低溫脅迫下苦瓜幼苗差異蛋白的表達(dá)與分析

黃玉輝　梁家作　黃熊娟　馮誠(chéng)誠(chéng)　黃如葵　陳小鳳　劉杏連　陳振東　秦健

摘要：【目的】尋找與苦瓜苗期耐低溫表達(dá)調(diào)控相關(guān)的蛋白，深入了解苦瓜抗低溫機(jī)理，為下一步開展苦瓜耐低溫分子基礎(chǔ)研究及苦瓜耐低溫育種打下基礎(chǔ)?！痉椒ā恳阅屠湫蚆C108和冷敏型MC6苦瓜品種為材料，運(yùn)用雙向電泳技術(shù)分析低溫脅迫（8 ℃低溫脅迫72 h）下苦瓜苗期葉片蛋白質(zhì)差異變化?！窘Y(jié)果】對(duì)2-DE圖譜分析發(fā)現(xiàn)，冷敏型MC6和耐冷型MC108苦瓜品種間共存在82個(gè)差異蛋白點(diǎn)，其中，39個(gè)蛋白點(diǎn)上調(diào)，36個(gè)蛋白點(diǎn)下調(diào)，2個(gè)新增蛋白點(diǎn)，5個(gè)消失蛋白點(diǎn)；對(duì)其中24個(gè)表達(dá)量變化明顯的蛋白質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行MALDI-TOF-TOF/MS 分析，經(jīng)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索匹配，鑒定出5個(gè)未知蛋白和14個(gè)功能蛋白，這些蛋白涉及細(xì)胞防御、自由基清除、光合作用、基礎(chǔ)代謝、蛋白降解等多個(gè)功能類別?！窘Y(jié)論】在逆境脅迫下苦瓜可通過調(diào)節(jié)多種蛋白表達(dá)來適應(yīng)外界溫度的變化。

關(guān)鍵詞： 苦瓜；低溫脅迫；差異蛋白；表達(dá)

中圖分類號(hào)： S642.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1191（2017）04-0594-07

Abstract：【Objective】In the present study， the proteins related to cold resistance regulation of Momordica charantia L. at seedling stage were searched for so as to explore mechanism of resistance to low temperature and laid foundation for M. charantia L. cold resistance molecule research and cold resistance variety breeding. 【Method】Cold-susceptible M. charantia L. MC6 and cold-resistant M. charantia L. MC108 were taken as materials. Difference of proteins in M. charantia L. leaves at seedling stage under low temperature stress（8 ℃ for 72 h） was analyzed by two dimensional electrophoresis. 【Result】2-DE map indicated that there were 82 differential protein spots between cold-susceptible M. charantia L. MC6 and cold-resistant M. charantia L. MC108. Among these protein spots， thirty-nine up-regulated， thirty-six down-regulated， two were newly added and five disappeared. MALDI-TOF-TOF/MS analysis was conducted on 24 proteins spots with obvious expre-

ssion difference. Through searching and matching in database， five unknown proteins and fourteen functional proteins were detected. These proteins were involved in cytophylaxis， radicals scavenging， photosynthesis， basic metabolism and protein degradation. 【Conclusion】Under stress， M. charantia L. can adapt to the temperature variation through regulating multiple proteins.

Key words： Momordica charantia L.； low temperature stress； differential protein； expression

