不同耐旱性甘薯柴根和塊根的差異蛋白組分析

汪寶卿 張海燕 解備濤 段文學(xué) 張立明

(1 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所, 山東 濟(jì)南 250100；2 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250100)

甘薯[Ipomoeabatatas(L.) Lam]又名甜薯，為旋花科薯蕷屬纏繞草質(zhì)藤本，是世界第七大糧食作物，其不僅含有碳水化合物、糖類等高能量物質(zhì)，且還含多種營養(yǎng)元素(如鈣、鐵等)及抗氧化物質(zhì)[1]。我國是世界上最大的甘薯種植和生產(chǎn)國，目前甘薯主要應(yīng)用于保健食品、燃料乙醇、淀粉的精深加工等領(lǐng)域[2]。

甘薯莖節(jié)上根原基發(fā)育而來的不定根首先發(fā)育成纖維根和含色素的加厚根(thickening pigmented roots)，加厚根一部分發(fā)生木質(zhì)化停止膨大形成柴根(thick root)，另一部分繼續(xù)膨大發(fā)育形成塊根(storage root)[3]。甘薯的產(chǎn)量和品質(zhì)主要取決于甘薯塊根的生長發(fā)育[4]。在我國北方地區(qū)，甘薯主要種植于丘陵山地和平原旱地，無人工澆水條件，除栽插時(shí)澆窩水外，整個(gè)生育期水分供應(yīng)基本依靠自然降雨，水分虧缺直接影響了苗期根系分化和后期塊根膨大[5]。因此，開展干旱條件下的甘薯根系的生長發(fā)育研究對甘薯耐旱性育種和抗逆栽培具有重要意義。

目前已有關(guān)于塊根中上調(diào)或優(yōu)先表達(dá)的候選基因研究的報(bào)道，但大多數(shù)基因主要涉及轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控或塊根在形成、加厚過程中的碳水化合物和蛋白代謝[4,6-10]。在正常供水條件下，轉(zhuǎn)錄組研究發(fā)現(xiàn)塊根苯丙烷代謝途徑中含有與淀粉生物合成相關(guān)的上調(diào)基因和與木質(zhì)素合成相關(guān)的下調(diào)基因[11]。在干旱脅迫條件下，尤其是在塊根形成的早期階段，脫落酸響應(yīng)元件結(jié)合因子、脫水應(yīng)答元件結(jié)合因子、同源結(jié)構(gòu)域蛋白等與干旱相關(guān)基因大量表達(dá)[12]。甘薯根系發(fā)育過程中，由于不同品種以及根系分化的時(shí)間、節(jié)位、類型、外界環(huán)境條件等的影響，在適宜的時(shí)間和部位取樣較困難，因此在甘薯根系發(fā)育和抗逆基因挖掘方面很難得到理想的結(jié)果。

蛋白組學(xué)研究中全蛋白組的定性和定量分析可以為候選基因的篩選和發(fā)掘提供線索[13]。在正常條件下，過氧化氫酶(catalase, CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase, APX)、過氧化物酶(peroxidase, POD)等會(huì)影響甘薯根系分化[3,14]?？禈返萚15]研究發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)Cu/ZnSOD和APX基因的甘薯具有較強(qiáng)耐旱性。大量研究表明干旱主要影響甘薯苗期根系細(xì)胞質(zhì)中抗氧化、木質(zhì)化、能量代謝等相關(guān)蛋白活性[16]。目前對甘薯的研究主要集中于甘薯苗期(栽后20 d內(nèi))的根系分化，而苗期分化的塊根、柴根和纖維根在形態(tài)上難以區(qū)分，且關(guān)于不同耐旱性甘薯柴根和塊根中差異蛋白表達(dá)研究尚鮮見報(bào)道。

本研究在前期雙向電泳和iTRAQ試驗(yàn)結(jié)果[17]的基礎(chǔ)上，對不同耐旱性甘薯不同類型根系間全蛋白組差異蛋白進(jìn)行精確定量和定性分析，以期揭示干旱條件下不同耐旱性甘薯不同類型根系尤其是柴根和塊根在發(fā)育過程中的差異蛋白，從蛋白水平揭示不同耐旱性甘薯柴根和塊根形成的生理差異，為甘薯耐旱育種和抗逆高產(chǎn)栽培提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取前期已經(jīng)篩選得到的干旱敏感型甘薯品種濟(jì)紫薯1(JZS1)和耐旱型甘薯品種濟(jì)薯21(JS21)[18]，由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供。

