趙振利 童琳琳 鄧敏捷 董焱鵬 范國強(qiáng)
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)泡桐研究所,河南 鄭州 450002)
泡桐 (Paulowuiaspp.) 是我國重要的綠化樹種和速生用材,其適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快、材質(zhì)優(yōu)良,被各地廣泛應(yīng)用于樂器、家具、建筑和工藝品等方面。泡桐叢枝病 (PaWB) 是一種由植原體侵染泡桐而引起的傳染性病害,其發(fā)病率高,被感染的泡桐會(huì)出現(xiàn)腋芽叢生,葉片變小發(fā)黃,節(jié)間變短,花變?nèi)~等癥狀,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致整株死亡。這一病害嚴(yán)重影響了泡桐的生長(zhǎng)發(fā)育,阻礙了泡桐產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此,進(jìn)行泡桐叢枝病防治方面的研究變得尤為重要。蛋白質(zhì)在植物生長(zhǎng)發(fā)育,新陳代謝和抵抗病原體入侵等生命活動(dòng)中發(fā)揮重要作用[1]。植物的生命活動(dòng)過程離不開蛋白質(zhì),分析泡桐叢枝病發(fā)生過程中的蛋白質(zhì)表達(dá)變化,有助于進(jìn)一步揭示泡桐叢枝病發(fā)生機(jī)理。近年來,雖然研究人員對(duì)泡桐進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組、miRNA和蛋白質(zhì)組等方面的研究,也鑒定到了一些與泡桐叢枝病發(fā)生的相關(guān)基因、miRNA和蛋白質(zhì)[2-4],但是由于缺乏泡桐基因組分析背景,這些研究均是以denovo組裝轉(zhuǎn)錄組為基礎(chǔ)的,導(dǎo)致了研究結(jié)果不能系統(tǒng)反映泡桐叢枝病發(fā)生相關(guān)的調(diào)控物質(zhì)及其相互關(guān)系,且需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行后期的功能驗(yàn)證,而以基因組為背景的分析,不僅可以降低計(jì)算強(qiáng)度,而且可以提高基因注釋的準(zhǔn)確性。
課題組在前期研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了泡桐基因組測(cè)序研究,構(gòu)建了泡桐基因組的精細(xì)圖譜,而以完整泡桐基因組為背景的組學(xué)研究在揭示泡桐叢枝病發(fā)生分子機(jī)理方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。本研究以泡桐基因組為分析背景,使用iTRAQ技術(shù)研究泡桐樣品蛋白質(zhì)組的變化情況,通過比對(duì)分析鑒定出與泡桐叢枝病發(fā)生密切相關(guān)的蛋白質(zhì),并應(yīng)用生物信息學(xué)方法對(duì)這些蛋白質(zhì)進(jìn)行功能分析,分析其在泡桐叢枝病發(fā)生中的調(diào)控作用,從而為揭示泡桐叢枝病發(fā)生的分子機(jī)理提供參考。
實(shí)驗(yàn)材料取自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林木生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室組織培養(yǎng)30 d的毛泡桐 (Paulowniatomentosa) 健康苗 (PT) 和對(duì)應(yīng)的叢枝病苗 (PTI)。截取上述生長(zhǎng)良好且長(zhǎng)勢(shì)一致的叢枝病幼苗約1.5 cm長(zhǎng)的頂芽,接種在含0、20和60 mg/L MMS (PTI, PTI-20, PTI-60) 的1/2 MS培養(yǎng)基的三角瓶 (容量100 mL) 中,將1.5 cm PT的頂芽接種到不含MMS的相同培養(yǎng)基中作為對(duì)照。每個(gè)樣品培養(yǎng)30瓶,每個(gè)三角瓶中培養(yǎng)3個(gè)外植體,實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。所有外植體先在溫度為20 ℃暗室中培養(yǎng)5 d,然后再將外植體置于溫度為 (25 ± 2) ℃、光強(qiáng)為130 μmol/(m2·s)、光照時(shí)間為16 h/d的環(huán)境下培養(yǎng)25 d。培養(yǎng)完成后,分別剪取4個(gè)處理組幼苗的頂芽,快速用液氮冷凍后保存于-80 ℃冰箱內(nèi),用于蛋白質(zhì)的提取。
稱取PT、PTI、PTI-20和PTI-60四種樣品各1.0 g放入用液氮冷卻的研缽中,在液氮中迅速研磨,待研磨成粉末狀后加入適量蛋白裂解液溶解,然后再分別加入終濃度為1 mmol/L的PMSF和2 mmol/L的EDTA,根據(jù)Tang等[5]的方法提取蛋白質(zhì)。
