基于定量蛋白質(zhì)組學(xué)解析西瓜 嫁接苗耐冷性的分子機(jī)制

施先鋒 王希波 程菲 曹海順 梁歡 魯軍陽 孔秋生 別之龍

目的與意義： 西瓜是一種重要的喜溫經(jīng)濟(jì)作物。低溫是西瓜生產(chǎn)的主要環(huán)境限制因素之一。砧木嫁接是提高西瓜耐冷性的有效途徑。然而，其分子機(jī)制知之甚少。本研究通過植株表型、光合作用及膜損傷程度等指標(biāo)證實(shí)南瓜砧木嫁接提高了西瓜耐冷性，采用基于iTRAQ技術(shù)的蛋白質(zhì)組學(xué)方法鑒定了低溫處理2 d后西瓜嫁接苗的蛋白質(zhì)，分析了參與相關(guān)代謝途徑的差異豐度蛋白，為從蛋白水平上揭示嫁接提高西瓜耐冷性的分子機(jī)制提供新的線索。

材料與方法： 選用西瓜自交系‘97103（低溫敏感型）和南瓜品種‘青研砧1號（耐冷性強(qiáng)）為試材進(jìn)行嫁接，待西瓜自嫁苗（SG）和南瓜砧木嫁接苗（RG）4片真葉時進(jìn)行低溫處理（10 °C/5 °C;12 h/12 h），以正常溫度（28 °C/18 °C;12 h/12 h）為對照。低溫處理48 h后分別用電導(dǎo)儀和LI-6400型便攜式光合作用測量系統(tǒng)測定幼苗葉片的相對電導(dǎo)率和凈光合速率。同時，取樣用于蛋白質(zhì)提取，按iTRAQ試驗流程操作鑒定低溫響應(yīng)蛋白質(zhì)，并結(jié)合生物學(xué)（COG、GO及KEGG）對差異蛋白質(zhì)進(jìn)行分類。選取8個差異蛋白對應(yīng)的基因進(jìn)行了實(shí)時熒光定量PCR分析。

結(jié)果與分析： （1）與RG比較，低溫處理48 h后SG的葉片呈現(xiàn)更嚴(yán)重的萎蔫。REL和Pn結(jié)果也表明南瓜砧木嫁接顯著減輕了西瓜的低溫傷害。（2）獲得的iTRAQ數(shù)據(jù)與西瓜組學(xué)數(shù)據(jù)比對，共鑒定到4 796個低溫響應(yīng)蛋白質(zhì)，通過肽數(shù)量、不同分子量蛋白質(zhì)的分布及鑒定肽段的蛋白質(zhì)序列覆蓋率等分析，表明iTRAQ數(shù)據(jù)可信度高。（3）與常溫嫁接苗比較，低溫脅迫后SG和RG中共鑒定752個差異豐度蛋白。通過COG數(shù)據(jù)庫比對，752個差異蛋白中557個被分為22類;GO分析結(jié)果表明，催化活性和結(jié)合是主要的分子功能;代謝過程和細(xì)胞過程是主要的生物過程;細(xì)胞器、細(xì)胞及細(xì)胞部分是主要的細(xì)胞成分。KEGG顯著富集結(jié)果表明，在SG中包括α-亞麻酸代謝、氧化磷酸化、嘌呤代謝及碳代謝等。而在RG中包括核糖體、剪接體、光合作用天線蛋白、mRNA監(jiān)督、MAPK信號途徑及谷胱甘肽代謝等通路顯著富集。綜合COG、GO 及KEGG結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)，分析了參與光合作用（13個）、碳代謝和能量代謝（19個）、脅迫防御（15個）、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控（15個）、蛋白質(zhì)動態(tài)平衡（55個）、精氨酸合成（6個）及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（11個）等代謝途徑的差異蛋白質(zhì)。

結(jié)? ? 論： 基于蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)果，南瓜砧木嫁接苗的耐冷性可能與光合作用、碳代謝和氧化磷酸化等過程產(chǎn)生的能量有關(guān)。南瓜砧木嫁接苗可以通過提高ROS的清除能力和精氨酸的生物合成來應(yīng)對低溫脅迫。此外，轉(zhuǎn)錄后調(diào)控和蛋白質(zhì)動態(tài)平衡在西瓜嫁接苗應(yīng)對低溫脅迫起重要作用。值得注意的是蛋白激酶可能是南瓜砧木嫁接苗中作為正調(diào)節(jié)因子應(yīng)對低溫脅迫。生理指標(biāo)和8個蛋白質(zhì)對應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄水平的結(jié)果證實(shí)了iTRAQ結(jié)果是可靠的。