植物葉片H2O2脅迫應答蛋白質組學分析

孫曉梅, 喻娟娟, 高田祥, 孫旭武, 戴紹軍*

(1.上海師范大學 生命與環(huán)境科學學院 植物種質資源開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200234;2.東北林業(yè)大學 鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心,哈爾濱 150040)

植物葉片H2O2脅迫應答蛋白質組學分析

孫曉梅1, 喻娟娟2, 高田祥1, 孫旭武1, 戴紹軍1*

(1.上海師范大學 生命與環(huán)境科學學院 植物種質資源開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200234;2.東北林業(yè)大學 鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心,哈爾濱 150040)

植物葉片是感知外界H2O2脅迫信號的重要器官.整合分析了水稻(Oryzasativa)、小麥(Triticumaestivum)、二穗短柄草(Brachypodiumdistachyon)和柑橘(Citrusaurantium)在應對不同程度H2O2脅迫時蛋白質表達模式的變化特征.闡明了H2O2脅迫應答網絡體系中的信號與代謝通路(如:光合作用、糖類與能量代謝、轉錄調控、蛋白質合成與命運、脅迫防御、信號轉導和基礎代謝等)的變化及植物葉片應答H2O2脅迫的分子調控機制.

植物; 葉片; H2O2脅迫; 蛋白質組學

0 引 言

植物在進行光合作用和呼吸作用時,會產生各種活性氧分子(ROS).植物體內ROS包括超氧陰離子自由基(O2?-)、過氧化氫(H2O2)、單線態(tài)氧(1O2)和羥自由基(OH)等,H2O2是植物細胞內豐度較高的ROS之一.正常生理狀態(tài)下,植物體內的ROS會保持在相對穩(wěn)定的水平,而各種脅迫條件會引起H2O2產生和清除失衡,導致H2O2在細胞內大量積累.過量的H2O2對植物細胞造成氧化損傷[1-2].H2O2脅迫嚴重影響植物生長發(fā)育,導致農作物產量降低,品質下降[3-5].H2O2影響脂質、蛋白質和核酸等大分子的結構,破壞細胞結構的完整性[3,6-7].H2O2可通過修飾氨基酸殘基,引起蛋白質結構和構象的改變(包括肽鍵斷裂、聚合和交聯(lián)等方式),從而對植物體造成氧化脅迫[8].另外,H2O2也可作為信號分子參與細胞增殖、細胞防御和信號轉導等多種生長發(fā)育過程[9-10],例如,H2O2可觸發(fā)細胞程序性死亡[5,11-12].

深入研究植物應答H2O2脅迫的分子機制對于提高作物抗性和培育耐氧化新品種具有重要意義[13-14].Desikan等[15]報道了在擬南芥中超過170個非冗余EST標簽受到H2O2調節(jié),其中113種被誘導,62種被抑制.研究表明,擬南芥通過光誘導過氧化氫酶缺失突變體產生H2O2,此過程中349個轉錄本上調,88個轉錄本下調.這些轉錄組學研究初步構建了植物H2O2脅迫應答的分子網絡框架[6,13,15-16],參與體內ROS平衡、信號轉導、光合作用、能量代謝、脂質代謝,以及蛋白質合成與周轉的蛋白質在H2O2應答過程中起重要作用.然而,由于存在轉錄可變剪切、蛋白質翻譯后修飾、蛋白質相互作用和蛋白質亞細胞定位等調控機制,轉錄組學研究并不能全面揭示植物H2O2脅迫應答的分子機制.

近年來,植物葉片H2O2應答蛋白質組學研究為從系統(tǒng)生物學水平深入認識植物H2O2脅迫的網絡協(xié)同應答機制提供了重要信息[17].目前,小麥(Triticumaestivum)[1]、水稻(Oryzasativa)[3]、二穗短柄草(Brachypodiumdistachyon)[18]和柑橘(Citrusaurantium)[19]等物種應答H2O2脅迫的蛋白質表達譜,及372種H2O2脅迫響應蛋白質豐度變化特征(表1)已得到[1,3,18-19].以上研究結果來自于不同的實驗室,對蛋白質命名和功能分類的標準各異,因此,本文作者整合分析了植物H2O2脅迫(0.6～20 mmol·L-1處理2 h～5 d)應答蛋白質的表達特征,旨在為解釋H2O2脅迫應答網絡體系中的信號與代謝通路提供線索.

