肖澤凡,朱崇文,戴林建,宋 浩,鐘 軍
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院 煙草系,湖南 長(zhǎng)沙 410128; 2.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410014)
鉀是植物重要的礦質(zhì)元素,參與眾多生理活動(dòng),如酶的活化、氣孔開(kāi)閉、膜電勢(shì)的維持以及滲透調(diào)節(jié)等[1]。鉀離子參與多種酶的活化,在植物生長(zhǎng)發(fā)育及蛋白質(zhì)合成中發(fā)揮重要功能[2]。煙草是典型的喜鉀作物,鉀也是煙草吸收最多的一種礦質(zhì)元素,對(duì)提高煙葉燃燒性、改善煙葉品質(zhì)、減少焦油產(chǎn)生均有重要作用[3]。因此,研究不同鉀濃度環(huán)境下煙葉蛋白質(zhì)的差異對(duì)煙草栽培調(diào)控意義較大。
蛋白質(zhì)組學(xué)是研究細(xì)胞、組織或生物體全套蛋白質(zhì)組成及其變化規(guī)律的學(xué)科,具體包括蛋白質(zhì)的表達(dá)水平、翻譯后修飾的種類等,從整體水平上研究蛋白質(zhì)的組成和調(diào)控規(guī)律[4]。張柳等[5]研究了煙草葉片衰老過(guò)程的蛋白質(zhì)差異,認(rèn)為與光合作用等合成代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)多下調(diào)表達(dá),與逆境反應(yīng)和呼吸作用等分解代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)多上調(diào)表達(dá)。徐瑩等[6]研究3個(gè)主栽煙草品種的差異蛋白質(zhì),鑒定出的蛋白質(zhì)大部分參與光合作用、物質(zhì)代謝或與抗逆性相關(guān)??梢?jiàn),蛋白質(zhì)組學(xué)分析能夠揭示煙葉蛋白質(zhì)的變化和相關(guān)功能,為豐富煙草基礎(chǔ)科學(xué)研究提供基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)非標(biāo)記定量(Label-free)技術(shù)是蛋白質(zhì)組學(xué)研究中常見(jiàn)的方法,它是一種不對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行任何標(biāo)記的定量方式,可對(duì)不同來(lái)源的同一樣本的定量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,數(shù)據(jù)移植性高,且對(duì)質(zhì)譜儀的分辨率、靈敏度和穩(wěn)定性等有著很高的要求[4]。黃宇等[7]基于Label-free方法對(duì)小麥抗病基因系和背景品種葉片蛋白質(zhì)進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)大部分差異蛋白質(zhì)具備結(jié)合和催化等功能,參與代謝、細(xì)胞過(guò)程和應(yīng)激反應(yīng)等生物進(jìn)程,為進(jìn)一步研究小麥條銹病抗性奠定了基礎(chǔ)。
目前,蛋白質(zhì)組學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用,煙草中也有不少相關(guān)研究,但在不同鉀濃度環(huán)境下應(yīng)用Label-free方法探索煙草差異蛋白質(zhì)的研究較少。鑒于此,在高鉀和正常鉀水平下對(duì)烤煙品系進(jìn)行水培培育,并利用Label-free技術(shù)鑒定高鉀與正常鉀濃度下苗期葉片差異蛋白質(zhì)的表達(dá)情況,探究不同鉀濃度下葉片差異蛋白質(zhì)的定位、功能以及參與的通路途徑,為進(jìn)一步了解高鉀環(huán)境中煙葉蛋白質(zhì)的變化以及烤煙栽培育種調(diào)控提供基礎(chǔ)。
