植物葉綠體鹽逆境應(yīng)答蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)展

暴雪松 李瑩 喻娟娟

摘要 葉綠體是光合作用的主要細(xì)胞器。人們利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)分析了小麥、水稻、玉米、芥菜、莧菜、秋茄樹和刺槐等植物葉綠體鹽逆境應(yīng)答過程中蛋白質(zhì)豐度模式特征。本文綜述了植物葉綠體鹽逆境應(yīng)答的蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)展，以期為深入認(rèn)識葉綠體鹽響應(yīng)機(jī)制提供參考。

關(guān)鍵詞 植物；葉綠體；鹽逆境應(yīng)答機(jī)制；蛋白質(zhì)組學(xué)

中圖分類號 Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）12-0172-02

Abstract Chloroplasts are the important organelles of photosynthesis.The protein abundance pattern of chloroplast salt stress response in Triticum aestivum，Oryza sativa，Zea mays，Brassica juncea，Amaranthus tricolor，Kandelia candel，Robinia pseudoacacia and other plants was analyzed by high-throughput proteomic technology. In this paper，the progress of salt-responsive proteomics in plant chloroplasts were reviewed，which provided new clues for understanding the salt-responsive mechanism in plant chloroplasts.

Key words plant；chloroplast；salt-responsive mechanism；proteomic

土壤鹽漬化是全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因子之一。鹽脅迫會對植物造成離子脅迫、滲透脅迫和氧化脅迫，嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育。在適應(yīng)鹽脅迫過程中，植物逐漸進(jìn)化出離子選擇性吸收/外排、離子區(qū)室化、積累滲透保護(hù)物質(zhì)，以及利用抗氧化系統(tǒng)清除活性氧（ROS）等一系列代謝機(jī)制和調(diào)控體系[1]。葉綠體是植物光合作用的主要場所，也是氨基酸、維生素、類異戊二烯和脂類物質(zhì)合成以及亞硝酸鹽和硫酸鹽還原的場所。同時，葉綠體是植物細(xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生的主要場所，對鹽脅迫十分敏感，研究植物葉綠體響應(yīng)鹽脅迫的分子機(jī)制具有重要意義。

近年來，植物葉綠體鹽逆境應(yīng)答蛋白質(zhì)組學(xué)研究為系統(tǒng)認(rèn)識葉綠體鹽脅迫應(yīng)答機(jī)制提供了重要信息。截至目前，相關(guān)研究人員已經(jīng)分析了小麥（Triticum aestivum）[2]、水稻（Oryza sativa）[3]、玉米（Zea mays）[4]、芥菜（Brassica juncea）[5]、莧菜（Amaranthus tricolor）[6]、秋茄樹（Kandelia candel）[7-8]和刺槐（Robinia pseudoacacia）[9]等植物葉綠體響應(yīng)鹽脅迫的差異蛋白質(zhì)表達(dá)譜，共鑒定了260種葉綠體鹽脅迫應(yīng)答蛋白質(zhì)（表1）。本文通過整合分析總結(jié)上述植物在應(yīng)對各種處理強(qiáng)度（0～600 mmol/L NaCl，0～10 d）鹽脅迫葉綠體蛋白質(zhì)表達(dá)豐度模式，系統(tǒng)總結(jié)了植物葉綠體參與光合作用、ROS清除、蛋白合成與命運(yùn)以及基礎(chǔ)代謝等過程的蛋白質(zhì)豐度變化特征，以期為理解葉綠體應(yīng)答鹽脅迫的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控分子機(jī)制提供線索。

1 鹽脅迫影響光合作用

鹽脅迫會造成植物體內(nèi)失水，導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度降低，破壞滲透平衡、離子平衡與營養(yǎng)平衡，影響葉綠體中光合電子傳遞和碳同化相關(guān)酶的活性，從而影響光合作用[10]。蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，大量光合作用相關(guān)蛋白質(zhì)的豐度受到了鹽脅迫的影響[2-8]。光合電子傳遞鏈相關(guān)蛋白質(zhì)受到影響，如捕光復(fù)合體、葉綠素a、葉綠素b結(jié)合蛋白、光系統(tǒng)ⅠP700、光系統(tǒng)Ⅰ反應(yīng)中心蛋白、細(xì)胞色素b6f復(fù)合體、光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心蛋白、放氧復(fù)合體、鐵氧還蛋白NADP（H）還原酶以及ATP合酶等，這些蛋白質(zhì)的豐度變化可改變電子傳遞效率和跨膜電化學(xué)質(zhì)子梯度，進(jìn)而影響還原當(dāng)量NADPH和ATP的合成。同時，碳同化相關(guān)蛋白質(zhì)發(fā)生變化，如RuBisCO、RuBisCO活化酶、磷酸甘油酸激酶、核酮糖激酶以及景天庚酮糖-1，7-二磷酸酶等，這些蛋白質(zhì)的豐度變化將直接影響植物葉片碳同化的速率。此外，蛋白質(zhì)組學(xué)研究還發(fā)現(xiàn)，耐鹽植物（如秋茄樹[7-8]）中多數(shù)光合作用相關(guān)蛋白質(zhì)在鹽脅迫時豐度上升；甜土植物（如水稻[3]）中多數(shù)光合作用相關(guān)蛋白質(zhì)則大多在鹽脅迫條件下豐度下降。由此表明，與甜土植物相比，鹽生植物能夠通過增強(qiáng)光能捕獲與光能向化學(xué)能轉(zhuǎn)化，加快光合電子傳遞速率，提高CO2利用率和同化效率，以更好地適應(yīng)鹽脅迫的影響。