0 引言

【研究意義】苦瓜（Momordica charantia L.）起源于東南亞的熱帶地區(qū)，為葫蘆科苦瓜屬，短日照、冷敏性蔬菜，營(yíng)養(yǎng)豐富，尤其維生素C含量位列瓜果類蔬菜之首，具有降血糖、降血脂、抗腫瘤、抗氧化、抗菌及提高人體免疫力等功效，為我國(guó)城鄉(xiāng)居民菜、藥兼用。為了實(shí)現(xiàn)苦瓜周年供應(yīng)和全面提高苦瓜生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，近年來各地大力發(fā)展苦瓜四季栽培技術(shù)，但由于我國(guó)大部分地區(qū)冬春季節(jié)氣溫低，嚴(yán)重制約了苦瓜的全年生產(chǎn)，其中廣西大多數(shù)地方常出現(xiàn)冬季寒露風(fēng)和春季低溫天氣，尤其2～4月冷空氣南下頻繁，與南方暖濕氣流交匯，形成連續(xù)或斷續(xù)的低溫陰雨天氣，導(dǎo)致苦瓜等喜溫性蔬菜落花落果而減產(chǎn)或絕收，嚴(yán)重阻礙了廣西苦瓜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，突破低溫對(duì)苦瓜正常生長(zhǎng)的危害是實(shí)現(xiàn)苦瓜全年生產(chǎn)，尤其是反季節(jié)生產(chǎn)的關(guān)鍵所在?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】雙向電泳作為一種快速、簡(jiǎn)單、高效分離蛋白點(diǎn)的方法近年來已成為研究植物對(duì)逆境脅迫應(yīng)答的重要手段。目前，已研究發(fā)現(xiàn)逆境脅迫下誘導(dǎo)的脅迫蛋白、熱激蛋白和抗病蛋白等在抗脅迫中發(fā)揮著重要作用。在低溫脅迫應(yīng)答方面，Griffith等（1992）從冷適應(yīng)冬麥質(zhì)體中分離到具有較高抗凍活性的抗凍蛋白（AFS），這種蛋白與病原相關(guān)蛋白相似，靠積累突變進(jìn)化形成結(jié)合冰的能力。Hincha等（1997）從甘藍(lán)葉片中純化出一種具有冷保護(hù)活性的28.5 kD的“沸騰—穩(wěn)定”蛋白（低溫保護(hù)素），其冷保護(hù)活性與一個(gè)冷誘導(dǎo)的7 kD糖蛋白（熱激蛋白）有關(guān)。李銳等（2010）通過蛋白雙向電泳和質(zhì)譜分析，研究了低溫脅迫下棉花幼苗蛋白質(zhì)的含量變化，結(jié)果表明，不同品種棉苗在低溫脅迫前后表達(dá)量存在明顯差異，得到了30個(gè)蛋白指紋圖譜，其中逆境蛋白占20%。隨著蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，更多與低溫脅迫響應(yīng)相關(guān)的蛋白在水稻、大豆、豌豆、油菜、玉米、小麥、香蕉和茭白等植物中被發(fā)現(xiàn)（阮松林等，2006；王巍等，2011；楊猛等，2013；蒼晶等，2014；金曄等，2015；張春等，2015；周國(guó)華等，2016），這些逆境蛋白可增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)各種逆境的抵抗能力，進(jìn)而提高植物的生存能力。【本研究切入點(diǎn)】目前，有關(guān)低溫脅迫下苦瓜差異蛋白的研究尚無報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以耐冷型MC108和冷敏型MC6苦瓜品種為材料，利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，比較不同耐冷苦瓜材料在低溫脅迫下葉片蛋白質(zhì)組的變化，以深入了解苦瓜抗低溫機(jī)理，為今后開展苦瓜耐低溫分子基礎(chǔ)研究及苦瓜耐低溫育種打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

供試耐冷型MC108和冷敏型MC6苦瓜品種分別來自山東和廣西。

1. 2 試驗(yàn)方法

1. 2. 1 供試苦瓜種植 采用室外盆栽播種，正常水肥管理，待苦瓜幼苗長(zhǎng)至4葉1心時(shí)，處理在光照培養(yǎng)箱中8 ℃低溫脅迫72 h，空白對(duì)照在常溫繼續(xù)培養(yǎng)。每處理植株15株，3次重復(fù)。

1. 2. 2 苦瓜葉片全蛋白提取 苦瓜葉片蛋白提取參考Saravanan和Rose（2004）的方法并稍加改進(jìn)：將1 g苦瓜葉片（加20% PVPP）液氮研磨成粉，加入10 mL提取液[含0.5 mol/L Tris-HCl（pH 7.5），50 mmol/L EDTA（pH 8.0）， 0.7 mol/L蔗糖，0.1 mol/L KCl]和10 mL Tris飽和酚，充分混勻后低溫放置30 min；4 ℃下10000 r/min離心15 min，棄上清液，加入等體積的提取液，充分混勻后于低溫放置30 min；4 ℃下10000 r/min離心15 min，棄上清液，加入5倍體積的醋酸銨甲醇溶液對(duì)蛋白進(jìn)行沉淀，充分混勻后-20 ℃沉淀過夜；加入5 mL丙酮對(duì)蛋白進(jìn)行洗滌，用移液器（1 mL）反復(fù)吹打均勻后，4 ℃下10000 r/min離心15 min；重復(fù)操作1次；棄上清液后，室溫干燥，-80 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1. 2. 3 雙向電泳（2D-PAGE） 第一相等電聚焦電泳（IEF）：計(jì)算蛋白上樣量，銀染用120 μg，考染用800 μg；按濃度取蛋白上清液，加入水化液（含8 mol/L Urea，2% CHAPS，18 mmol/L DTT，0.5% IPG Buffer pH 3～10，0.002%溴酚藍(lán)），選用24 cm pH 4～7膠條進(jìn)行水化；采用GE ETTAN IPGPHOR 3等電聚焦系統(tǒng)進(jìn)行等電聚焦，電泳參數(shù)為300 V 30 min、700 V 30 min、1500 V 1.5 h、9000 V 3.0 h、9000 V 4.0 h。第二相聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS-PAGE）：用垂直電泳系統(tǒng)制備聚丙烯酰胺凝膠，分離膠濃度為12%，電泳參數(shù)為80 V 30 min左右，之后為200 V 5 h，直至溴酚藍(lán)前沿離膠下沿0.5 cm處停止電泳。電泳結(jié)束后取出凝膠切角標(biāo)記并進(jìn)行銀染顯色。