供試烤煙材料為戴林建等[8]自育的烤煙高鉀品系HKDN-5,該品系農(nóng)藝性狀穩(wěn)定,株高、節(jié)距、莖圍等農(nóng)藝性狀和葉片中總氮、蛋白質(zhì)、煙堿、鉀等化學(xué)成分含量較普通烤煙優(yōu)勢(shì)明顯[9]。
主要試劑有Tris飽和酚、牛血清蛋白、Trypsin,均購(gòu)自Promega生物技術(shù)有限公司,其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?/p>
主要儀器:Q-Exactive質(zhì)譜儀,購(gòu)自美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司;Nano ACQUITY超高效液相色譜儀,購(gòu)自美國(guó)Waters Corporation公司。
取供試煙草種子播種于育苗盤中,采用漂浮方式培養(yǎng)。試驗(yàn)材料分為2組,第1組為高鉀營(yíng)養(yǎng)液(K+質(zhì)量濃度為720 mg/L)處理,在Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液中增加硝酸鉀含量來(lái)實(shí)現(xiàn)高鉀處理,同時(shí)以減少配方中硝酸銨的含量來(lái)保證氮適量;第2組為正常營(yíng)養(yǎng)液(K+質(zhì)量濃度為240 mg/L)處理(對(duì)照)。2組處理保持溫度、營(yíng)養(yǎng)、光照等各種其他因素一致。
待煙苗生長(zhǎng)到5~6片葉,2組均選取長(zhǎng)勢(shì)正常的4~5株植株,取其葉片制成混合樣,每組取3個(gè)重復(fù)樣,用鋁箔紙包好,編號(hào),裝入布袋,迅速投入液氮罐中保存?zhèn)溆?。采用苯酚法[10]提取煙葉蛋白質(zhì),同時(shí)采用Bradford法[11]測(cè)定蛋白質(zhì)濃度。
取100 μg葉片樣品至新試管中,加入8 mol/L尿素定容至100 μL。之后向試管中加入11 μL 1 mol/L DTT,于37 ℃下放置1 h,隨后將試管中的混合液體移至10 K超濾管中,14 000×g離心10 min,加入120 μL 55 mmol/L碘乙酰胺,在室溫下避光溫育20 min。取超濾管連續(xù)離心3次,每次離心在超濾管中加入100 mmol/L TEAB,離心后置換尿素體系,加入胰蛋白酶(Trypsin),蛋白質(zhì)與酶的質(zhì)量比為50∶1,酶解過(guò)夜后凍干。
將凍干的肽段重溶于30 μL 0.1%甲酸水溶液中,用nano-HPLC分離,進(jìn)行在線電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜分析。試驗(yàn)在Nano ACQUITY UPLC系統(tǒng)上進(jìn)行,分離的肽段進(jìn)入到Q-Exactive質(zhì)譜儀。Q-Exactive質(zhì)譜儀在數(shù)據(jù)依賴采集模式下運(yùn)行,自動(dòng)在MS和MS/MS采集間切換。在70 K質(zhì)量分辨率下獲得全掃描譜圖,隨后在17.5 K分辨率下進(jìn)行后續(xù)HCD MS/MS掃描。將10 μL肽段樣品以10 μL/min流量上樣到捕集柱(Thermo Scientific Acclaim PepMap C18,100 μm×2 cm),隨后在分析柱(Acclaim PepMap C18,75 μm×15 cm)中以線性梯度分離:120 min內(nèi)0.1%甲酸ACN溶液從3%均勻增加至32%。柱子在初始條件下平衡10 min,柱流量控制在300 nL/min,電噴霧電壓2 kV。
