水稻葉片低溫應(yīng)答蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)展

高田祥, 喻娟娟,2, 孫曉梅, 戴紹軍*

(1.上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 植物種質(zhì)資源開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200234;2.東北林業(yè)大學(xué) 鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心,哈爾濱 150040)

水稻葉片低溫應(yīng)答蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)展

高田祥1, 喻娟娟1,2, 孫曉梅1, 戴紹軍1*

(1.上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 植物種質(zhì)資源開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200234;2.東北林業(yè)大學(xué) 鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心,哈爾濱 150040)

近年來,人們利用高通量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)分析了水稻(OryzasativaL.)葉片低溫應(yīng)答過程中蛋白質(zhì)組的動(dòng)態(tài)變化特征,在水稻葉片中鑒定到了504種低溫響應(yīng)蛋白質(zhì).系統(tǒng)分析了這些蛋白質(zhì)的豐度變化模式,綜述了水稻葉片應(yīng)對不同程度低溫脅迫(5～15 ℃處理0～8 d)過程中參與光合作用、糖類與能量代謝、脅迫與防御、轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo),以及膜與轉(zhuǎn)運(yùn)等過程中的蛋白質(zhì)豐度變化特征,為全面理解水稻低溫應(yīng)答的分子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制提供了線索.

水稻; 葉片; 低溫脅迫; 蛋白質(zhì)組學(xué)

0 引 言

低溫是限制植物生產(chǎn)力和地理分布的主要非生物脅迫因素之一[1].低溫導(dǎo)致植物代謝水平降低,植株葉片卷曲枯萎,花粉不育,生物量下降,甚至死亡[2-3].水稻(OryzasativaL.)是全球重要的糧食作物,低溫脅迫會對其產(chǎn)量造成明顯影響,同時(shí)水稻也是重要的單子葉模式植物,研究其低溫應(yīng)答機(jī)制對于解析植物低溫響應(yīng)分子機(jī)理和糧食生產(chǎn)都具有重要意義[4].近年來,水稻蛋白質(zhì)組學(xué)研究從系統(tǒng)生物學(xué)水平層面為植物低溫應(yīng)答分子網(wǎng)絡(luò)機(jī)制提供了重要信息.目前,人們已經(jīng)在水稻葉片中鑒定到504種低溫應(yīng)答蛋白質(zhì).本文作者整合分析了水稻葉片在各種低溫處理(5～15 ℃,0～8 d)條件下的蛋白質(zhì)豐度模式(表1),為理解光合作用、糖類與能量代謝、脅迫與防御、轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo),以及膜與轉(zhuǎn)運(yùn)等代謝過程對于水稻葉片低溫應(yīng)答的作用提供幫助.

1 低溫抑制光合作用

低溫嚴(yán)重影響溫帶植物的光合作用,造成低溫光抑制[5].蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)多種參與光合作用的蛋白質(zhì)的豐度受到低溫的影響.在14 ℃處理48、72和96 h后,水稻葉片中葉綠素a/b結(jié)合蛋白(CAB)、光系統(tǒng)II(PSII)作用中心P680葉綠素a載脂蛋白(chlorophyll A apoprotein)、放氧復(fù)合體蛋白(OEC)和放氧增強(qiáng)子蛋白(OEE)的豐度均上升[6].CAB能與光合色素形成捕光復(fù)合體(LHC),LHC能夠捕獲光能并迅速將能量傳遞給PSII作用中心P680,引起光化學(xué)反應(yīng),維持類囊體膜結(jié)構(gòu),以及調(diào)節(jié)激發(fā)能量在PSII與光系統(tǒng)I(PSI)之間的分配[7].OEC是PSII的重要成員,能夠裂解水并釋放氧氣[8].OEE是OEC的組成成員,在OEC參與光能吸收過程中發(fā)揮重要作用.這些蛋白質(zhì)的豐度上升有助于水稻維持水光解放氧從而適應(yīng)低溫環(huán)境.