1. 2. 4 凝膠掃描、圖譜分析和質(zhì)譜鑒定 凝膠銀染后用掃描儀（Image scanner）掃描，分辨率為300 dpi，獲取凝膠圖像。用ImageMaster 2D Platinum 5.0（GE）對(duì)凝膠圖譜進(jìn)行分析。建立4組凝膠圖像分析組，組1為MC6空白對(duì)照（MC6-CK），組2為經(jīng)低溫處理的冷敏型苦瓜種質(zhì)材料MC6（MC6-CL），組3為MC108空白對(duì)照（MC108-CK），組4為經(jīng)過低溫處理的耐冷型苦瓜種質(zhì)材料MC108（MC108-CL），每處理3張重復(fù)雙向圖譜，分別進(jìn)行組內(nèi)和組間蛋白質(zhì)點(diǎn)表達(dá)豐度比較，獲得蛋白質(zhì)點(diǎn)差異表達(dá)變化信息。差異蛋白點(diǎn)的篩選標(biāo)準(zhǔn)為豐度變化差異量為150%的點(diǎn)。

選取本研究中高清晰度、重復(fù)性好、豐度變化在150%以上的24個(gè)蛋白差異點(diǎn)進(jìn)行MALDI-TOF-TOF串聯(lián)質(zhì)譜分析。將獲得完整的肽指紋圖譜測(cè)定結(jié)果通過NCBInr和SWISSPROT數(shù)據(jù)庫(kù)搜索比對(duì)；物種檢索選擇All，數(shù)據(jù)檢索方式選擇Combined；不完全裂解位點(diǎn)的最大允許值為1個(gè)；質(zhì)量誤差范圍為50 mg/L。

2 結(jié)果與分析

2. 1 供試材料苗期耐冷性表現(xiàn)

經(jīng)低溫處理后冷敏型苦瓜MC6幼苗功能葉片出現(xiàn)水漬斑并連成大片，部分功能葉片失水萎蔫，新生葉片皺縮；耐冷型苦瓜MC108新生葉片稍微卷曲、葉色正常，表明MC108具有良好的低溫耐受能力（圖1）。

2. 2 苦瓜葉片蛋白2-DE圖譜分析

利用ImageMaster 2D Platinum 5.0（GE）分析在低溫脅迫下冷敏型和耐冷型苦瓜材料幼苗葉片的雙向電泳圖譜，結(jié)果（圖2）表明，銀染后圖譜上差異蛋白點(diǎn)具有良好的重復(fù)性和匹配率，可用于后續(xù)分析。每個(gè)蛋白雙向電泳凝膠圖譜上均檢測(cè)到2100個(gè)左右的有效蛋白點(diǎn)。經(jīng)軟件統(tǒng)計(jì)分析表明，與對(duì)照組比較，冷敏型MC6品種圖譜存在43個(gè)顯著差異的蛋白點(diǎn)，其中12個(gè)蛋白點(diǎn)上調(diào)，30個(gè)蛋白點(diǎn)下調(diào)，1個(gè)消失蛋白點(diǎn)；耐冷型MC108苦瓜品種圖譜存在39個(gè)顯著差異的蛋白點(diǎn)，其中27個(gè)蛋白點(diǎn)上調(diào)，6個(gè)蛋白點(diǎn)下調(diào)，2個(gè)新增蛋白點(diǎn)，4個(gè)消失蛋白點(diǎn)。

2. 3 差異蛋白點(diǎn)質(zhì)譜分析和數(shù)據(jù)庫(kù)鑒定結(jié)果

對(duì)選出的MC6-CK～MC6-CL組及MC108-CK～

MC108-CL組中高清晰度、重復(fù)性好、豐度變化在150%以上的24個(gè)蛋白差異點(diǎn)（表1）進(jìn)行質(zhì)譜分析，并將獲得完整的肽指紋圖譜測(cè)定結(jié)果通過數(shù)據(jù)庫(kù)搜索比對(duì)，成功鑒定出19個(gè)蛋白質(zhì)（表2），包括5個(gè)未知蛋白和14個(gè)功能蛋白，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)檢索和相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)成功鑒定的19個(gè)蛋白質(zhì)進(jìn)行功能分析，結(jié)果顯示，這些相關(guān)蛋白參與細(xì)胞防御、自由基清除、光合作用、基礎(chǔ)代謝、蛋白降解等多個(gè)生理過程。