采用PEAKS Studio version 8.5(Bioinformatics Solutions Inc.,Waterloo,Canada)對(duì)串聯(lián)質(zhì)譜圖進(jìn)行分析。利用PEAKS DB對(duì)UniProt-Nicotiana數(shù)據(jù)庫(kù)(ver.201711,73606 entries)進(jìn)行搜索,設(shè)置trypsin酶解。搜庫(kù)參數(shù)為,碎片離子質(zhì)量容許誤差0.05 u,母離子質(zhì)量容許誤差0.001%,最大漏切數(shù)2,固定修飾Carbamidomethylation 57.02,可變修飾Oxidation (M) 15.99、Deamidation (NQ) 0.98、Acetylation (Protein N-term) 42.01。肽段經(jīng)過(guò)1% FDR和1 Unique peptide質(zhì)控過(guò)濾。篩選差異倍數(shù)1.5倍以上、含有至少2條unique肽段、ANOVA算法中Significance大于13(即P<0.05)的蛋白質(zhì)作為差異蛋白質(zhì)。并對(duì)其進(jìn)行GO(Gene ontology)分析,包括蛋白質(zhì)的分子功能、細(xì)胞中所處的位置以及參與的生物過(guò)程,通過(guò)COG & KOG注釋分析進(jìn)行蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)、分類,通過(guò)KEGG pathway分析富集到該通路(P<0.05)的蛋白質(zhì)參與的生物過(guò)程。
由圖1可見(jiàn),高鉀和正常鉀濃度下煙草葉片蛋白質(zhì)分布均勻,均無(wú)極高豐度的蛋白質(zhì),符合色譜質(zhì)譜檢測(cè)對(duì)蛋白質(zhì)豐度的要求,兩者也具有相似的蛋白質(zhì)條帶。
圖1 不同鉀濃度下煙草葉片蛋白質(zhì)SDS-PAGE電泳結(jié)果Fig.1 SDS-PAGE electrophorogram of tobacco leaf proteins at differential potassium concentrations
對(duì)差異倍數(shù)1.5以上,差異顯著度P<0.05的葉片差異表達(dá)蛋白質(zhì)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,與正常鉀濃度處理相比,高鉀濃度下差異表達(dá)蛋白質(zhì)總數(shù)為41個(gè),其中下調(diào)的蛋白質(zhì)有20個(gè),上調(diào)的蛋白質(zhì)有21個(gè)。大部分上調(diào)蛋白質(zhì)的差異倍數(shù)高于下調(diào)蛋白質(zhì),且集中在[2,4)差異倍數(shù)區(qū)間,占上調(diào)差異蛋白質(zhì)總數(shù)的57.1%。下調(diào)差異蛋白質(zhì)主要集中在[1.5,2)差異倍數(shù)區(qū)間,占下調(diào)差異蛋白質(zhì)總數(shù)的75.0%。差異蛋白質(zhì)總數(shù)主要集中在[1.5,4)差異倍數(shù)區(qū)間,合計(jì)38個(gè),占差異蛋白質(zhì)總數(shù)的92.7%。
表1 不同差異倍數(shù)的煙草葉片差異蛋白質(zhì)數(shù)量 個(gè)
注:a表示差異倍數(shù)。
Note:The letter a means difference multiplier.