試驗(yàn)在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所遮雨棚中進(jìn)行，小區(qū)面積6 m2，株距26 cm，壟距65 cm，壟高35 cm，每小區(qū)栽種60株。試驗(yàn)中每個(gè)品種均設(shè)正常處理(normal，N)和干旱處理(drought,D)，正常處理保持土壤相對含水量在70%以上，干旱處理待土壤相對含水量降至40%左右(中度干旱)保持至收獲。土壤水分采用HH2土壤水分測定儀(Delta-T，UK)測定，探針從薯莖處垂直入土10 cm，每壟測定3個(gè)點(diǎn)，每2天測定1次，計(jì)算補(bǔ)水體積，保證小區(qū)水分維持在各處理要求土壤含水量范圍內(nèi)。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，每處理設(shè)3次生物學(xué)重復(fù)。薯苗栽插前模擬降水，水量控制在200 mm，所有處理均澆窩水400 mL，栽插后10 d進(jìn)行干旱處理，整個(gè)試驗(yàn)期(6-8月)內(nèi)遇到雨水時(shí)抗旱棚必須遮雨。2017年6月7日，在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物所甘薯室育苗圃挑揀長勢一致、無病蟲害的薯苗(長約20 cm，有4個(gè)完全展開葉)，采用斜插法分別將2個(gè)品種薯苗種植于壟中，確保薯苗3個(gè)節(jié)入土。

本試驗(yàn)分別于栽插后60 d(8月6日)取樣，先用剪刀剪去甘薯的地上部分，將整個(gè)根系小心挖出，迅速將甘薯根系沖洗干凈，用吸水紙吸干根系表面水分，取柴根(thick root, TR)和塊根(storage root, SR)中間段1～2 g并用錫箔紙包裹，液氮速凍后，-80℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 測定方法

1.2.1 根系總蛋白質(zhì)提取 采用酚/SDS抽提法[19-20]提取甘薯根部總蛋白。

1.2.2 蛋白質(zhì)裂解及定量 參照Bradford[21]的方法進(jìn)行蛋白質(zhì)定量分析，并建立了蛋白濃度與OD595關(guān)聯(lián)的回歸方程為y=0.881x+0.016 (R2=0.995 )。

1.2.3 蛋白還原烷基化及酶解 參照FASP法[22]酶解蛋白。

1.2.4 蛋白標(biāo)記及質(zhì)譜試驗(yàn) 參照汪寶卿等[17]的方法進(jìn)行iTRAQ標(biāo)記和質(zhì)譜分析。

1.2.6 數(shù)據(jù)庫檢索和差異蛋白篩選 差異蛋白篩選標(biāo)準(zhǔn)參照秦志英[23]的方法。

1.2.7 差異蛋白生物信息功能分析 根據(jù)蛋白質(zhì)譜搜庫檢索和差異蛋白篩選結(jié)果，進(jìn)行BLAST比對，同源映射到近緣模式生物，再進(jìn)行GO和KEGG通路分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 差異表達(dá)蛋白鑒定結(jié)果

樣品經(jīng)LC-MS/MS檢測、搜庫后，篩選得到假發(fā)現(xiàn)率(false-discovery rate, FDR)<1%的甘薯根系差異蛋白2 003個(gè)。按照Score Sequest HT > 0且peptide≥1的標(biāo)準(zhǔn)，并剔除比值為空白的數(shù)據(jù)，篩選到可信蛋白 1 716 個(gè)，其中在各比較組中均出現(xiàn)顯著上調(diào)或顯著下調(diào)的動(dòng)態(tài)表達(dá)蛋白有819個(gè)。以此為基礎(chǔ)，計(jì)算得到每一比較組的差異倍數(shù)(fold change, FC)和差異顯著性P值，篩選各比較組差異表達(dá)蛋白(表1～3)。