為了用iTRAQ試劑標(biāo)記從HP,PIP,PIP-20和PIP-60樣品獲得的肽段,分別稱取這4種樣品提取的蛋白質(zhì)100 μg,使用Meng等[6]的方法將蛋白質(zhì)消化并用iTRAQ標(biāo)記。將標(biāo)記后的各組肽段混合,使用UltremexSCX分離柱對(duì)樣品進(jìn)行液相分離,得到的組分用StrataX除鹽柱除鹽,然后冷凍抽干,詳細(xì)方法參照文獻(xiàn) [7]。
使用LC-20AD型號(hào)的納升液相色譜儀 (Shimadzu, Kyoto, Japan) 和Triple TOF 5600 (AB SCIEX, Concord, ON) 對(duì)上述得到的組分進(jìn)行LC-MS/MS分析,具體過程參照文獻(xiàn) [8]。
使用Proteome Discoverer 1.2軟件 (Thermo Fisher Scientific, Bremen, Germany) 將獲取的原始數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為Mascot通用格式文件,使用Mascot 2.3.02軟件進(jìn)行蛋白質(zhì)的鑒定,所使用的數(shù)據(jù)庫為泡桐全基因組數(shù)據(jù)庫。用GO數(shù)據(jù)庫對(duì)鑒定出的蛋白質(zhì)進(jìn)行功能分析,并根據(jù)其生物學(xué)過程,分子功能和細(xì)胞組分對(duì)蛋白進(jìn)行分類。用COG及KEGG數(shù)據(jù)庫對(duì)這些蛋白的功能進(jìn)行進(jìn)一步分析。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的差異倍數(shù)≥1.2、且統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)其P< 0.05時(shí)確定為不同樣品間的差異蛋白質(zhì)。
為了驗(yàn)證由iTRAQ鑒定的差異蛋白,隨機(jī)挑選8個(gè)差異表達(dá)的蛋白質(zhì)進(jìn)行qRT-PCR驗(yàn)證。采用植物總RNA抽提試劑盒(北京愛普拜生物技術(shù)有限公司)提取PT、PTI、PTI-20和PTI-60的RNA樣品。qRT-PCR反應(yīng)用Taq SYBR?Green qPCR Premix試劑 (Yugong Biolabs),在美國Bio-Rad公司的CFX96TMReal-Time System熒光定量PCR檢測(cè)系統(tǒng)上完成。PCR反應(yīng)體系和擴(kuò)增程序參照文獻(xiàn) [9],每個(gè)樣品3次重復(fù)。內(nèi)參18S rRNA進(jìn)行校正,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用2-△△Ct法進(jìn)行。引物序列見表1。
為了解毛泡桐蛋白質(zhì)組的整體信息,對(duì)4個(gè)毛泡桐樣品 (PT, PTI, PTI-20和PTI-60) 中的總蛋白質(zhì)進(jìn)行了iTRAQ定量分析,其中一級(jí)質(zhì)譜和二級(jí)質(zhì)譜精確度都小于2 mg/kg,且數(shù)據(jù)庫搜索的肽段匹配誤差控制在0.05 Da以下,鑒定基本信息統(tǒng)計(jì)見圖1。在本次質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)中總共得到了182 895個(gè)譜圖,使過Mascot軟件進(jìn)行分析后,發(fā)現(xiàn)有10 044個(gè)譜圖被匹配到,其中7 564個(gè)是特有肽段的譜圖,鑒定到的蛋白質(zhì)共1 622個(gè),肽段3 814個(gè),特有肽段3 187個(gè)。
表1 qRT-PCR驗(yàn)證差異表達(dá)蛋白的轉(zhuǎn)錄本引物序列Table 1 Primers of qRT-PCR analysis of transcripts corresponding to differentially expressed proteins
圖1 蛋白質(zhì)鑒定基本信息統(tǒng)計(jì)Fig.1 The basic information of proteome identification