3 討論

3. 1 關(guān)于低溫脅迫苦瓜S-腺苷甲硫氨酸合成酶上調(diào)的應(yīng)激功能

S-腺苷甲硫氨酸合成酶（SAMS）是催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）合成的主要酶類，而SAM是多胺、乙烯和谷胱甘肽等生物合成的前體。近年來的研究表明，多胺（陳坤明和張承烈，2000；關(guān)軍鋒等，2003；楊建昌等，2004）、乙烯（Yang and Hoffman， 1984）和谷胱甘肽（Estcrbhauer and Grill，1978；Sehupp and Rennenbrry，1988；Salt and Rauser，1995）在植物受到干旱、化學(xué)、病蟲害等逆境脅迫下可提高植物抗逆性，推測(cè)SAMS在植物抗逆中發(fā)揮重要作用。Mathur等（1992）研究發(fā)現(xiàn)擬南芥、水稻中SAMS基因的表達(dá)在水分脅迫時(shí)表達(dá)量增加。余濤等（2004）發(fā)現(xiàn)SAMS基因的表達(dá)受氧化脅迫及高溫脅迫的誘導(dǎo)，并從煙草中克隆獲得SAMS基因。本研究結(jié)果顯示，冷敏型MC6苦瓜幼苗在低溫脅迫下SAMS基因無明顯變化，而耐冷型MC108苦瓜幼苗的SAMS基因受低溫脅迫誘導(dǎo)呈上調(diào)表達(dá)，有利于促進(jìn)大量合成多胺和谷胱甘肽以抵御低溫脅迫，從而減少外界逆境脅迫的傷害。

3. 2 關(guān)于低溫脅迫苦瓜GDP-甘露糖-3，5-表異構(gòu)酶上調(diào)的應(yīng)激功能

植物中外界環(huán)境脅迫會(huì)引起氧化猝發(fā)，造成活性氧過度積累，從而對(duì)植物造成一定傷害?；钚匝鯇?duì)植物的細(xì)胞毒性很強(qiáng)，如果沒有足夠的保護(hù)機(jī)制，它們可以與蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸反應(yīng)而滅活重要的防御系統(tǒng)，從而導(dǎo)致植物不可挽回的代謝功能障礙甚至死亡（Hossain et al.，2011）。L-抗壞血酸（L-ascorbic acid，AA）作為細(xì)胞內(nèi)的一種還原物質(zhì)，可通過逐級(jí)供給電子而轉(zhuǎn)變?yōu)榘朊撗蹩箟难岷兔摎淇箟难岬倪^程清除體內(nèi)超負(fù)氧離子、有機(jī)自由基和有機(jī)過氧基等，保護(hù)植物體免受活性氧的危害。而GDP-甘露糖-3，5-表異構(gòu)酶（GDP-mannose-3'，5'-epimerase，GME）是催化GDP-D-甘露糖合成AA的主要酶類。本研究以8 ℃處理苦瓜幼苗72 h，冷敏型MC6苦瓜幼苗的GME表達(dá)量變化不明顯，而耐冷型MC108苦瓜幼苗的GME表達(dá)量是對(duì)照的2.3倍，表達(dá)量明顯上調(diào)。與此相似的研究也有一些報(bào)道，杜盈等（2005）分別在15、10和5 ℃不同低溫條件對(duì)2個(gè)水稻的GME基因進(jìn)行低溫處理24 h，發(fā)現(xiàn)OsGME1基因表達(dá)量上升，而OsGME2基因沒有明顯變化；王江英等（2012）4 ℃處理棉花幼苗8 h后，發(fā)現(xiàn)GME表達(dá)量上調(diào)。