表1 差異蛋白的肽段數(shù)目和分布情況Table 1 The number and distribution of peptides in differential proteins

注：JS21NSR-JS21NTR表示正常條件下JS21的塊根與柴根間的差異蛋白，JS21DSR-JS21DTR表示干旱條件下JS21的塊根與柴根間的差異蛋白，JZS1NSR-JZS1NTR表示正常條件下JZS1的塊根與柴根間的差異蛋白，JZS1DSR-JZS1DTR表示干旱條件下JZS1的塊根與柴根間的差異蛋白，JS21NTR-JZS1NTR表示正常條件下JS21與JZS1柴根間的差異蛋白，JS21NSR-JZS1NSR表示正常條件下JS21與JZS1塊根間的差異蛋白，JS21DTR-JZS1DTR表示干旱條件下JS21與JZS1柴根間的差異蛋白，JS21DSR-JZS1DSR表示干旱條件下JS21與JZS1塊根間的差異蛋白。下同。
Note：JS21NSR-JS21NTR represents differential proteins between SR and TR of JS21 under normal condition, JS21DSR-JS21DTR represents differential proteins between SR and TR of JS21 under drought stress, JZS1NSR-JZS1NTR represents differential proteins between SR and TR of JZS1 under normal condition, JZS1DSR-JZS1DTR represents differential proteins between SR and TR of JZS1 under drought stress, JS21NTR-JZS1NTR represents differential proteins of TR between JS21 and JZS1 under normal condition, JS21NSR-JZS1NSR represents differential proteins of SR between JS21 and JZS1 under normal condition, JS21DTR-JZS1DTR represents differential proteins of TR between JS21 and JZS1 under drought stress, JS21DSR-JZS1DSR represents differential proteins of SR between JS21 and JZS1 under drought stress. The same as following.

2.2 不同耐旱性甘薯根系差異蛋白生物信息功能分析

GO分析表明，正常供水條件下，JS21的塊根與柴根相比，差異蛋白主要集中在金屬離子反應(yīng)、降解代謝等生物過程(biological process)，涉及細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞質(zhì)部分等細(xì)胞組分(cell component)，從水解酶活性、氧化還原酶活性、葡萄糖苷酶等方面體現(xiàn)蛋白分子功能(molecular function)。JZS1的塊根與柴根相比，其差異蛋白參與的生物過程與JS21一致，主要涉及細(xì)胞溶質(zhì)、細(xì)胞質(zhì)部分等細(xì)胞組分，從氧化還原酶活性、銅離子結(jié)合和抗氧化活性等方面體現(xiàn)蛋白分子功能。JS21柴根與JZS1柴根相比，差異蛋白主要集中于核苷代謝、小分子代謝、碳水化合物代謝等生物過程，涉及細(xì)胞質(zhì)部分、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞溶質(zhì)等細(xì)胞組分，從銅離子結(jié)合、甘油醛-3-磷酸脫氫酶活性、氧化還原酶活性等方面體現(xiàn)蛋白分子功能。JS21塊根與JZS1塊根相比，差異蛋白主要集中于無機(jī)物底物反應(yīng)、小分子代謝、金屬離子反應(yīng)等生物過程，涉及細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞質(zhì)部分和細(xì)胞溶質(zhì)等細(xì)胞組分，從核糖體結(jié)構(gòu)組分、結(jié)構(gòu)分子活性、mRNA結(jié)合等方面體現(xiàn)蛋白分子功能。與柴根相比，JS21和JZS1塊根的表達(dá)蛋白主要在蛋白分子功能方面差異較大；品種間比較發(fā)現(xiàn)，柴根、塊根的表達(dá)蛋白在生物過程和蛋白分子功能方面差異較大。

表2 差異蛋白的分子量分布Table 2 The distribution of molecular weight in differential proteins /個(gè)

表3 各比較組中差異蛋白數(shù)Table 3 The number of differential proteins in comparing intergroup /個(gè)