表1 植物H2O2脅迫應答蛋白質組學研究的對象與內容

a)鑒定到的蛋白質斑點數(shù)量;b)鑒定到的非冗余蛋白質數(shù)量(豐度上升蛋白質數(shù)量/豐度下降蛋白質數(shù)量)

1 H2O2抑制植物光合作用

H2O2脅迫導致植物葉綠體類囊體膜結構發(fā)生改變,并影響光系統(tǒng)Ⅱ、光系統(tǒng)Ⅰ和碳同化作用相關蛋白質的表達與活性,從而降低植物的光合速率.Wan等[3]研究發(fā)現(xiàn),H2O2處理后水稻葉片中凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Ts)均下降,這表明H2O2處理導致氣孔關閉,減少水分蒸騰.

H2O2影響植物光反應過程.光反應發(fā)生在葉綠體類囊體中,通過光合色素分子吸收光能分解水,激活電子傳遞鏈和光合磷酸化過程,將光能轉化為化學能,形成腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)和煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADPH).葉綠素a/b結合蛋白(CAB)能夠捕獲光能,并將激發(fā)態(tài)能量傳遞到各自的光反應中心.Wan等[3]在H2O2處理的水稻葉片中發(fā)現(xiàn)兩種CAB豐度下降,這可能影響葉片捕獲光的能力.此外,放氧復合體(OEC)位于類囊體膜基粒片層外側,是光系統(tǒng)Ⅱ的重要成員,能夠裂解水并釋放氧氣.H2O2脅迫下水稻葉片中的OEC豐度上升有利于促進水光解放氧.

蛋白質組學研究結果表明光合電子傳遞過程也受到H2O2脅迫的影響.細胞色素b6f復合體連接PSII到PSI的電子傳遞過程,氧化質醌,并產生跨膜質子梯度,催化ATP合成.細胞色素b6是細胞色素b6f復合體的一部分,參與光誘導的光合電子傳遞過程,起電子載體的作用.研究發(fā)現(xiàn),在H2O2脅迫下,小麥葉片中的細胞色素b6豐度下降,這可能導致光合電子傳遞過程減緩,進而抑制光合作用[1].

參與碳同化過程的多種酶的豐度也受到H2O2脅迫的影響.核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO)是葉片中含量最豐富的蛋白質,具有羧化酶和加氧酶雙重活性,是光合作用中決定碳同化速率的關鍵酶,同時也參與植物光呼吸途徑.RuBisCO活化酶(RCA)可以催化RuBisCO從無活性狀態(tài)轉變?yōu)橛谢钚誀顟B(tài).蛋白質組學研究表明,在20 mmol·L-1H2O2處理4～6 h條件下,二穗短柄草葉片中RuBisCO豐度上升[18].與之相反,3～15 mmol·L-1H2O2處理5 d的小麥葉片中RuBisCO豐度下降[1].此外,在0.6～15 mmol·L-1H2O2處理6～8 h條件下,水稻和柑橘葉片中RuBisCO大亞基和RCA的豐度也發(fā)生改變[3,19].這表明,各種植物中的RuBisCO和RCA對H2O2都十分敏感,并且在不同條件下呈現(xiàn)多樣化的表達模式,從而調節(jié)碳同化速率.