為了對(duì)毛泡桐蛋白質(zhì)的功能有進(jìn)一步的了解,將鑒定得到的1 622個(gè)蛋白質(zhì)進(jìn)行GO功能分類 (圖2)。從餅狀圖中可以看出,在生物學(xué)過程中,蛋白質(zhì)主要參與代謝過程和細(xì)胞過程,分別占29.24%和23.61%;在細(xì)胞組分中,蛋白質(zhì)主要集中在細(xì)胞和細(xì)胞組分,這兩部分均占總組分的23.14%;在分子功能中,蛋白質(zhì)功能主要體現(xiàn)在催化活性和結(jié)合方面,分別占45.72%和29.20%。通過對(duì)鑒定蛋白質(zhì)的COG分析發(fā)現(xiàn),注釋到的蛋白質(zhì)共分23類,其中蛋白質(zhì)數(shù)量最多的是一般功能類,有358個(gè)蛋白質(zhì),而細(xì)胞移動(dòng)類最少,僅有2個(gè)蛋白質(zhì) (圖3)。通過KEGG代謝通路分析發(fā)現(xiàn),有1 300個(gè)蛋白質(zhì)參與到122個(gè)pathway中。表2中為鑒定的蛋白質(zhì)注釋到的通路數(shù)目和比例最高的20條pathway信息,其中涉及光合生物碳固定的有61個(gè),占總量的4.36%;氧化磷酸化有44個(gè),占總注釋蛋白質(zhì)量的3.14%;光合作用的有38個(gè),占總注釋蛋白質(zhì)量的2.71%。
圖2 全部蛋白質(zhì)的GO分類Fig.2 GO classification of all protein
A. RNA合成和修飾; B. 染色質(zhì)結(jié)構(gòu); C. 能量生成和轉(zhuǎn)換; D. 細(xì)胞周期、細(xì)胞分裂、染色體分離; E. 氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝; F. 核酸轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝; G. 碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝; H. 輔酶轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝; I. 脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝; J. 翻譯、核糖體合成; K. 轉(zhuǎn)錄; L. 復(fù)制、重組和修飾; M. 細(xì)胞壁/質(zhì)膜/囊膜合成; N. 細(xì)胞運(yùn)動(dòng); O. 轉(zhuǎn)錄后修飾、蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)、分子伴侶; P. 無機(jī)離子轉(zhuǎn)運(yùn)代謝; Q. 次生代謝物合成、運(yùn)輸入代謝; R. 功能預(yù)測(cè); S. 功能求知; T. 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制; U. 胞內(nèi)運(yùn)輸、分泌及液泡轉(zhuǎn)運(yùn); V. 防御機(jī)制; Z. 細(xì)胞骨架。
圖3 泡桐蛋白質(zhì)序列的COG功能分類Fig.3 COG function classification of P.tomentosa proteins表2 毛泡桐總蛋白質(zhì)的KEGG分析 (Top 20)Table 2 The KEGG analysis of P.tomentosa total proteins (Top 20)
蛋白質(zhì)相對(duì)定量分析中當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的差異倍數(shù) ≥1.2且其P值小于0.05時(shí),認(rèn)為不同樣品間的蛋白質(zhì)存在顯著差異。研究結(jié)果表明有746個(gè)蛋白質(zhì)在PTI與PT, PTI-60與PTI-20, PTI-20與PTI和PTI-60與PT之間表達(dá)水平有顯著差異 (表3),其中有192個(gè)蛋白質(zhì)在PTI與PT之間有顯著差異,上調(diào)蛋白質(zhì)數(shù)量為110個(gè),下調(diào)蛋白質(zhì)數(shù)量為82個(gè);有171個(gè)蛋白質(zhì)在PTI-60與PTI-20之間有顯著差異,上調(diào)蛋白質(zhì)數(shù)量為85個(gè),下調(diào)蛋白質(zhì)數(shù)量為86個(gè);有223個(gè)蛋白質(zhì)在PTI-20與PTI之間差異顯著,其中上調(diào)蛋白質(zhì)數(shù)量為88個(gè),下調(diào)蛋白質(zhì)數(shù)量為135個(gè);有150個(gè)蛋白質(zhì)在PTI-60與PT之間差異顯著,其中上調(diào)蛋白質(zhì)數(shù)量為74個(gè),下調(diào)蛋白質(zhì)數(shù)量為76個(gè)。
表3 差異表達(dá)蛋白質(zhì)數(shù)量Table 3 The number of differentially abundant proteins