2.3.1 差異蛋白質(zhì)的GO注釋 Gene ontology(GO) 是一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的基因本體功能分類體系工具,用來(lái)全面描述生物體中基因和蛋白質(zhì)的屬性。GO共分為三大類,分別為細(xì)胞組成、基因或蛋白質(zhì)的分子功能、參與的生物過(guò)程。由表2可見(jiàn),高鉀處理與正常鉀處理的煙草葉片差異蛋白質(zhì)全部定位在細(xì)胞組分和有膜細(xì)胞器中;77%的差異蛋白質(zhì)具有水解酶活性的分子功能,其他參與碳水化合物結(jié)合;70%的差異蛋白質(zhì)參與細(xì)胞代謝、單體代謝和單體細(xì)胞過(guò)程。
2.3.2 差異蛋白質(zhì)的KOG注釋 如圖2所示,高鉀處理與正常鉀處理的差異蛋白質(zhì)具有的功能不同,可分為12種,分別為能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換,氨基酸運(yùn)輸和代謝,碳水化合物運(yùn)輸和代謝,脂質(zhì)運(yùn)輸和代謝,翻譯、核糖體結(jié)構(gòu)和生物起源,復(fù)制、重組和修復(fù),翻譯后修飾、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換、伴侶蛋白,無(wú)機(jī)離子運(yùn)輸和代謝,次生代謝產(chǎn)物生物合成運(yùn)輸和分解代謝,一般功能,未知功能,細(xì)胞骨架等相關(guān)蛋白質(zhì),分別表示為C、E、G、I、J、L、O、P、Q、R、S、Z功能蛋白質(zhì)。其中,數(shù)量最多的為E、G類蛋白質(zhì),且G類蛋白質(zhì)上調(diào)數(shù)量最多,E、S類蛋白質(zhì)下調(diào)數(shù)量最多;I、O、Z類功能只有上調(diào)蛋白質(zhì),J、L、Q、R、S類功能只有下調(diào)蛋白質(zhì)。說(shuō)明高鉀濃度主要影響煙葉蛋白質(zhì)關(guān)于碳水化合物運(yùn)輸和代謝(G類)以及氨基酸運(yùn)輸和代謝(E類)方面的功能,且碳水化合物運(yùn)輸、代謝相關(guān)功能類蛋白質(zhì)在高鉀濃度下會(huì)出現(xiàn)上調(diào)表達(dá),這在促進(jìn)煙葉生長(zhǎng)發(fā)育方面發(fā)揮著重要作用。
表2 不同鉀濃度下煙草葉片差異蛋白質(zhì)的GO注釋結(jié)果Tab.2 GO annotation of differential proteins of tobacco leaf at differential potassium concentrations
C:能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換;E:氨基酸運(yùn)輸和代謝;G:碳水化合物運(yùn)輸和代謝;I:脂質(zhì)運(yùn)輸和代謝;J:翻譯、核糖體結(jié)構(gòu)和生物起源;L:復(fù)制、重組和修復(fù);O:翻譯后修飾、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換、伴侶蛋白;P:無(wú)機(jī)離子運(yùn)輸和代謝;Q:次生代謝產(chǎn)物生物合成運(yùn)輸和分解代謝;R:一般功能,S:未知功能;Z:細(xì)胞骨架等相關(guān)蛋白質(zhì)
在高鉀與正常鉀處理的煙葉差異表達(dá)蛋白質(zhì)中,有28個(gè)具有KOG號(hào)。對(duì)這些具有KOG號(hào)且差異倍數(shù)≥2的差異蛋白質(zhì)進(jìn)行列表(表3),能較為直觀地了解到差異倍數(shù)較大的差異蛋白質(zhì)的具體名稱、上下調(diào)變化情況及其具有的KOG功能等,進(jìn)一步了解其在煙葉生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中可能發(fā)揮的作用。由表3可知,在差異倍數(shù)≥2的差異蛋白質(zhì)中,有10個(gè)(7個(gè)上調(diào),3個(gè)下調(diào))參與到C、E、G、I、P和Q等代謝過(guò)程;3個(gè)(均上調(diào))參與到O和Z等細(xì)胞過(guò)程和環(huán)境信息處理過(guò)程;1個(gè)(下調(diào))參與到S過(guò)程。
2.3.3 差異蛋白質(zhì)的KEGG pathway分析 KEGG是一個(gè)整合了基因組、化學(xué)和系統(tǒng)功能信息的,用于查詢代謝通路、酶促通路的基因以及生物化學(xué)物質(zhì)的在線數(shù)據(jù)庫(kù),可確定蛋白質(zhì)參與的最主要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和生化代謝通路,基于pathway的分析更有助于了解基因或蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能[12]。根據(jù)差異蛋白質(zhì)的KEGG pathway分析得出,高鉀與正常鉀處理的煙葉差異蛋白質(zhì)共參與96條通路途徑。包含42個(gè)代謝通路、21個(gè)合成途徑通路和其他降解通路等。其中,包括脂肪酸降解途徑,丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸代謝途徑,α-亞麻酸代謝途徑,苯丙素合成途徑等通路。這些途徑基本均與物質(zhì)代謝途徑相關(guān),可見(jiàn),在高鉀環(huán)境中,苗期煙葉差異蛋白質(zhì)主要與物質(zhì)代謝相關(guān),為煙葉更好地生長(zhǎng)發(fā)育提供基礎(chǔ)。
表3 不同鉀濃度下煙草葉片差異蛋白質(zhì)鑒定
注:倍性變化為正數(shù),表示差異蛋白質(zhì)上調(diào)表達(dá),反之,為下調(diào)表達(dá)。
Note:Fold change is a positive number,which indicates the upward expression of differential protein,conversely,it is down expression.