光合電子傳遞過程也受到低溫脅迫的影響.細(xì)胞色素b6f蛋白復(fù)合體(Cytb6f)是光合膜上參與光合作用原初反應(yīng)過程的主要膜蛋白超分子復(fù)合體之一,連接PSII到PSI的電子傳遞過程,氧化質(zhì)醌并產(chǎn)生跨膜質(zhì)子梯度,催化ATP合成.鐵氧還蛋白-NADP還原酶(FNR)能夠催化NADPH的合成,在光合電子傳遞過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用.在14 ℃處理48和96 h后,Cytb6f豐度上升,而FNR豐度下降[6],這表明在低溫促進(jìn)了水稻葉片水光解放氧作用后,光合電子傳遞鏈原初反應(yīng)被激活,但低溫抑制了酶的活性,使光合電子傳遞過程減慢.

參與碳同化過程的多種酶的表達(dá)豐度也受到低溫影響.核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO)具有羧化酶和加氧酶的雙重活性,它是光合作用中決定碳同化速率的關(guān)鍵酶,同時(shí)也參與植物的光呼吸途徑.RuBisCO活化酶(RCA)可以催化RuBisCO從無活性狀態(tài)變?yōu)橛谢钚誀顟B(tài).景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶(SBPase)在植物光合作用卡爾文循環(huán)過程中控制碳的流入和再生.在6 ℃處理6和24 h后,水稻葉片中RuBisCO、RCA和SBPase的豐度均下降[1,6],這表明低溫直接影響了水稻葉片碳同化的速率.

2 低溫誘導(dǎo)糖類與能量代謝的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

碳與能量代謝(糖酵解、三羧酸循環(huán)途徑等)為水稻低溫應(yīng)答提供了基本碳骨架和能量供應(yīng)[8].蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),低溫影響了水稻葉片糖酵解相關(guān)酶的豐度模式.在14 ℃處理48和72 h后,水稻葉片中的UDP-葡萄糖焦磷酸化酶(UDPase)、磷酸甘油酸激酶(PGK)、烯醇化酶(ENO)和果糖激酶(FK)的豐度上升[1,3,6].UDPase將1-磷酸葡萄糖與UTP分子合成為UDP-葡萄糖.PGK是糖酵解的關(guān)鍵酶,在PGK催化下,1,3-二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸,并形成ATP分子.ENO催化2-磷酸甘油酸形成高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸,是糖酵解中的關(guān)鍵酶之一.己糖激酶(HK)在調(diào)控基礎(chǔ)代謝中起主要作用,FK作為己糖激酶的一種,在植物基礎(chǔ)代謝中催化果糖的磷酸化,從而影響糖酵解的過程[3].此外,水稻葉片中三羧酸循環(huán)相關(guān)酶的豐度模式也受到低溫的影響.在14 ℃處理48和72 h后,二氫硫辛酰轉(zhuǎn)乙酰基酶(DLAT)和異檸檬酸脫氫酶(IDH)的豐度降低[6],而蘋果酸脫氫酶(MDH)的豐度上升[1,6].DLAT是丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的一部分,能夠催化丙酮酸脫羧反應(yīng)使丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA和CO2.IDH通過催化異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸,使6碳化合物變?yōu)?碳化合物,是三羧酸循環(huán)中的限速步驟.MDH催化L-蘋果酸脫氫變成草酰乙酸,再生的草酰乙酸可再次進(jìn)入三羧酸循環(huán)用于檸檬酸的合成.這些蛋白質(zhì)豐度變化表明,在低溫條件下,水稻通過調(diào)節(jié)體內(nèi)糖類與能量代謝途徑來保持基礎(chǔ)物質(zhì)與能量的供應(yīng).