2 H2O2誘導糖類與能量代謝動態(tài)調節(jié)

糖類與能量代謝過程(糖酵解途徑、三羧酸循環(huán)等)對于植物生長發(fā)育和逆境應答具有重要作用.糖酵解相關酶的豐度受到H2O2的影響.在0.3～20 mmol·L-1H2O2處理2 h～5 d條件下,小麥葉片中的葡萄糖-6-磷酸異構酶(glucose-6-phosphate isomerase)、丙酮酸激酶(pyruvate kinase)和甘油醛3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase),以及水稻、小麥、二穗短柄草和柑橘葉片中的果糖二磷酸醛縮酶(fructose-bisphosphate aldolase)豐度下降[1,3,18-19].相反,在10～20 mmol·L-1H2O2處理4～8 h條件下,柑橘葉片中的烯醇化酶(EA)、二穗短柄草和柑橘葉片中的磷酸甘油酸激酶(phosphoglycerate kinase)豐度上升[18-19].此外,水稻葉片中的磷酸甘油酸變位酶(phosphoglycerate mutase)在受到H2O2脅迫(0.6～3 mmol·L-1H2O2處理6 h)時豐度也上升[3].

在H2O2脅迫下,一些三羧酸循環(huán)相關酶的豐度也受到影響.檸檬酸合酶(CS)能催化來自糖酵解或其他異化反應的乙酰CoA與草酰乙酸縮合形成檸檬酸,決定了乙酰CoA進入三羧酸循環(huán)的速率,是三羧酸循環(huán)中的限速酶.在H2O2脅迫下,柑橘葉片中CS豐度下降,這可能影響三羧酸循環(huán)速率[19].另外,異檸檬酸脫氫酶(IDH)是三羧酸循環(huán)過程中的關鍵酶,此酶能在細胞質中生成NAPDH,后者是ROS清除系統(tǒng)中谷胱甘肽還原酶的重要輔酶.H2O2處理的二穗短柄草葉片中IDH豐度上升[18],這可能有利于加強三羧酸循環(huán)為植物提供能量,也能在清除ROS過程中發(fā)揮一定的作用.

此外,其他參與糖類與能量代謝的酶的豐度也受到H2O2影響.丙酮酸脫氫酶復合體催化丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA,是連接糖酵解與三羧酸循環(huán)的紐帶,而丙酮酸脫氫酶(PDH)和硫胺素焦磷酸是構成丙酮酸脫氫酶復合體必不可少的酶和輔因子.H2O2脅迫導致柑橘葉片中PDH豐度下降,影響丙酮酸脫氫酶復合體的生成,進而影響細胞內能量代謝[19].此外,在0.6～15 mmol·L-1H2O2處理6 h～5 d條件下,其他參與糖類與能量代謝過程的酶,如小麥葉片中的肉桂醇脫氫酶(cinnamyl alcohol dehydrogenase)和磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase),以及水稻葉片中的UDP葡萄糖焦磷酸化酶(UDP-glucose pyrophosphorylase)和ADP葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase)豐度上升.此外,Wan等[3]在H2O2處理的水稻葉片發(fā)現(xiàn)ATP合成酶β亞基豐度上升,這將有利于促進ATP合成,為抵御脅迫提供更多的能量支持.

3 H2O2影響轉錄、翻譯與翻譯后調控

轉錄調控是植物應答H2O2脅迫的重要策略之一.組蛋白是真核生物染色體的基本結構蛋白,是一類小分子堿性蛋白質,它與帶負電荷的雙螺旋DNA結合成DNA-組蛋白復合物.DNA結合蛋白又稱單鏈結合蛋白(SSB),能結合于螺旋酶沿復制叉方向向前推進產生的單鏈區(qū),防止新形成的單鏈DNA重新配對形成雙鏈DNA.蛋白質組學研究發(fā)現(xiàn),H2O2處理的小麥葉片中組蛋白豐度上升,SSB豐度下降[1].這表明H2O2脅迫影響植物DNA復制過程.此外,基因表達轉錄后調控包括pre-mRNA的剪切、編輯、運輸、穩(wěn)定性保持和降解、翻譯等多個過程,對逆境應答十分重要.RNA結合蛋白通過和RNA的相互作用來調節(jié)細胞功能,對轉錄后基因表達調節(jié)起著重要作用.蛋白組學研究發(fā)現(xiàn),3～15 mmol·L-1H2O2處理6 h的水稻葉片中,mRNA結合蛋白(mRNA-binding protein)豐度發(fā)生變化[3].這暗示著部分基因轉錄后調控受到H2O2脅迫的影響.

