(guó)君, 王良華, 謝惠玲, 李藝, 陳珊, 林瑞余, 林文雄.水稻根系響應(yīng)鎘脅迫的蛋白質(zhì)差異表達(dá).生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(24):8276-8283.

Xiao Q T, Wang J Y, Zheng X Y, Rong H, Zhang G J,Wang L H, Xie H L, Li Y,Chen S, Lin R Y, Lin W X.Analysis of the differently expressed proteins in rice roots in response to cadmium stress.Acta Ecologica Sinica,2015,35(24):8276-8283.