本試驗(yàn)結(jié)果表明,與正常鉀處理相比,高鉀處理下煙草苗期葉片參與代謝相關(guān)的差異蛋白質(zhì)有β-半乳糖苷酶、銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、肌醇-3-磷酸合成酶、絲氨酸羧肽酶、乙醇脫氫酶和谷氨酸脫氫酶等,且大部分都表現(xiàn)為上調(diào)表達(dá)。
β-半乳糖苷酶又名乳糖酶,廣泛存在于動(dòng)物、植物以及微生物中,能夠水解乳糖,且具有半乳糖苷轉(zhuǎn)移功能[13],該酶具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)糖基活性,能夠高效轉(zhuǎn)化乳糖生產(chǎn)低聚半乳糖[14]。研究發(fā)現(xiàn),該酶具有2個(gè)功能團(tuán),分別是可作為親和試劑攻擊糖基第一個(gè)碳原子上的親和中心的咪唑基和可使半乳糖苷殘基上的氧原子質(zhì)子化的硫氫基。β-半乳糖苷酶水解乳糖的產(chǎn)物為煙葉的生長(zhǎng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[15]是一種定位于細(xì)胞膜的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,除了轉(zhuǎn)運(yùn)銅離子外,也可以轉(zhuǎn)運(yùn)其他金屬離子。轉(zhuǎn)運(yùn)體相關(guān)的蛋白質(zhì)發(fā)生適量上調(diào)表達(dá),更有利于機(jī)體在高鉀環(huán)境中的生長(zhǎng)發(fā)育。在高鉀營(yíng)養(yǎng)下,代謝途徑增強(qiáng),使糖基類物質(zhì)累積,而其水解酶活性的加強(qiáng)便是維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的應(yīng)對(duì)之策。 肌醇-3-磷酸合成酶是一個(gè)高度保守的酶,是植酸合成中催化形成肌醇環(huán)的重要酶,該酶主要將葡萄糖6-磷酸轉(zhuǎn)化成肌醇-磷酸[16]。研究表明,由肌醇誘導(dǎo)合成的肌醇-3-磷酸可以在葉綠體中起滲透壓的作用[17]。絲氨酸羧肽酶是一類屬于α/β水解酶家族的蛋白酶,在許多生化途徑中起作用,該酶基因是植物的一種抗逆基因,在植物生長(zhǎng)發(fā)育及抵抗逆境方面發(fā)揮重要作用[18]。乙醇脫氫酶是乙醇發(fā)酵的主導(dǎo)酶,能夠催化乙醛和乙醇間的氧化還原反應(yīng),在植物無(wú)氧呼吸過(guò)程中發(fā)揮功能[19],是植物非正常呼吸鏈的重要水解酶,很多研究表明,該酶與植物抗逆生理也密切相關(guān)[20]。谷氨酸脫氫酶是生物界廣泛存在的多聚酶之一,能夠催化谷氨酸合成,維持植物體內(nèi)氮循環(huán)穩(wěn)定,對(duì)植物體的抗逆境能力起著重要作用[21]。但在高鉀濃度下,植株的鉀營(yíng)養(yǎng)豐富且其他條件也較為適宜,致使抗逆類酶發(fā)生下調(diào)表達(dá)。