蛋白質合成是植物體最重要的生命活動之一,H2O2脅迫導致參與蛋白質合成的蛋白質豐度改變.真核起始因子(eIF)是蛋白質翻譯起始過程中的重要成員之一.蛋白質組學研究發(fā)現(xiàn),H2O2處理的小麥葉片中的eIF,以及水稻葉片中的eIF4A的豐度都下降[1,3],而15 mmol·L-1H2O2處理5 d的小麥葉片中eIF上升.這表明H2O2脅迫影響了植物蛋白質翻譯的起始.此外,延伸因子(EF)通過催化核糖體上氨基酸鏈的延伸來參與調控蛋白質合成過程.EF-Tu在蛋白質合成轉運氨酰tRNA進入核糖體A位過程中發(fā)揮作用.EF-G可以使核糖體沿mRNA移動,使下一個密碼子暴露出來供繼續(xù)翻譯.Wan等[3]在H2O2處理的水稻葉片中發(fā)現(xiàn)EF-Tu和EF-G豐度變化.另外,核糖體蛋白(Ribosomal protein)是翻譯系統(tǒng)的重要成員.Ge等[1]在H2O2處理的小麥葉片中發(fā)現(xiàn)核糖體蛋白L30、40S核糖體蛋白S2和60S核糖體蛋白L37豐度上升,而核糖體蛋白L2、核糖體蛋白L12和核糖體蛋白L16豐度下降.在0.6～15 mmol·L-1H2O2處理6 h條件下,二穗短柄草葉片中30S核糖體蛋白S10豐度上升[18],水稻葉片中核糖體蛋白S5、核糖體蛋白S15和50S核糖體蛋白L12豐度下降[3].這些核糖體蛋白的變化表明,H2O2脅迫影響了葉片內蛋白質合成過程.

蛋白質正確折疊與加工在植物H2O2脅迫應答過程中尤為重要.熱激蛋白(HSP)是細胞內含量最豐富的蛋白質之一,在蛋白質折疊、組裝、胞內定位、運輸,以及防止蛋白降解,激活損傷蛋白與維持蛋白質穩(wěn)定性等方面都有重要作用.HSP70和HSP90是熱激蛋白的2個主要家族,HSP70參與蛋白質折疊、組裝以及對脅迫的應答反應,HSP90是具有ATP酶活性的分子伴侶,能與轉錄調控和信號轉導相關蛋白質相互作用.在0.6～20 mol·L-1H2O2處理6 h條件下,二穗短柄草葉片中的HSP70以及水稻葉片中的HSP70和HSP90豐度均下降[3,18].這表明在H2O2脅迫下,HSP70與HSP90共同作用,影響蛋白質正確折疊與加工.胞質HSP70是HSP70的一種亞型,在正常環(huán)境下,胞質HSP70抑制熱激因子的功能,熱激環(huán)境下,胞質HSP70瞬時失活,熱激因子被激活,從而調控含有熱激應答元素下游基因的表達.Wan等[3]在H2O2處理的水稻葉片中發(fā)現(xiàn)胞質HSP70豐度下降.此外,其他一些參與蛋白質折疊、組裝的蛋白質豐度也發(fā)生變化.DnaK型分子伴侶(DnaK-type molecular chaperone BiP)也參與植物對H2O2脅迫的應答過程.在3 mmol·L-1H2O2處理6 h水稻葉片中,DnaK豐度下降[3].肽基-脯氨酰順反異構酶(PPTI)參與蛋白質折疊、組裝.在20 mmol·L-1H2O2處理的二穗短柄草葉片中,PPTI在4 h時豐度上升,在6 h時豐度下降[18].這表明H2O2脅迫影響了蛋白質的折疊與加工過程.

參與蛋白質降解過程的蛋白質也受到H2O2脅迫的影響.植物細胞通過特定機制識別氧化損傷的蛋白質,并將其定位到20S蛋白酶體,通過依賴泛素的方式進行降解.蛋白質組學研究發(fā)現(xiàn),在10 mmol·L-1H2O2處理8 h的柑橘葉片中,20S蛋白酶體α亞基豐度下降[19].在9 mmol·L-1H2O2處理5 d的小麥葉片中,蛋白酶體β亞基豐度下降[1].這表明,長時間H2O2脅迫抑制了20S蛋白酶體的作用,蛋白質可能轉為其他不依賴于蛋白酶體的方式降解.