干旱脅迫處理下，JS21的塊根與柴根相比，差異蛋白主要集中于單糖生物合成、刺激反應(yīng)、糖異生、己糖合成、單有機(jī)物合成和單有機(jī)物降解等生物過程，涉及細(xì)胞溶質(zhì)、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞質(zhì)部分等細(xì)胞組分，從金屬離子結(jié)合、陽離子結(jié)合等方面體現(xiàn)蛋白分子功能。JZS1的塊根與柴根相比，差異蛋白主要集中在碳水化合物代謝、有機(jī)物合成、ATP代謝、葡萄糖代謝等生物過程，涉及細(xì)胞溶質(zhì)、細(xì)胞質(zhì)部分和細(xì)胞質(zhì)等細(xì)胞組分，從蔗糖合酶活性、ATPase活性、氫離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性和結(jié)構(gòu)分子活性等方面體現(xiàn)蛋白分子功能。JS21柴根與JZS1柴根相比，差異蛋白主要集中在單有機(jī)物代謝、小分子代謝、碳水化合物代謝等生物過程，涉及細(xì)胞溶質(zhì)、細(xì)胞質(zhì)部分、細(xì)胞質(zhì)和液泡等細(xì)胞組分，從鈷離子結(jié)合、有機(jī)酸結(jié)合、羧酸結(jié)合等方面體現(xiàn)蛋白分子功能。JS21塊根與JZS1塊根相比，差異蛋白主要集中在單有機(jī)物代謝、小分子代謝、無機(jī)底物反應(yīng)、刺激反應(yīng)等生物過程，涉及細(xì)胞溶質(zhì)、細(xì)胞質(zhì)部分、細(xì)胞質(zhì)和質(zhì)外體等細(xì)胞組分，從銅離子結(jié)合、結(jié)構(gòu)分子活性、過氧化物酶活性、氧化還原酶活性等方面體現(xiàn)蛋白分子功能。與柴根相比，JS21塊根中差異蛋白主要與糖合成代謝等生物過程有關(guān)，而JZS1塊根中的差異蛋白主要與能量代謝等生物過程有關(guān)；與JZS1相比，JS21塊根中差異蛋白的分子功能主要體現(xiàn)在的抗氧化能力和結(jié)構(gòu)分子活性維持方面。

KEGG分析發(fā)現(xiàn)，正常供水條件下，與柴根相比，JS21塊根差異表達(dá)蛋白主要富集在次生代謝合成、剪接體、苯丙烷生物合成、淀粉和蔗糖代謝、碳代謝等代謝通路，JZS1的塊根差異表達(dá)蛋白主要富集在次生代謝合成、碳代謝、核糖體、苯丙烷生物合成、淀粉和蔗糖合成、氨基酸合成、丙酮酸代謝等代謝通路。與JZS1柴根相比，JS21柴根差異蛋白主要集中次生代謝合成、碳代謝、淀粉和蔗糖合成、氨基酸合成等代謝通路；與JZS1塊根相比，JS21塊根差異蛋白主要集中次生代謝合成、核糖體、淀粉和蔗糖代謝、碳代謝、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工、糖酵解、氧化磷酸化等代謝途徑。與柴根相比，2個(gè)品種塊根的差異蛋白均富集在次生代謝、碳代謝、苯丙烷生物合成、淀粉和蔗糖代謝等通路；與JZS1相比，JS21的柴根、塊根差異蛋白富集的代謝通路均富集在次生代謝、淀粉和蔗糖代謝、碳代謝等通路。

在干旱處理情況下，與柴根相比，JS21塊根差異蛋白主要集中次生代謝合成、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工、丙酮酸代謝等代謝通路，JZS1的塊根差異表達(dá)蛋白主要富集在次生代謝合成、碳代謝、核糖體、淀粉和糖代謝、苯丙烷生物合成、氨基酸生物合成等代謝通路。與JZS1柴根相比，JS21柴根差異蛋白主要富集在次生代謝合成、核糖體、氧化磷酸化、谷胱甘肽代謝、類黃酮合成等代謝通路；與JZS1塊根相比，JS21塊根差異蛋白主要集富集在次生代謝合成、碳代謝、核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工等代謝通路。在干旱脅迫條件下，同一品種的塊根與柴根之間、不同品種的塊根或柴根之間差異蛋白富集的代謝通路變化較大。