為了鑒別與泡桐叢枝病發(fā)生相關(guān)的差異蛋白質(zhì),使用以前研究的比較方案[10]進(jìn)行分析,其中PTI與PT比較組 (A) 中有264個(gè)差異蛋白質(zhì)與泡桐叢枝病和植物生長(zhǎng)發(fā)育差異等因素有關(guān),PTI-60與PTI-20比較組 (B) 中有208個(gè)差異蛋白質(zhì)與泡桐叢枝病,植物生長(zhǎng)發(fā)育或MMS處理的差異有關(guān)。研究確定了PTI-60與PT比較組 (C) 中的1 978個(gè)非差異蛋白質(zhì),與植物生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān),PTI-20與PTI比較組 (D) 中的1 865個(gè)非差異蛋白質(zhì)與泡桐叢枝病和植物生長(zhǎng)發(fā)育有關(guān)。最終共找到了35個(gè)可能與泡桐叢枝病相關(guān)的共同差異蛋白質(zhì) (圖4)。然后將35種差異蛋白質(zhì)的功能用GO和KEGG數(shù)據(jù)庫進(jìn)一步分析。將35個(gè)差異蛋白質(zhì)共分配到24個(gè)GO term (圖5),其中13個(gè)在生物過程中,包括代謝過程、細(xì)胞過程和響應(yīng)刺激等;7個(gè)在細(xì)胞組分中,包括細(xì)胞、細(xì)胞部分、細(xì)胞器和細(xì)胞器組分等;4個(gè)在分子功能中,包括催化和綁定等。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),與泡桐叢枝病相關(guān)的差異蛋白質(zhì)主要參與以下幾種代謝途徑相關(guān),即光合生物碳固定、氧化磷酸化、植物病原互作、光合作用、二羧酸代謝和磷酸戊糖途徑等生物學(xué)過程。
為了驗(yàn)證ITRAQ技術(shù)分析結(jié)果的可靠性,本研究中隨機(jī)選擇8個(gè)與泡桐叢枝病發(fā)生相關(guān)的蛋白質(zhì)進(jìn)行qRT-PCR分析 (圖6)。結(jié)果顯示8個(gè)差異蛋白質(zhì)中有5個(gè) (PAU007719.1、PAU007073.2、PAU018306.2、PAU030754.1和PAU030243.1) 轉(zhuǎn)錄水平與蛋白質(zhì)水平趨勢(shì)相一致,有3個(gè) (PAU007585.1、PAU022001.1和PAU005810.1) 轉(zhuǎn)錄水平與蛋白質(zhì)水平表達(dá)趨勢(shì)相反,這種差異可能是由于轉(zhuǎn)錄、翻譯后加工和修飾,或不同的mRNA和蛋白質(zhì)的降解速率等因素造成的。
A. PT與PTI比較共同的差異蛋白質(zhì); B. PTI-20與PTI-60比較共同的差異蛋白質(zhì); C. PT與PTI-60比較不差異蛋白質(zhì); D. PTI與PTI-20比較不差異蛋白質(zhì)。
A1. 細(xì)胞; A2. 細(xì)胞部分; A3. 胞膜; A4. 胞外區(qū); A5. 大分子復(fù)合體; A6. 細(xì)胞器; A7. 細(xì)胞器部分; B1. 結(jié)合; B2. 催化; B3. 結(jié)構(gòu)分子; B4. 轉(zhuǎn)運(yùn); C1. 解剖結(jié)構(gòu)形成; C2. 生物調(diào)節(jié); C3. 細(xì)胞組分生物合成; C4. 細(xì)胞組分組織; C5. 細(xì)胞過程; C6. 發(fā)育過程; C7. 胞內(nèi)定位的建立; C8. 生長(zhǎng); C9. 細(xì)胞內(nèi)定位; C10. 代謝過程; C11. 涉及多個(gè)有機(jī)體的過程; C12. 涉及多細(xì)胞有機(jī)體的過程; C13. 對(duì)刺激的反應(yīng)。
圖6 毛泡桐叢枝病相關(guān)蛋白對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)錄本qRT-PCR驗(yàn)證Fig.6 Quantitative RT-PCR analysis of transcripts corresponding to proteins related to P.tomentosa witches′ broom
泡桐叢枝病作為泡桐生產(chǎn)中最嚴(yán)重的病害之一,它不僅影響了泡桐的材質(zhì)和產(chǎn)量,也給農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)造成了特別大的經(jīng)濟(jì)損失,因此對(duì)泡桐叢枝病的防治變得尤為重要。由于植原體沒有細(xì)胞壁,難以進(jìn)行體外培養(yǎng),限制了對(duì)植原體與泡桐之間的互作以及泡桐叢枝病發(fā)生分子機(jī)理的研究。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用iTRAQ技術(shù),對(duì)鑒定到的1 622個(gè)蛋白質(zhì)進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)存在35個(gè)與泡桐叢枝病發(fā)生相關(guān)的差異蛋白質(zhì),通過GO功能分類,表明這些差異蛋白主要集中在細(xì)胞、結(jié)合、催化等24個(gè)分類功能區(qū);經(jīng)過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),這些差異蛋白參與催化活性、苯丙烷生物合成、光合生物碳固定、光合作用和氧化磷酸化代謝等代謝通路,且對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有很大影響。