煙草苗期葉片中β-微管蛋白和14-3-3蛋白在高鉀濃度下發(fā)生上調(diào)表達(dá)。β-微管蛋白對(duì)植物體生長(zhǎng)進(jìn)程起著關(guān)鍵性作用,具體表現(xiàn)為參與細(xì)胞骨架形成過(guò)程,且在高鉀環(huán)境中作用更明顯。微管是真核生物細(xì)胞骨架的重要組成部分,微管骨架在細(xì)胞分裂、細(xì)胞極性生長(zhǎng)和細(xì)胞分化等過(guò)程中起著極其重要的作用[22]。β-微管蛋白普遍存在于真核細(xì)胞中,不僅在維持細(xì)胞形態(tài)、保持細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序性中起重要作用,而且與細(xì)胞器的組成與運(yùn)輸、信號(hào)物質(zhì)的傳導(dǎo)、細(xì)胞的分化發(fā)育以及細(xì)胞分裂增殖等方面發(fā)揮重要作用,是細(xì)胞不可缺少的重要組成[23]。14-3-3蛋白是一類廣泛存在于真核生物且高度保守的可溶性酸性蛋白質(zhì),參與調(diào)控信號(hào)傳遞、細(xì)胞循環(huán)、代謝、跨膜運(yùn)輸以及逆境響應(yīng)等多種細(xì)胞過(guò)程[24];而且該蛋白質(zhì)還能改變酶活性、調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)、影響離子通道活性、介導(dǎo)植物激素信號(hào)、光信號(hào)以及影響生物和非生物逆境脅迫等[25]。高鉀營(yíng)養(yǎng)條件下,各類代謝途徑或運(yùn)輸途徑均強(qiáng)化,故該蛋白質(zhì)表達(dá)也發(fā)生上調(diào)。
病機(jī)相關(guān)蛋白是高鉀處理與正常鉀處理煙草葉片中差異倍數(shù)在2倍以上的蛋白質(zhì),且發(fā)生下調(diào)表達(dá),可能是因?yàn)樵诟哜洯h(huán)境中并不需要此類蛋白質(zhì)發(fā)揮作用。
此外,高鉀濃度下的差異蛋白質(zhì)在遺傳信息處理相關(guān)過(guò)程中差異并不明顯,可能是在本試驗(yàn)所設(shè)定鉀濃度下該方面的蛋白質(zhì)作用變化并不顯著。鉀在植物體內(nèi)有2種跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制,分別是鉀離子通道和鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)體[26]。而在本試驗(yàn)鑒定的蛋白質(zhì)中,并未發(fā)現(xiàn)與已報(bào)道的鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體[27]或離子通道直接相關(guān)的蛋白質(zhì),推測(cè)可能的原因有煙葉苗期此類蛋白質(zhì)的差異并不明顯、此類蛋白質(zhì)主要作用在根系中,也可能與高鉀濃度或烤煙高鉀品系的特殊性相關(guān)。具體的原因有待進(jìn)一步研究。
綜上,高鉀環(huán)境中烤煙苗期葉片差異蛋白質(zhì)主要定位在細(xì)胞組分和有膜細(xì)胞器中,具有水解酶活性、碳水化合物結(jié)合等分子功能,參與細(xì)胞代謝過(guò)程、單體代謝過(guò)程和單體細(xì)胞過(guò)程等生物過(guò)程。大部分差異蛋白質(zhì)為碳水化合物運(yùn)輸和代謝相關(guān)功能的蛋白質(zhì),且主要參與物質(zhì)代謝等相關(guān)途徑,這些差異蛋白質(zhì)在高鉀環(huán)境中對(duì)促進(jìn)煙葉生長(zhǎng)發(fā)育發(fā)揮著關(guān)鍵作用。