2.3 不同耐旱性甘薯根系差異蛋白表達(dá)模式分析

基于KEGG通路分析和之前的研究結(jié)果[16-17]，選取淀粉和蔗糖代謝與苯丙烷生物合成2個(gè)代謝通路進(jìn)一步細(xì)化，明確正常和干旱條件下不同類型甘薯根系的差異蛋白。

由表4可知，正常供水條件下，與JZS1的柴根相比，JS21柴根的淀粉和蔗糖代謝相關(guān)酶除UGP1外均上調(diào)表達(dá)；苯丙烷代謝的PER上調(diào)表達(dá)，但木質(zhì)素合成相關(guān)的CAD、CCOAOMT1和抗氧化相關(guān)的CSD、CAT等均下調(diào)表達(dá)。與JZS1的塊根相比，JS21塊根的淀粉和蔗糖代謝相關(guān)酶除UGP1外均上調(diào)表達(dá)，苯丙烷代謝的PER52、PER53、CAD1和BGLU17均上調(diào)表達(dá)，而PER21下調(diào)表達(dá)。

比較正常供水條件下品種內(nèi)不同類型根發(fā)現(xiàn)，與柴根相比，JS21和JZS1塊根中參與淀粉和蔗糖代謝的酶如SBE2.1、APS1、APL3均上調(diào)表達(dá)，而SUS6和BGLU17均下調(diào)表達(dá)，上調(diào)表達(dá)的UGP1和SS1僅參與了JZS1塊根的淀粉和蔗糖代謝。2個(gè)品種中塊根參與苯丙烷代謝中的酶如PER52、PER72、CAD6和BGLU17均下調(diào)表達(dá)，JS21塊根中無上調(diào)表達(dá)蛋白，JZS1塊根中僅PER21上調(diào)表達(dá)。

在干旱條件下比較品種間發(fā)現(xiàn)，與JZS1的柴根相比，JS21柴根淀粉和蔗糖代謝的SUS3、TPS5、AMY1、PHS2上調(diào)表達(dá)，SPS1、UGP1下調(diào)表達(dá)；苯丙烷代謝中無上調(diào)蛋白，PER17、PER52、OMT1下調(diào)表達(dá)。與JZS1的塊根相比，JS21塊根淀粉和蔗糖代謝中PHS1、APS1、APL3上調(diào)表達(dá)，SUS4、SUS6下調(diào)表達(dá)；苯丙烷代謝中的PER21上調(diào)表達(dá)，而抗氧化相關(guān)的PER52、PER72和木質(zhì)素合成關(guān)鍵酶4CL2、CAD9均下調(diào)表達(dá)。

比較干旱條件下品種內(nèi)不同各類型根發(fā)現(xiàn)，與柴根相比，JS21塊根2個(gè)通路中上調(diào)表達(dá)的僅有APL3和PER21，干旱影響了塊根中SBE2.1、PHS2、APS1的表達(dá)；JZS1塊根2個(gè)通路中上調(diào)表達(dá)的有SBE2.1、SUS3、SUS4、SUS6、AMY1和CAD1，且鑒定出的蔗糖合酶數(shù)量最多，干旱引起了其塊根中木質(zhì)素合成增加。2個(gè)品種中柴根的PER均上調(diào)表達(dá)，且JS21柴根中的PER數(shù)量多于JZS1，但CSD僅JZS1中上調(diào)表達(dá)。

3 討論

ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase, ADPGase)可催化合成ADP-葡萄糖，是淀粉合成過程中的第1個(gè)限速酶[24]。UTP-葡萄糖-1-磷酸化尿苷酰基轉(zhuǎn)移酶(UTP-glucose -1-phosphate uridylyltransferase)又稱尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDP-glucose pyrophosphorylase, UDPGase)，可催化合成UDP-葡萄糖作為參與蔗糖、纖維素、果膠質(zhì)等代謝的葡萄糖供體，此外與胞液中的AGPGase相偶聯(lián)形成ADPG，參與造粉體淀粉的合成[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，在正常條件下，與JS21相比，JZS1塊根和柴根中的UGP1均上調(diào)表達(dá)；與JZS1柴根相比，其塊根中的APL3、APS1和UDPGase均上調(diào)表達(dá)，而JS21塊根中僅有APL3、APS1上調(diào)表達(dá)，表明JS21和JZS1間存在不同的淀粉積累模式。而在干旱脅迫條件下，JS21塊根中的APL3仍上調(diào)，AMY1下調(diào)，JZS1塊根中的SUS3、SUS4、SUS6和AMY1上調(diào)，SPS1下調(diào)。說明在干旱脅迫條件下，耐旱性強(qiáng)的JS21塊根中淀粉的合成仍大于淀粉的分解，而耐旱性弱的JZS1塊根中的蔗糖分解大于蔗糖的合成，與前人研究一致[26]。

