楊屬植物應答高溫脅迫蛋白質(zhì)組學研究進展

王立月　秦青　趙琪

摘要 楊屬植物是很好的造林樹種，高溫是影響楊屬植物生長、分布的主要非生物脅迫因子之一。楊樹應答高溫蛋白質(zhì)組學的研究為我們從系統(tǒng)生物學水平上深入認識楊樹高溫應答的分子調(diào)控機制提供了重要信息。本文整合分析了楊屬植物應答高溫蛋白質(zhì)的特征，為揭示其高溫應對調(diào)控網(wǎng)絡中重要代謝通路的變化提供了重要信息。

關鍵詞 楊樹；高溫脅迫；蛋白質(zhì)組學；應答機制

中圖分類號 S792.11 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）08-0149-02

Abstract Populus species has always been considered as appropriate tree species for forestation.Heat stress is the major abiotic stress factors affecting Populus plant growth and distribution.The proteomics researches on heat-responsive proteins in Populus species have provided important information for further understanding the regulation mechanism.In this paper，the heat-responsive proteins in Populus species were analyzed integratively.It provided important information for revealing the metabolic pathways in heat-responsive networks.

Key words Populus； heat stress； proteomics； responsive mechanism

楊屬（Populus）植物主要分布于北半球的溫帶和寒帶，少數(shù)分布于熱帶。楊樹是主要造林樹種，也為人們提供能源和耗材，如被用于造紙業(yè)、建筑業(yè)以及畜牧業(yè)的飼料等。人們已經(jīng)獲得了楊樹的全基因組序列，其無性繁殖系的基因型也較易于鑒定，適合作為林木研究的模式植物[1]。高溫對楊屬植物生長、發(fā)育以及分布都有很大影響。高溫脅迫破壞細胞膜結(jié)構的完整性，影響植物體內(nèi)RNA與蛋白質(zhì)結(jié)構，干擾細胞骨架動態(tài)重塑，改變酶促反應速率，導致植物體內(nèi)代謝紊亂[2-4]。深入研究楊屬植物應答高溫的分子機制對于提高其抗逆性和培育耐高溫新品種具有重要意義。近年來，人們利用蛋白質(zhì)組學研究策略，已經(jīng)得到了胡楊（Populus euphr-atica Oliv.）葉片、楊樹（Populus tremula L.× Populus alba L.）葉片和形成層細胞應答高溫過程的232種蛋白質(zhì)。本文整合分析了楊樹應答高溫脅迫的蛋白質(zhì)豐度變化特征，為深入研究楊屬植物應答高溫的調(diào)控機制提供了線索。

1 光合作用相關蛋白質(zhì)

Durand等[5]的蛋白質(zhì)組學研究表明，楊樹在30 ℃和42 ℃時葉片中RuBisCO的豐度下調(diào)，當溫度恢復至22 ℃，7 d后這種變化消失。而通常在熱休克處理的植物中光合作用相關蛋白質(zhì)的豐度增加，這有助于補償它們活性的損失[6]。熱休克處理的楊樹中，RuBisCO的豐度在42 ℃時和溫度恢復至22 ℃后都升高，這與光合速率的升高相一致[5]。這表明植物通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成而非蛋白質(zhì)降解途徑調(diào)控植物應對熱脅迫[7]。

高溫影響光合電子傳遞鏈，其中PS II對高溫高度敏感，而PS I熱穩(wěn)定性相對較強。高溫脅迫使PSI的線性電子流受到影響，一部分線性電子流被環(huán)形電子流取代，從而使PSII活性降低[8]。Ferreira等[1]對42/37 ℃處理3 d的胡楊葉片蛋白質(zhì)組的研究結(jié)果表明，光系統(tǒng)I D亞基（PSI-D）豐度上調(diào)，有助于維持PSI的結(jié)構穩(wěn)定性。此外，ATP合酶CF1 α亞基豐度上調(diào)。在熱脅迫條件下CF1 α亞基對ATP合酶的裝配過程有重要作用，ATP合酶的α亞基含有ATP結(jié)合并穩(wěn)定CF1部分的非催化位點，熱脅迫條件下葉綠體中ATP合酶的α亞基、β亞基、γ亞基相互作用可穩(wěn)定葉綠體CF1部分[9]。

2 碳代謝相關蛋白質(zhì)

熱脅迫影響碳代謝過程中關鍵酶的積累。在30 ℃條件下，楊樹形成層中糖酵解/糖異生相關的酶，如果糖二磷酸醛縮酶、磷酸丙糖異構酶和甘油醛-3-磷酸脫氫酶的豐度都上升。這些表明楊樹在熱梯度處理時，糖類利用的增加為代謝調(diào)節(jié)提供所需的能量。此外，形成層中蔗糖合成酶豐度下調(diào)，這與形成層的熱敏感性相關。