4 H2O2激活植物ROS清除等防御機制

H2O2脅迫導致植物體內積累過量的ROS,對蛋白質、DNA和脂類等物質造成氧化損傷.植物體內多種抗氧化酶系統(tǒng)對于清除過量H2O2,維持體內ROS穩(wěn)態(tài)具有重要作用.

超氧化物歧化酶(SOD)是O2?-的主要清除者,可以催化O2?-發(fā)生歧化反應,生成H2O2和O2,是植物體內ROS清除系統(tǒng)的第一道防線.蛋白質組學研究發(fā)現(xiàn),在3～20 mmol·L-1H2O2處理4 h～5 d條件下,小麥葉片中的[Cu-Zn]SOD和二穗短柄草葉片中的[Mn]SOD的豐度上升,而20 mmol·L-1H2O2處理2 h導致二穗短柄草葉片中[Mn]SOD的豐度下降[1,18].這表明,不同SOD家族成員在應答H2O2脅迫過程中的作用存在差異.

此外,參與清除H2O2的過氧化物酶(peroxidase,POD)、過氧化物氧還蛋白/硫氧還蛋白(peroxiredoxin/thioredoxin,Prx/Trx)、抗壞血酸-谷胱甘肽(ascorbic acid-glutathione,AsA-GSH)循環(huán)以及谷胱甘肽硫轉移酶(GST)途徑在不同植物應答H2O2脅迫過程中豐度發(fā)生變化.POD是一種由多基因家族編碼含血紅素的糖蛋白,它能夠利用多種電子供體(如酚類化合物、木質素前體、生長素以及次級代謝產物等)來催化H2O2的還原反應,是清除H2O2的重要保護酶.蛋白質組學研究表明,3～15 mmol·L-1H2O2處理5 d的小麥葉片中POD豐度下降[1],這可能抑制了POD途徑.此外,Prx可以利用巰基催化機制還原H2O2,而Trx則有助于還原態(tài)Prx的再生.在3 mmol·L-1H2O2處理5 d的小麥葉片中Prx和Trx豐度均下降,這將導致H2O2積累,損傷植物細胞[1].AsA-GSH循環(huán)作為重要的抗氧化途徑參與細胞質、線粒體、葉綠體和過氧化物酶體中的H2O2清除.其中,抗壞血酸過氧化物酶(APX)以AsA為電子受體催化H2O2還原生成H2O和單脫氫抗壞血酸.0.6～15 mmol·L-1H2O2處理6 h水稻葉片中APX的豐度,以及20 mmol·L-1H2O2處理4 h的二穗短柄草葉片中APX的豐度都下降[1,3].此外,GST能緩解ROS造成的氧化損傷,在保護植物免受氧化損傷過程中具有重要作用.研究表明,在0.6～15 mmol·L-1H2O2處理6 h～5 d條件下,水稻和小麥葉片中GST豐度上升,而10～20 mmol·L-1H2O2處理6～8 h導致二穗短柄草和柑橘葉片中GST豐度下降[1,3,18-19].這些ROS清除途徑的動態(tài)調節(jié)對于植物應對H2O2脅迫具有重要意義.

此外,晚期胚胎富集蛋白(LEA)作為防御相關蛋白質在植物應答H2O2脅迫過程中發(fā)揮重要作用.研究表明,在15 mmol·L-1H2O2處理5 h條件下,小麥葉片中LEA豐度上升,而3 mmol·L-1H2O2處理5 h時的小麥葉片中LEA豐度下降[1].這為LEA在植物應答H2O2脅迫過程中的重要作用提供了新的證據(jù).