3 低溫誘導(dǎo)水稻葉片脅迫防御機(jī)制

活性氧分子(ROS)包括超氧陰離子自由基(O2·-)、過氧化氫(H2O2)、單線態(tài)氧(1O2)及羥自由基(·OH),它們的過量積累會對植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)、DNA與脂質(zhì)等造成氧化損傷[9].植物體內(nèi)通過一系列抗氧化酶清除過量的ROS,維持ROS穩(wěn)態(tài).其中,超氧化物歧化酶(SOD)是機(jī)體內(nèi)天然存在的ROS清除因子,它可以催化O2·-轉(zhuǎn)化為H2O2和H2O,它構(gòu)成了植物細(xì)胞抵御ROS的第一道防線.蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),在14 ℃處理48和96 h后,水稻葉片中SOD的豐度上升.另外,抗壞血酸過氧化物酶(APX)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)在解除H2O2毒性過程中具有重要作用.APX可以利用抗壞血酸作為電子供體,將H2O2轉(zhuǎn)化為H2O.CAT不需要底物的參與,能夠直接催化H2O2分解為H2O與O2[10].而POD通過催化酚類化合物、木質(zhì)素前體及生長素等多種底物來還原H2O2[11].APX豐度在低溫處理?xiàng)l件下一直增強(qiáng).而CAT豐度僅在14 ℃處理48 h后增強(qiáng),這表明CAT僅在該處理?xiàng)l件下比較活躍.而POD豐度在14 ℃處理48和72 h時(shí)減弱,在5 ℃處理12、24和36 h,以及10 ℃處理24和72 h時(shí)增強(qiáng),這表明POD途徑在5和10 ℃時(shí)能夠積極響應(yīng)低溫脅迫.此外,谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)能催化還原型谷胱甘肽(GSH)變?yōu)檠趸凸入赘孰?GSSG),使有毒的過氧化物還原成無毒的羥基化合物,從而保護(hù)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu).谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶(GST)能以GSH為底物將H2O2轉(zhuǎn)化為H2O.谷胱甘肽還原酶(GR)能夠利用還原型NAD(P)H將GSSG催化成GSH.蛋白質(zhì)組學(xué)研究結(jié)果表明,低溫處理?xiàng)l件下,水稻葉片中GPX、GST和GR豐度上升,這將有利于增強(qiáng)GSH-GSSG循環(huán),應(yīng)答低溫脅迫.重要的是,植物體內(nèi)的H型硫氧還蛋白(Thx h)通過還原靶蛋白的二硫鍵參與氧化還原調(diào)節(jié).硫氧還蛋白過氧化物酶(TPx)是小分子抗氧化酶,對低溫脅迫反應(yīng)迅速,能夠通過減少H2O2或單態(tài)氧來抵御氧化脅迫[12].蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明,在低溫處理?xiàng)l件下,水稻葉片中Thx h和TPx豐度顯著上升,這對于維持體內(nèi)氧化平衡具有重要作用.

此外,其他脅迫應(yīng)答相關(guān)蛋白質(zhì)在應(yīng)對低溫脅迫時(shí)發(fā)揮作用.例如,鐵蛋白(Fer)可容納大量鐵,并以穩(wěn)定的形式儲存,在維持細(xì)胞內(nèi)鐵的代謝平衡、清除鐵介導(dǎo)的自由基反應(yīng)、保護(hù)細(xì)胞免受環(huán)境脅迫帶來的氧化損傷方面發(fā)揮重要作用[13].在10和15 ℃分別處理24 h后,水稻葉片中Fer的豐度均上升.晚期胚胎富集蛋白(LEA)可以通過多種方式來保護(hù)由于失水而造成的細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞,如作為水合作用的緩沖器、隔離離子、直接保護(hù)其他蛋白或膜結(jié)構(gòu)和復(fù)性蛋白等.類原纖蛋白(FBN)是一種糖蛋白,對于彈性纖維的合成必不可少.類滲調(diào)蛋白(OSM)被證實(shí)是一種逆境適應(yīng)蛋白,伴隨植物對各種脅迫的適應(yīng)而產(chǎn)生,并大量積累[14].在14 ℃處理24和96 h后,LEA、FNB和OSM豐度上調(diào)從而應(yīng)對低溫[6].

4 低溫影響轉(zhuǎn)錄、翻譯與翻譯后調(diào)控

轉(zhuǎn)錄調(diào)控是植物應(yīng)答逆境的重要策略之一.蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)水稻葉片中多種參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的蛋白質(zhì)豐度受到低溫影響.水稻葉綠體莖環(huán)結(jié)合蛋白(CSP)在24 h低溫處理后豐度上升,而在48和72 h處理后豐度下降[3].CSP能夠綁定和切割RNA,參與葉綠體核糖體RNA代謝.另外,組蛋白(His)與雙螺旋DNA結(jié)合成DNA-組蛋白復(fù)合物;三角狀五肽重復(fù)區(qū)蛋白(PPR)具有葉綠體或線粒體定位序列,參與葉綠體和線粒體RNA的加工[15];而富含甘氨酸RNA結(jié)合蛋白(GRP)與RNA結(jié)合,調(diào)節(jié)基因表達(dá),參與植物應(yīng)答多種逆境反應(yīng)的調(diào)節(jié),如鹽、干旱、水澇、外源脫落酸和水楊酸等[16].在低溫條件下,水稻葉片中His和PPR豐度下降,而14 ℃處理72和96 h后,水稻中GRP豐度上升[6],這表明水稻可通過基因轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控應(yīng)對低溫脅迫.

蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),低溫還導(dǎo)致水稻葉片中參與蛋白質(zhì)合成的蛋白質(zhì)豐度改變.低溫處理24 h后,水稻葉片中真核起始因子4A(eIF4A)、延伸因子2(EF-2)和延伸因子1-β(EF1-β)的豐度上升[1,3].eIF參與翻譯起始過程,EF在mRNA翻譯時(shí)催化氨基酸鏈延伸[17-18].此外,核糖體蛋白質(zhì)在蛋白質(zhì)的生物合成中起重要作用.14 ℃處理48、72和96 h后,水稻葉片中多數(shù)核糖體蛋白豐度上升[6].這表明,水稻葉片中某些參與應(yīng)對低溫脅迫的蛋白質(zhì)的合成受到促進(jìn).

蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)正確折疊與加工對水稻低溫應(yīng)答十分重要.低溫處理48 h的水稻葉片中的熱激蛋白(HSP)豐度上升,而處理96 h后HSP豐度下降[1,6].與之相反,14 ℃處理48 h水稻葉片中的肽基-脯氨?；樂串悩?gòu)酶(PPIase)豐度下降,而處理96 h后的PPIase豐度明顯增強(qiáng)[6].這兩種蛋白質(zhì)都參與脅迫應(yīng)答過程中蛋白質(zhì)的折疊[19-20],它們豐度的變化將有助于低溫應(yīng)答過程中蛋白質(zhì)正確折疊.

表1 水稻葉片低溫應(yīng)答蛋白質(zhì)組學(xué)研究的處理?xiàng)l件與鑒定結(jié)果

此外,水稻葉片蛋白質(zhì)降解過程也受到低溫的影響.蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),低溫處理?xiàng)l件下,水稻葉片中的半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶和類FtsH蛋白豐度均增強(qiáng).這些蛋白質(zhì)均參與葉片蛋白質(zhì)的水解過程.此外,在14 ℃處理48 h水稻葉片中蛋白酶體亞型α-1和枯草桿菌蛋白酶SBT1.7豐度降低[6].這表明,在低溫條件下水稻葉片蛋白質(zhì)降解存在多種調(diào)節(jié)模式.

5 低溫應(yīng)答信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)多種蛋白質(zhì)參與水稻葉片低溫脅迫應(yīng)答信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,主要包括:1)小G蛋白參與低溫應(yīng)答信號轉(zhuǎn)導(dǎo).6 ℃處理6和24 h后水稻葉片中的Ras蛋白(Ras)豐度上升[1].Ras作為小G蛋白家族成員之一,參與多種脅迫應(yīng)答的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程;2)5 ℃處理3 d后,水稻葉片中鈣網(wǎng)蛋白(CRT)豐度上升[4].CRT通過與微量鈣離子結(jié)合,在Ca信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起著關(guān)鍵的作用,從而調(diào)控逆境應(yīng)答過程中基因表達(dá)與代謝過程;3)蛋白質(zhì)激酶參與低溫信號傳遞過程.低溫處理?xiàng)l件下,水稻葉片中二磷酸核苷激酶(NDPK)大量積累[6,21-22].NDPK參與調(diào)控蛋白質(zhì)可逆磷酸化過程,也受到低溫脅迫的影響[23];4)14-3-3蛋白參與低溫信號轉(zhuǎn)導(dǎo).在低溫條件下,水稻葉片中14-3-3蛋白豐度降低[6].14-3-3蛋白可以調(diào)節(jié)多種蛋白質(zhì)的可逆磷酸化狀態(tài),從而調(diào)節(jié)這些蛋白質(zhì)參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和脅迫防御等過程來參與植物的逆境應(yīng)答.