2 鹽脅迫誘導(dǎo)葉綠體脅迫防御機(jī)制

鹽脅迫引起葉綠體內(nèi)光合電子傳遞鏈的過度還原、光呼吸以及各種脫毒反應(yīng)，導(dǎo)致活性氧（ROS）的大量積累。ROS過量積累會破壞植物細(xì)胞內(nèi)的氧化還原平衡，對細(xì)胞組分（蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)）和結(jié)構(gòu)造成氧化損傷。因此，為了在鹽脅迫條件下維持體內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)，植物葉綠體逐步進(jìn)化出利用酶與非酶系統(tǒng)清除ROS功能。

蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了多種參與ROS清除過程的蛋白質(zhì)在脅迫過程中豐度發(fā)生變化。超氧化物歧化酶（SOD）催化超氧陰離子歧化反應(yīng)，生成H2O2和H2O，是抵御ROS傷害的第一道防線，500 mmol/L NaCl處理6 d的秋茄葉綠體中SOD豐度增加[8]?？箟难徇^氧化物酶（APX）利用抗壞血酸（AsA）作為電子供體，將H2O2還原為H2O，研究發(fā)現(xiàn)鹽處理的秋茄樹和芥菜葉綠體APX豐度增加。過氧化物氧還蛋白（Prx）可以通過巰基催化機(jī)制還原H2O2，并通過巰基氧還蛋白（Trx）催化再生反應(yīng)，在150 mmol/L NaCl處理1 d的水稻葉綠體中Prx-Q豐度上升[3]；250 mmol/L NaCl處理7 d的四倍體刺槐葉綠體中Trx也上升[9]。這些結(jié)果意味著SOD、APX、Prx-Q和Trx在清除ROS毒性過程中具有重要作用。

此外，蛋白質(zhì)組學(xué)研究還發(fā)現(xiàn)了其他一些重要的防御相關(guān)蛋白質(zhì)在應(yīng)對鹽脅迫時發(fā)揮作用。鐵蛋白（Fer）可容納大量鐵，在維持細(xì)胞內(nèi)鐵代謝平衡、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；植物凝集素既可以參與植物防御反應(yīng)，也可以作為含氮和硫的植物貯藏蛋白。四倍體刺槐葉綠體中Fer和凝集素的豐度在250 mmol/L NaCl處理時上升，而在500 mmol/L NaCl處理時下降[9]。這意味著Fer和凝集素可能在響應(yīng)低濃度鹽脅迫時發(fā)揮了重要作用。生長素抑制蛋白（ARP）在植物生長發(fā)育與抗病信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮著重要作用。在150 mmol/L NaCl脅迫的小麥葉綠體中，ARP豐度增加[2]。

3 鹽脅迫影響蛋白質(zhì)命運(yùn)

蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，葉綠體中參與蛋白合成、加工與降解的蛋白質(zhì)豐度發(fā)生變化。多種核糖核蛋白豐度下降[3]，參與蛋白質(zhì)合成的葉綠體延伸因子Tu在秋茄響應(yīng)500 mmol/L NaCl處理3 d時豐度下降，但是在處理6 d時豐度上升[7]；多種核糖體蛋白（P1a、S2、S18、L10a和L34）在150 mmol/L NaCl處理1 d的水稻葉綠體中豐度下降。此外，參與蛋白質(zhì)折疊的分子伴侶60和ClpC在秋茄響應(yīng)500 mmol/L NaCl處理3 d時豐度上升[7]。二倍體刺槐葉綠體中參與蛋白質(zhì)降解的26S蛋白酶體亞基相關(guān)蛋白在響應(yīng)鹽脅迫時豐度上升。上述研究結(jié)果表明，鹽脅迫影響了植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成、加工及降解過程。

4 鹽脅迫對代謝途徑相關(guān)蛋白的影響

甲硫氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶（MAT）催化甲硫氨酸與ATP形成重要的甲基供體S-腺苷甲硫氨酸，可通過使DNA甲基化影響基因的表達(dá)，也參與細(xì)胞增殖和次生代謝等。NaCl處理的二倍體刺槐葉綠體中MAT豐度下降[9]。

植物萜類物質(zhì)生物合成來源于共同的五碳前體異戊烯基焦磷酸（IPP）及其異構(gòu)物二甲基丙基焦磷酸（DMAPP），異戊烯基焦磷酸異構(gòu)酶（IPI）催化IPP和DMAPP之間同分異構(gòu)轉(zhuǎn)化。因此，IPI的蛋白水平直接影響五碳前體庫的代謝流向，從而影響萜類化合物的合成。而萜類化合物在植物體內(nèi)具有重要的功能，如赤霉素、脫落酸和昆蟲保幼素是重要的激素，類胡蘿卜素和葉綠素是重要的光合色素，質(zhì)體醌和泛醌為光合鏈和呼吸鏈中重要的電子遞體，甾醇是生物膜的組成成分。鹽脅迫小麥葉綠體中IPI蛋白豐度減小，表明鹽脅迫對萜類物質(zhì)的生物合成可能造成影響[2]。

5 結(jié)論與展望

植物葉綠體是感知鹽脅迫信號的敏感器官。蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在鹽逆境應(yīng)答過程中，葉綠體中參與光能吸收、電子傳遞、能量合成、蛋白質(zhì)翻譯與命運(yùn)、ROS清除以及其他代謝的蛋白質(zhì)豐度模式發(fā)生改變，為深入認(rèn)識葉綠體鹽脅迫應(yīng)答機(jī)制提供了重要的信息[10]。進(jìn)一步利用分子遺傳學(xué)和生物信息學(xué)等手段證實(shí)和整合分析這些蛋白質(zhì)的功能，對于構(gòu)建植物葉綠體鹽逆境應(yīng)答信號與代謝網(wǎng)絡(luò)具有十分重要的意義。

6 致謝

感謝戴紹軍教授對本文提出的修改建議。

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