5 G蛋白介導的信號通路參與脅迫信號感知與傳遞

G蛋白是細胞內信號轉導途徑中具有重要作用的分子開關.小G蛋白具有與G蛋白相似的功能,參與多種應答脅迫的信號轉導過程.植物中G蛋白/小G蛋白參與感知脅迫信號,并以下游Ca2+作為第二信使,調控蛋白質可逆磷酸化,將信號傳遞并放大,從而調控基因表達和各種細胞代謝通路.蛋白質組學研究發(fā)現(xiàn),Ca2+信號通路相關的G蛋白和小G蛋白在H2O2脅迫下發(fā)生變化.在0.6～15 mmol·L-1H2O2處理6 h條件下,水稻葉片中G蛋白和小G蛋白豐度均上升,在15 mmol·L-1H2O2處理5 d條件下,小麥葉片中G蛋白豐度上升[1,3].這兩者豐度上升暗示著G蛋白介導的信號通路受到H2O2脅迫的誘導.

蛋白質可逆磷酸化在植物脅迫信號轉導途徑的開閉與信號級聯(lián)放大過程中具有重要作用.蛋白質組學研究發(fā)現(xiàn),參與調控蛋白質可逆磷酸化過程的核苷二磷酸激酶(NDPK)和14-3-3蛋白都受到H2O2脅迫的影響.NDPK作為一種重要的蛋白激酶,可以利用ATP來維持細胞內CTP、GTP與UTP的正常水平,也參與由H2O2介導的有絲分裂源激活蛋白激酶信號轉導途徑.在3 mmol·L-1H2O2處理5 d條件下,小麥葉片中NDPK豐度下降[1].此外,在3～15 mmol·L-1H2O2處理5 d條件下,小麥葉片中磷酸酶2豐度下降[1].這些變化表明,蛋白質可逆磷酸化過程受到影響.14-3-3蛋白參與G蛋白介導的信號通路中下游事件的調節(jié)過程,如通過調控信號通路中的蛋白質(如:蛋白激酶、磷酸酶、磷脂酶等)的可逆磷酸化調控基因表達,或者通過改變蛋白質(如:谷胱甘肽還原酶、乙烯合成酶、細胞色素P450蛋白)參與的信號轉導、轉錄激活和脅迫防御等過程來參與H2O2脅迫應答.蛋白質組學研究表明,在20 mmol·L-1H2O2處理2 h條件下,二穗短柄草葉片中的14-3-3蛋白豐度下降,而H2O2處理4 h時,二穗短柄草葉片中的14-3-3蛋白豐度上升[18].由此可見,14-3-3蛋白在植物應對H2O2脅迫過程中具有重要意義.

6 H2O2脅迫影響植物氨基酸代謝

谷氨酰胺合成酶(GS)是催化氨轉變?yōu)橛袡C含氮物的主要酶,能將游離氨轉變?yōu)轷０坊鶊F,催化谷氨酸和氨形成谷氨酰胺.蛋白質組學研究發(fā)現(xiàn),在15 mmol·L-1H2O2處理6 h的水稻葉片中GS豐度上升,而H2O2處理5 d的小麥葉片中GS豐度下降[1,3].這表明短時間脅迫下GS豐度上升,啟動積極應答模式,而長時間H2O2脅迫可能會抑制GS表達.半胱氨酸合成酶(CS)參與半胱氨酸的合成,將土壤中的硫同化為半胱氨酸.在0.6～15 mmol·L-1H2O2處理6 h的水稻葉片中CS豐度上升[3].此外,S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS)能合成S-腺苷甲硫氨酸,S-腺苷甲硫氨酸是一種參與甲基轉移反應的輔酶,也是合成谷胱甘肽的轉硫過程和合成多胺的轉氨丙基過程的前體分子,并且還與多種酶的活性有關.蛋白質組學結果表明,3～15 mmol·L-1H2O2處理6 h條件的水稻葉片中SAMS豐度上升[3].這兩種氨基酸合成酶豐度上升表明植物通過加強氨基酸的合成與代謝應對H2O2脅迫.另外,其他氨基酸代謝也受到H2O2的影響.天冬氨酸轉氨酶(AAT)催化谷氨酸鹽與草酰乙酸反應生成天冬氨酸與氧化戊二酸.在10 mmol·L-1H2O2處理8 h條件下,柑橘葉片中AAT豐度下降[19].這表明天冬氨酸的合成過程可能受到H2O2的影響.支鏈氨基酸轉氨酶(BCAT)催化支鏈氨基酸(亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸)發(fā)生可逆的轉氨基作用形成相應的酮酸,再經支鏈氨基酸脫氫酶催化進行不可逆的氧化脫羧反應.異亮氨酸降解為丙酰CoA和乙酰CoA;纈氨酸降解為琥珀酰CoA;分別參加成糖和成酮反應,進入三羧酸循環(huán).蛋白質組學結果表明,9～15 mmol·L-1H2O2處理5 d條件的小麥葉片中BCAT豐度上升,這暗示著支鏈氨基酸代謝受到H2O2脅迫的影響[1].