3. 3 關(guān)于低溫脅迫苦瓜26S蛋白酶體調(diào)節(jié)亞基11上調(diào)的應(yīng)激功能

26S蛋白酶體包括20S的核心結(jié)構(gòu)和兩端19S的調(diào)控結(jié)構(gòu)，后者又分為ATP和非ATP依賴的多亞基構(gòu)成。其依賴泛肽ATP降解目標(biāo)蛋白，是真核細(xì)胞選擇性降解蛋白質(zhì)的一種途徑，即泛肽途徑（Fu et al.，1999）。泛肽途徑對(duì)于清除異常蛋白質(zhì)維護(hù)細(xì)胞的穩(wěn)定性具有重要作用，成為植物應(yīng)對(duì)非生物脅迫的一種重要調(diào)控途徑（Lommel et al.，2000；Peng et al.，2001）。本研究發(fā)現(xiàn)，在低溫脅迫下有一個(gè)蛋白點(diǎn)被鑒定為26S蛋白酶體調(diào)節(jié)亞基11，可能是26S蛋白酶體的組成部分，在耐冷型MC108苦瓜葉片中表達(dá)量上調(diào)，推測(cè)可能是耐冷型苦瓜MC108對(duì)低溫脅迫的一種應(yīng)激響應(yīng)機(jī)制。

3. 4 關(guān)于低溫脅迫苦瓜鐵蛋白上調(diào)的應(yīng)激功能

鐵蛋白在低溫、干旱、病蟲害等脅迫條件下受環(huán)境信號(hào)的誘導(dǎo)而積累（Lobréaux and Briat，1991）。當(dāng)植物處于逆境脅迫條件下時(shí)，氧化脅迫即占主要地位，抗氧化作用的防御能力減弱，由鐵介導(dǎo)的自由基增強(qiáng)，導(dǎo)致代謝失調(diào)、脂肪過氧化、蛋白質(zhì)分解和DNA損傷（習(xí)陽(yáng)等，2003）。由于鐵蛋白是一種以穩(wěn)定的形式專門儲(chǔ)存鐵的蛋白質(zhì)，因此其對(duì)植物抵抗逆境脅迫有重要作用。本研究發(fā)現(xiàn)，在低溫脅迫下，冷敏型苦瓜MC6鐵蛋白表達(dá)量下調(diào)，而耐冷型苦瓜MC108鐵蛋白表達(dá)量上調(diào)，推測(cè)耐冷型苦瓜MC108鐵蛋白表達(dá)量增加與苦瓜耐冷性增強(qiáng)對(duì)低溫的適應(yīng)性反應(yīng)有關(guān)。

本研究初步在蛋白質(zhì)水平上揭示了苦瓜幼苗在低溫脅迫下的差異蛋白表達(dá)情況，所涉及的差異蛋白只是苦瓜蛋白質(zhì)組中的一小部分，更多的低溫脅迫響應(yīng)蛋白和基因表達(dá)機(jī)制有待深入研究。對(duì)已獲得的抗性相關(guān)蛋白，需要進(jìn)一步應(yīng)用RT-PCR和cDNA末端快速擴(kuò)增技術(shù)克隆相關(guān)基因并進(jìn)行Western blottling驗(yàn)證，以確定其功能。在獲得的差異蛋白點(diǎn)中，并不是所有蛋白點(diǎn)都能成功檢測(cè)，可能是由于差異蛋白為逆境過程的低豐度蛋白，且分離過程中可能會(huì)丟失蛋白；也有可能是受限于膠條pH范圍、凝膠濃度和規(guī)格及蛋白提取純度等原因。另外，在本研究中苦瓜葉片蛋白表達(dá)量因材料不同而發(fā)生了相應(yīng)變化，其原因可能是不同苦瓜材料對(duì)應(yīng)激響應(yīng)的機(jī)制與應(yīng)急應(yīng)答能力不同。

4 結(jié)論

應(yīng)用差異蛋白質(zhì)組學(xué)方法分析耐冷型和冷敏型苦瓜材料葉片低溫處理后的差異蛋白，從2-DE凝膠上均檢測(cè)到清晰且重復(fù)性好的蛋白質(zhì)點(diǎn)均超過2100個(gè)，共獲得表達(dá)量差異在150%以上的差異蛋白75個(gè)。選取其中24個(gè)差異表達(dá)蛋白進(jìn)行串聯(lián)質(zhì)譜鑒定，將差異蛋白點(diǎn)獲得完整的肽指紋圖譜測(cè)定結(jié)果通過MASCOT數(shù)據(jù)庫(kù)搜索比對(duì)，共成功鑒定出19個(gè)蛋白點(diǎn)，這些功能蛋白參與細(xì)胞防御、自由基清除、光合作用、基礎(chǔ)代謝、蛋白降解等多個(gè)生理過程。通過對(duì)低溫脅迫下苦瓜差異蛋白的研究可知，苦瓜抗冷性能可通過相關(guān)蛋白表達(dá)量的調(diào)控來實(shí)現(xiàn)。

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（責(zé)任編輯 麻小燕）