6 低溫影響質(zhì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)

低溫造成植物質(zhì)膜流動(dòng)性降低,運(yùn)輸能力下降[24].在植物細(xì)胞內(nèi),V型H+-ATP酶(VHA)廣泛存在于細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng),能夠利用ATP水解產(chǎn)生的能量將H+轉(zhuǎn)移到細(xì)胞器內(nèi),形成跨膜的H+電化學(xué)勢梯度,從而促進(jìn)其他物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸交換.5 ℃處理48 h和14 ℃處理96 h的水稻葉片中VHA亞基B和VHA亞基D的豐度都下降[22],這將抑制水稻葉片細(xì)胞的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn).此外,14 ℃處理48 h的水稻葉片中ATP-binding cassette transponer(ABC)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白豐度下降[6].ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族是一組跨膜蛋白,具有ATP結(jié)合區(qū)域的單向底物轉(zhuǎn)運(yùn)泵,能夠以主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)方式完成多種分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)[25].此外,14 ℃處理76和96 h水稻葉片中的非特異性脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白(nsLTP)和溫度應(yīng)激誘導(dǎo)脂質(zhì)運(yùn)載蛋白(TSIL)的豐度均上升[6].nsLTP是植物體內(nèi)一類堿性的小分子量蛋白質(zhì),具有在生物膜間轉(zhuǎn)運(yùn)脂質(zhì)的活性.TSIL定位在細(xì)胞質(zhì)膜,受溫度應(yīng)激誘導(dǎo)[26].

7 結(jié)論與展望

低溫對于植物形態(tài)結(jié)構(gòu)和代謝活動(dòng)都有明顯的影響甚至傷害,研究水稻葉片對低溫脅迫的應(yīng)對與調(diào)控機(jī)制具有重要意義.蛋白質(zhì)組學(xué)研究揭示了水稻葉片低溫應(yīng)答的基本策略(圖1),主要包括:1)調(diào)整光合相關(guān)蛋白質(zhì)的豐度應(yīng)對光抑制;2)調(diào)整糖類與能量代謝保證體內(nèi)能量供應(yīng);3)調(diào)節(jié)抗氧化酶系統(tǒng)清除過量ROS;4)在轉(zhuǎn)錄、翻譯以及翻譯后修飾等水平上調(diào)控低溫應(yīng)答過程;5)NDPK和14-3-3調(diào)控目標(biāo)蛋白可逆磷酸化過程傳遞低溫信號;6)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白豐度來調(diào)控細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)吸收與轉(zhuǎn)運(yùn).這些蛋白質(zhì)組學(xué)研究結(jié)果為深入研究水稻低溫應(yīng)答的分子機(jī)理提供了重要證據(jù).今后,應(yīng)該進(jìn)一步開展磷酸化蛋白質(zhì)組、糖基化蛋白質(zhì)組,以及氧化還原蛋白質(zhì)組等翻譯后修飾組學(xué)研究,并結(jié)合分子遺傳學(xué)研究,為解析低溫應(yīng)答蛋白質(zhì)功能提供證據(jù).

圖1 水稻葉片低溫脅迫應(yīng)答蛋白質(zhì)參與的代謝途徑

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(責(zé)任編輯：顧浩然,馮珍珍)

Advanceoflowtemperature-responseproteomicsinriceleaves

Gao Tianxiang1, Yu Juanjuan1,2, Sun Xiaomei1, Dai Shaojun1*

(1 Development Center of Plant Germplasm Resources,College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2 Alkali Soil Natural Environmental Science Center,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)

In recent years,high-throughput proteomic investigations have provided important information for understanding low temperature response mechanisms in rice (OryzasativaL.) leaves.In this paper,the diverse patterns of 504 low temperature response proteins in rice leaves under various low temperature stress conditions (5～15 ℃for 0～8 d) were analyzed.This provides new clues for understanding the regulatory and metabolic pathways in rice leaves in response to low temperature,including photosynthesis,carbohydrate and energy metabolism,stress and defense,transcription and protein metabolism,signal transduction,membrane and transport.These also provide valuable information for breeding high quality varieties of rice.

rice; leaves; low temperature stress; proteomics

Q 945.78

A

1000-5137(2017)05-0707-06

2017-09-07

上海市科委地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目(14390502700);上海高校“東方學(xué)者”特聘教授項(xiàng)目(2011);上海植物種質(zhì)資源工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目(17DZ2252700)

高田祥(1991-),女,碩士研究生,主要從事植物生理與分子生物學(xué)方面的研究.E-mail:thalia1@163.com

導(dǎo)師簡介: 戴紹軍(1972-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事植物蛋白質(zhì)組學(xué)方面的研究.E-mail:daishaojun@hotmail.com

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