7 結論與展望

植物葉片是感知H2O2信號的重要器官,研究葉片對H2O2的應答機制具有重要意義.蛋白質組學研究結果為解析植物葉片H2O2應答的分子網絡調控機制提供了新的重要線索(圖1),主要包括:(1)利用G蛋白/小G蛋白介導的多種信號通路與NDPK和14-3-3蛋白共同調控目標蛋白質可逆磷酸化過程感知并傳遞H2O2信號;(2)通過調節(jié)抗氧化酶系統(tǒng)以及合成其他防御物質降低體內過量ROS造成的傷害;(3)通過調整糖類與能量代謝調節(jié)體內能量供應水平;(4)通過轉錄調控、蛋白質翻譯與翻譯后修飾等多個水平的調控來調節(jié)基因表達與蛋白質功能;(5)調整光反應和碳同化相關酶的豐度,抵御H2O2對光合作用的抑制;(6)通過調節(jié)參與氨基酸代謝降低H2O2對植物造成的傷害.

目前,由于受到蛋白質組學研究方法的限制,植物葉片H2O2應答蛋白質組學研究仍存在以下幾點不足:(1)研究對象局限于水稻、小麥、二穗短柄草和柑橘等幾個物種;(2)缺乏對H2O2應答低豐度蛋白質的分析,也缺乏受H2O2影響的蛋白質氧化還原位點的分析;(3)缺乏對H2O2應答蛋白質的分子遺傳學分析.因此,今后需利用修飾組學技術精準分析蛋白質應答H2O2的氨基酸位點,并利用生化與分子生物學技術深入分析蛋白質功能.

圖1 蛋白質組學研究揭示的植物葉片H2O2脅迫應答機制

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(責任編輯:顧浩然,馮珍珍)

H2O2-responsiveproteomicsinplantleaves

Sun Xiaomei1, Yu Juanjuan2, Gao Tianxiang1, Sun Xuwu1, Dai Shaojun1*

(1.Development Center of Plant Germplasm Resources,College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.Alkali Soil Natural Environmental Science Center,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)

Plant leaves are important organ for sensing H2O2signals.This paper analyzes the diverse prote in patterns in plants such asOryzasativa,Triticumaestivum,BrachypodiumdistachyonandCitrusaurantiumunder various H2O2stress conditions.The change of signaling and metabolic pathways (such as photosynthesis,carbohydrate and energy metabolism,transcriptional regulation,protein synthesis and fate,stress and defense,signal transduction,basal metabolism,etc.) when the leaves put in H2O2-responsive networks were clarified.And the molecular regulatory mechanism of response to H2O2stress in plant leaves was expounded as well.

plant; leaf; H2O2-responsive; proteomics

Q 946.1

A

1000-5137(2017)05-0713-07

2017-09-14

上海市科委地方院校能力建設項目(14390502700);上海高校“東方學者”特聘教授項目(2011);上海植物種質資源工程技術研究中心項目(17DZ2252700)

孫曉梅(1993-),女,碩士研究生,主要從事植物逆境蛋白質組學方面的研究.E-mail:1243695179@qq.com

導師簡介: 戴紹軍(1972-),男,教授,博士生導師,主要從事植物蛋白質組學方面的研究.E-mail:daishaojun@hotmail.com

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