由于植原體基因組缺乏許多代謝途徑,使得它們不可能合成核苷酸,并且它們?nèi)狈铣葾TP的關(guān)鍵基因,需要從宿主攝入ATP[11]。因此,在被植原體感染的植物中,宿主需要為植原體生長(zhǎng)提供能量,研究發(fā)現(xiàn)在被植原體感染的桑樹 (Morusalba) 中,宿主產(chǎn)生的能量明顯減少[12]。Oshima等[13]在研究洋蔥 (Alliumcepa) 時(shí)發(fā)現(xiàn),植原體強(qiáng)烈依賴于宿主的糖酵解途徑以獲得更多的能量;而在植原體感染的墨西哥酸橙樹中,TCA循環(huán)產(chǎn)生的能量顯著增加[14]。Cao等[4]在毛泡桐的研究中發(fā)現(xiàn)ATP合成酶、卡爾文循環(huán)和糖酵解途徑在泡桐能量代謝途徑中有著至關(guān)重要的作用。本實(shí)驗(yàn)在以白花泡桐基因組為背景的情況下研究發(fā)現(xiàn),被植原體感染的毛泡桐中存在有與能量代謝相關(guān)的關(guān)鍵蛋白質(zhì)質(zhì)膜ATP酶 (PM-ATPase),且發(fā)現(xiàn)該蛋白質(zhì)為植原體在泡桐中存活提供能量。PM-ATPase是氧化磷酸化過程中一種重要的酶,其主要功能是催化ATP水解,并釋放能量將細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的H+泵出膜外,在植物質(zhì)膜兩側(cè)形成跨膜質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力,促進(jìn)離子及分子的運(yùn)輸,與植物的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)[15-16]。本研究發(fā)現(xiàn),毛泡桐被植原體感染后,其PM-ATPase豐度明顯增加,由于PM-ATPase的蛋白質(zhì)的表達(dá)量升高,使受感染的泡桐在氧化磷酸化途徑中ATP表現(xiàn)出增加的趨勢(shì),從而滿足植物對(duì)能量的需求,這可能是由于植物在受到植原體感染后自身產(chǎn)生的一種適應(yīng)機(jī)制。
光合作用在植物的生長(zhǎng)發(fā)育中起著很大的作用,但是研究發(fā)現(xiàn)光合作用可能會(huì)受到植原體感染的影響[17-18]。而且許多植物在被植原體感染后,其光合作用和碳水化合物的積累被抑制[19-20]。本研究在以白花泡桐基因組為背景的情況下在毛泡桐發(fā)現(xiàn)了與植物光合作用有關(guān)的蛋白質(zhì)景天庚酮糖-1, 7-二磷酸酶 (SBPase) 和PsbR。SBPase是一種影響光合作用的關(guān)鍵酶,在碳固定途徑中起著重要作用[21]。Miyagawa等[22]和Tamoi等[23]研究表明將聚球藻和綠藻中的SBPase基因轉(zhuǎn)入煙草中后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因煙草光合固定CO2的效率和光合能力明顯提高。Harrison等[24]發(fā)現(xiàn)抑制該基因的表達(dá)會(huì)使轉(zhuǎn)基因植株的光合能力顯著降低,葉面積減小,生長(zhǎng)速度明顯降低。本研究從蛋白質(zhì)水平揭示SBPase在泡桐叢枝病患病植株中豐度減少,這可能造成泡桐叢枝病患病植株光合固定CO2的效率和光合能力降低,從而造成光合作用受阻,導(dǎo)致其葉片變黃,這與Miyagawa等[22]和Tamoi等[23]的研究結(jié)果一致。PsbR是真核生物光合系統(tǒng)Ⅱ (Photosystem Ⅱ, PS Ⅱ) 的重要組成部分,主要參與氧化反應(yīng)和PSII的電子傳遞[25-26]。Mou等[20]從轉(zhuǎn)錄組水平研究發(fā)現(xiàn)泡桐被植原體感染后,PsbP1和PsbR的基因表達(dá)下調(diào),該結(jié)果造成了電子傳遞受阻,引起光合作用降低。本研究從蛋白質(zhì)水平揭示PsbR在泡桐叢枝病患病植株中表達(dá)明顯下調(diào),并且引起了PsbP和PsbQ表達(dá)降低,造成了電子傳遞受阻,該結(jié)果說明植原體的感染影響了泡桐的光合作用。
通過對(duì)上述能量產(chǎn)生途徑的差異蛋白質(zhì)功能的分析比較,表明植原體感染可能導(dǎo)致泡桐光合作用下降,從而影響泡桐的生長(zhǎng)發(fā)育,這些研究將有助于對(duì)植原體與泡桐相互作用的分子機(jī)制的了解,為泡桐新品種育種和抗性育種奠定了基礎(chǔ),也為其他植物植原體病害的研究提供了借鑒。