甘薯的柴根是由加厚的色素根中柱木質(zhì)化后形成[27]，有研究認(rèn)為甘薯柴根是徒耗養(yǎng)分的根[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，在正常條件下，JS21的柴根中主要含有多種過氧化物酶，如PER52、PER55和PER72，JZS1的柴根中不僅有過氧化物酶PER17、過氧化氫酶CAT2還有超氧化歧化酶CSD1和CSD2；在干旱脅迫條件下，2個(gè)品種柴根的抗氧化酶主要為過氧化物酶類，說明柴根中含有豐富的抗氧化酶，柴根的這種保護(hù)作用，可能是甘薯在進(jìn)化過程中適應(yīng)環(huán)境的一個(gè)重要表現(xiàn)。這與關(guān)于不同耐旱性甘薯不同類型根系抗氧化特性分析的結(jié)論一致[29]。但抗氧化酶在塊根中的表達(dá)模式與柴根中存在差異。在正常條件下，與JZS1相比，JS21的塊根中PER21下調(diào)、PER52和PER53上調(diào)；在干旱脅迫條件下，JS21的塊根中PER21上調(diào)、PER52和PER72下調(diào)，說明干旱誘導(dǎo)了JS21塊根中的PER21過量表達(dá)，PER21可能是耐旱性強(qiáng)的甘薯塊根抵御逆境脅迫的重要手段，PER21和PER52的變化可作為篩選耐旱性甘薯的重要指標(biāo)；干旱條件下耐旱性弱的JZS1塊根中PER21、PER52和CSD2均下調(diào)表達(dá)，且均低于柴根中的抗氧化酶表達(dá)量，只有CAD1表達(dá)上調(diào)，說明干旱條件下JZS1抵御干旱脅迫的能力差，塊根中木質(zhì)化水平高。有研究表明將銅/鋅超氧化物歧化酶(Cu/Zn superoxide dismutase, Cu/Zn SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)基因轉(zhuǎn)入甘薯，能提高其耐旱性[30]。本研究進(jìn)一步明確了耐旱性強(qiáng)的甘薯品種可通過誘導(dǎo)塊根中的抗氧化酶含量增加，并與柴根中的抗氧化酶協(xié)同抵御干旱脅迫，而耐旱性弱的甘薯柴根和塊根的抗氧化能力差，塊根木質(zhì)化程度加劇。

表4 各比較組中主要通路中差異蛋白信息Table 4 The details of differential proteins in main pathway of comparing intergroup

表4(續(xù))

表4(續(xù))

表4(續(xù))

表4(續(xù))

CAD是木質(zhì)素合成的關(guān)鍵酶，CAD基因能被活性氧誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)，在干旱脅迫條件下可通過提高木質(zhì)素含量來維持細(xì)胞正常的滲透壓，抵御逆境脅迫[27]。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫條件下，耐旱性弱的JZS1塊根與柴根相比，其CAD1上調(diào)表達(dá)，耐旱性強(qiáng)的JS21塊根中則沒有木質(zhì)素合成相關(guān)的酶表達(dá)。品種間比較發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫條件下耐旱性弱的JZS1的塊根中4CL2、CAD9均上調(diào)表達(dá)，耐旱性強(qiáng)的JS21塊根則下調(diào)表達(dá)。說明干旱導(dǎo)致了耐旱性弱的甘薯品種塊根木質(zhì)化程度加劇，與之間的結(jié)論一致[17]。