此外，F(xiàn)erreira等[1]的蛋白質(zhì)組學研究表明，42 ℃處理初期（6 h）的胡楊葉片中轉(zhuǎn)酮醇酶的豐度降低，這表明短期脅迫導致戊糖磷酸途徑中碳通量減少，該酶在戊糖磷酸途徑中參與磷酸糖類的合成。42/37 ℃處理30 h后的胡楊葉片中烯醇酶、甘油醛-3-磷酸脫氫酶、二氫硫辛酰胺脫氫酶，以及磷酸甘油酸變位酶的豐度都上調(diào)，這表明高溫脅迫初期糖酵解加快，硫胺素的生物合成增強[10]。胡楊受高溫脅迫54 h后，依賴NADP的蘋果酸酶的豐度下調(diào)與高溫脅迫54 h后碳代謝速率降低有關[1]。

3 其他代謝

高溫條件下，植物體內(nèi)氨基酸合成、脂肪酸合成，以及硫代謝等基礎代謝過程受到誘導。Ferreira等[1]的研究表明，胡楊應答42 ℃高溫過程中，葉片中酮醇酸還原異構酶、生物素羧化酶和ATP硫酸化酶的豐度都上調(diào)。這表明氧化脅迫導致氨基酸與脂肪酸合成增強，有利于清除細胞中有毒代謝物[5]。

4 脅迫與防御相關蛋白質(zhì)

梯度高溫條件下，楊樹葉片中類萌發(fā)素蛋白豐度改變，該蛋白催化的反應能產(chǎn)生H2O2，從而誘導植物發(fā)生防御反應[7，11]。熱休克處理下楊樹形成層中富含甘氨酸的蛋白質(zhì)與包含有冷休克結(jié)構域和核苷酸結(jié)合結(jié)構域的細胞壁相關蛋白質(zhì)的豐度上調(diào)[12]，這類蛋白質(zhì)受高溫誘導，在維持脅迫誘導的轉(zhuǎn)錄物穩(wěn)定性方面有重要的作用[13]。

5 氧化還原相關蛋白質(zhì)

高溫脅迫條件下，楊樹通過調(diào)節(jié)氧化還原相關蛋白質(zhì)的積累防止氧化脅迫對其造成的氧化損傷。Durand等研究了楊樹應對梯度高溫和熱休克時葉片和形成層中的蛋白質(zhì)變化。梯度高溫處理誘導形成層中醛/酮還原酶和抗氧化蛋白的豐度增加，通過阻止氧化損傷提高植物的耐熱性[14]。2種脅迫都導致葉片中乙醇酸氧化酶的豐度下調(diào)，利于阻止有毒的乙醇酸積累。此外，F(xiàn)erreira等[1]發(fā)現(xiàn)，胡楊應答42/37 ℃高溫脅迫過程中，硫氧還蛋白h的豐度上調(diào)，利于調(diào)節(jié)高溫脅迫導致的電子傳遞鏈氧化脅迫程度[15]。

6 蛋白質(zhì)代謝相關蛋白質(zhì)

Ferreira等[1]研究了胡楊應答42/37 ℃脅迫時葉片中蛋白質(zhì)的變化，伴侶蛋白10與伴侶蛋白60β亞基的豐度上調(diào)。在高等植物中伴侶蛋白10協(xié)助伴侶蛋白60參與RuBisCO的折疊/裝配，伴侶蛋白60β亞基的主要功能與其他一些防御蛋白的功能相似，幫助蛋白質(zhì)折疊，防止發(fā)生錯誤折疊。此外，Durand等[5]的研究表明，熱激脅處理條件下楊樹葉片中伴侶蛋白GroES的豐度增加，而梯度高溫條件下與蛋白質(zhì)折疊相關的新生多肽的α亞基的豐度持續(xù)降低。

7 轉(zhuǎn)錄/翻譯相關蛋白質(zhì)

Ferreira等[1]研究表明，胡楊葉片中ATP合酶ε亞基、富含甘氨酸的RNA結(jié)合蛋白質(zhì)，以及50S核糖體L12-1蛋白質(zhì)的豐度在42 ℃脅迫初期下調(diào)。富含甘氨酸的RNA結(jié)合蛋白質(zhì)在脅迫條件下結(jié)合RNA，以保護蛋白分子。50S核糖體L12-1蛋白質(zhì)是蛋白合成相關因子的結(jié)合位點，對于能夠進行準確的蛋白質(zhì)翻譯有重要作用[16]。

8 結(jié)論

定量蛋白質(zhì)組學研究結(jié)果揭示了楊屬植物應答高溫脅迫的網(wǎng)絡調(diào)控機制，主要包括：①調(diào)節(jié)碳與能量代謝相關酶的豐度從而調(diào)整能量代謝水平；②調(diào)節(jié)氨基酸合成、硫代謝等從而調(diào)控植物基礎代謝狀態(tài)；③提高抗氧化酶系統(tǒng)相關酶的豐度從而維持體內(nèi)ROS平衡；④光合作用相關蛋白質(zhì)豐度變化，維持光合機器結(jié)構的穩(wěn)定；⑤分子伴侶類蛋白質(zhì)的豐度上升，有助于蛋白質(zhì)正確折疊。這些結(jié)果為進一步研究楊屬植物應對高溫脅迫的分子網(wǎng)絡調(diào)控機制提供了有價值的信息。

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