最新的研究發(fā)現(xiàn)，通過轉(zhuǎn)甘薯肉桂酸-4-羥基化酶(cinnamate 4hydroxylase,C4H)基因可提高煙草的耐旱性[31]。C4H與CAD、4-香豆酸-輔酶連接酶(4-coumarate-CoA ligase,4CL)、咖啡酰莽草酸酯酶(caffeoyl shikimate esterase, CSE)均為木質(zhì)素單體生物合成的關(guān)鍵酶[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，上述酶僅在正常條件下木質(zhì)化程度高的柴根和干旱條件下耐旱性弱的甘薯塊根中出現(xiàn)。表明木質(zhì)素在正常條件下甘薯柴根發(fā)育過程中起到重要的調(diào)控作用，木質(zhì)素合成相關(guān)酶的上調(diào)表達(dá)并不能增強(qiáng)干旱脅迫條件下甘薯的耐旱性，只是耐旱性弱的甘薯對干旱脅迫的一種生理響應(yīng)。

前期研究發(fā)現(xiàn)，耐旱性弱的JZS1苗期根系中主要是能量代謝相關(guān)蛋白[17]。本研究結(jié)果表明，正常條件下，JZS1的塊根中SPS1上調(diào)、SUS6下調(diào)，在干旱條件下其塊根中的SUS3、SUS4、SUS6上調(diào)、SPS1下調(diào)。蔗糖磷酸合酶(sucrose-phosphate synthase, SPS)能利用UDPG為底物合成蔗糖[33]，而蔗糖合酶(sucrose synthase, SUS)能催化蔗糖的合成與分解[34]。本研究發(fā)現(xiàn)，SPS和SUS在正常和干旱脅迫條件下的作用相反。在正常條件下，SUS是甘薯塊根發(fā)育過程中最活躍的酶，表達(dá)模式與ADPGase類似，能促進(jìn)淀粉積累，但在干旱脅迫條件下，在耐旱性弱的甘薯遭受干旱脅迫且能量供給有限的情況下，SUS可發(fā)揮在催化蔗糖合成或分解的過程中幾乎不消耗能量的特性，為甘薯糖酵解過程快速提供還原糖，從而參與植株的逆境響應(yīng)過程，緩解逆境脅迫造成的危害[35]。雖然SUS是催化蔗糖合成或分解的可逆酶，但也暗示蔗糖合酶在甘薯抵御干旱脅迫過程中可能更傾向于分解功能。

4 結(jié)論

本研究通過對不同耐旱性甘薯柴根和塊根的差異蛋白進(jìn)行分析，共鑒定得到差異蛋白2 003個(gè)。干旱脅迫處理下，與柴根相比，JS21和JZS1塊根差異蛋白分別集中于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)碳水化合物合成、能量代謝等生物過程；與JZS1塊根相比，JS21塊根差異蛋白分子功能主要涉及過氧化物酶活性、氧化還原酶活性等。在干旱脅迫條件下，耐旱性強(qiáng)的JS21塊根中淀粉的合成仍大于分解，而耐旱性弱的JZS1塊根中的蔗糖分解大于合成。正常條件下，2個(gè)品種柴根中均含有豐富的抗氧化酶；干旱誘導(dǎo)了JS21塊根產(chǎn)生過氧化物酶，而JZS1塊根中木質(zhì)素合成關(guān)鍵酶則上調(diào)表達(dá)。本研究重新審視了柴根在甘薯根系生長發(fā)育和抵抗逆境中的作用，初步明確了耐旱性甘薯不同類型根系協(xié)同抵御干旱脅迫的生理機(jī)制。本試驗(yàn)通過大量的全蛋白組生物信息學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了一些甘薯柴根與塊根間、耐旱性強(qiáng)和耐旱性弱的甘薯品種間可能的差異蛋白，對探尋甘薯根系發(fā)育和耐旱性差異有一定的指導(dǎo)意義。但鑒定到的差異蛋白主要是代謝通路下游的功能蛋白，對代謝通路上游的調(diào)控因子的相關(guān)信息仍不明確。下一步將繼續(xù)圍繞耐旱性甘薯品種差異，開展代謝組研究，通過比對蛋白組和代謝組的差異蛋白或基因，為深入挖掘甘薯淀粉調(diào)控和耐旱基因提供一定的理論支撐。