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        鹽脅迫下甜菜M14品系膜蛋白的提取和檢驗(yàn)

        2013-10-16 06:13:24李金娜陳思學(xué)李海英
        關(guān)鍵詞:膜蛋白勻漿甜菜

        潘 鈺,李金娜,陳思學(xué),李海英

        (黑龍江大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院;b.黑龍江省普通高等學(xué)校分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心,哈爾濱 150080)

        0 引言

        植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中會(huì)遭遇各種不利環(huán)境因子,如高溫、低溫、干旱和高鹽等。植物感受這些脅迫信號(hào)后通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)抗脅迫相關(guān)蛋白的表達(dá),進(jìn)而調(diào)節(jié)自身的生理狀態(tài)或形態(tài)來(lái)適應(yīng)不利環(huán)境。因此,尋找抗脅迫相關(guān)蛋白(或基因)對(duì)了解植物抗脅迫機(jī)制以及提高植物抗脅迫性能有著十分重要的意義[1-3]。土地鹽堿化是當(dāng)今世界普遍關(guān)注的問(wèn)題之一,鹽脅迫是限制植物生長(zhǎng)、降低植物產(chǎn)量的主要非生物脅迫之一[4-6]。

        植物在受到鹽脅迫時(shí)會(huì)形成一些蛋白質(zhì)或使某些蛋白質(zhì)合成增強(qiáng),稱為鹽脅迫蛋白,膜蛋白質(zhì)組是指在特定條件和特定時(shí)間細(xì)胞中的全部膜蛋白[7]。鹽脅迫作用于植物往往是直接使生物膜受到傷害,膜結(jié)構(gòu)完整性及膜功能受到破壞,細(xì)胞膜系統(tǒng)是植物鹽害的主要部位,其結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞或損傷,進(jìn)而引起一系列生理生化功能的改變,因此深入揭示膜蛋白在響應(yīng)高鹽脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中的作用是非常重要的[8]。

        甜菜M14 品系是在栽培甜菜(BetavulgarisL.)染色體基礎(chǔ)上附加野生白花甜菜(B.corollifloraZoss.)第9號(hào)染色體的單體附加系,具有野生白花甜菜的一些優(yōu)良性狀,如抗逆、無(wú)融合生殖等,同時(shí)克服了野生白花甜菜復(fù)雜的遺傳背景,并且甜菜是典型的鹽生植物,因此它是挖掘野生白花甜菜耐鹽基因及蛋白的良好材料[9-12]。植物抗逆性的研究一直是生物學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。膜蛋白的功能決定了膜的功能,膜蛋白在不同細(xì)胞的生理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。但由于溶解、分離和鑒定的困難性,各種膜蛋白研究方法很難完全解決膜蛋白研究所面臨的問(wèn)題[13]。獲得鹽脅迫下甜菜M14品系差異表達(dá)膜蛋白,不僅可以研究膜蛋白在響應(yīng)高鹽脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中的作用,還能推動(dòng)甜菜抗逆性的研究,而且可廣泛應(yīng)用于其它農(nóng)作物以提高其抗逆性,從而為培育出更優(yōu)良的作物品種奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),這對(duì)改良松嫩鹽堿地、擴(kuò)大甜菜在東北地區(qū)的種植面積具有重要意義。

        本研究以甜菜M14品系為試驗(yàn)材料,利用水培法種植甜菜,以不進(jìn)行鹽脅迫的甜菜為對(duì)照,分別以不同濃度氯化鈉進(jìn)行鹽脅迫處理。提取甜菜葉片及根膜蛋白,進(jìn)行定量并采用Western Blot進(jìn)行膜蛋白的檢驗(yàn),為后續(xù)利用同位素標(biāo)記相對(duì)和絕對(duì)定量(iTRAQ)技術(shù)研究甜菜M14品系鹽脅迫下差異表達(dá)膜蛋白奠定基礎(chǔ)。

        1 材料和方法

        1.1 植物材料

        甜菜M14 品系(Chromosome 9 monosomic addition line ofBetacorollifloraZoss.inBetavulgarisL.,VV+C9,2n=18+1),其染色體組成中除了包含18條栽培甜菜染色體外,還附加有白花甜菜第9號(hào)染色體,種植于黑龍江大學(xué)植物園。

        1.2 植物材料的種植和NaCl處理

        甜菜M14品系的種子經(jīng)乙醇、升汞和福美雙消毒后,播種在蛭石中,保持蛭石濕潤(rùn)。7d 后,將甜菜M14品系幼苗移至含有Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的水培槽中,在光照培養(yǎng)室進(jìn)行培養(yǎng),培養(yǎng)條件為:溫度25℃/20℃day/night,光照強(qiáng)度450μMol/(m2·s),相對(duì)濕度70%,光周期13h/11hlight/dark。播種21d后,將甜菜M14品系幼苗分成3組,分別用含有0(對(duì)照)、200、400 mMol/L NaCl的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液對(duì)甜菜M14品系幼苗進(jìn)行鹽處理,每個(gè)處理組3次重復(fù)。鹽脅迫7d后,甜菜M14品系對(duì)照組和鹽處理組的葉片和根樣品經(jīng)過(guò)液氮速凍后,存放于-80℃冰箱。

        1.3 膜蛋白的分離

        膜蛋白的提取采用Pang[14]的方法稍作改動(dòng),將甜菜M14品系對(duì)照組和鹽處理組的葉片及根約10g分別放入液氮預(yù)冷的研缽中,用研棒在液氮中快速磨成粉末,加入適量液氮,反復(fù)研磨,至葉片完全變成白色的細(xì)微粉末即可;將粉末用3倍體積預(yù)冷的勻漿液(2mMol/L EDTA,50mMol/L Tris,pH8.0,250 mMol/L 蔗糖,2 mMol/L DTT,0.2 mMol/L PMSF,0.6%聚乙烯比咯烷酮)溶解,轉(zhuǎn)移至50mL的離心管中,充分勻漿;4℃,8 000g 離心15 min,取上清,重復(fù)2 次;取上清,4℃,100 000g 離心,棄上清;用100 mMol/L預(yù)冷碳酸鈉重懸浮沉淀,用玻璃勻漿器徹底勻漿,冰上保持20min;4℃,100 000g離心,棄上清;用半濃度勻漿液重懸浮沉淀,玻璃勻漿器勻漿,4℃,100 000 g 離心;沉淀重懸浮于50mMol/L Tris中,玻璃勻漿器勻漿,分裝后存于-20℃。

        1.4 蛋白質(zhì)定量

        使用GE 公司的2D-Quant試劑盒進(jìn)行蛋白質(zhì)定量分析,步驟如下:首先制備工作比色劑,即將100∶1的比色劑A 與比色劑B 相混合,每次測(cè)定時(shí)需要1 mL 工作比色劑;使用2 mg/mL 濃度的BSA 標(biāo)準(zhǔn)溶液制備標(biāo)準(zhǔn)曲線(0~50μg);制備含1~50μL待測(cè)樣品的微型離心管,每個(gè)微型離心管(包括含BSA 標(biāo)準(zhǔn)溶液的離心管)加入500μL沉淀劑,振蕩并在室溫下培育2~3 min;加入500μL共沉淀劑,短暫混勻,離心(至少10 000g離心力)5 min;棄去上清液,簡(jiǎn)單離心,將殘余的上清液收集至管底,用移液器吸去殘余的上清液;每個(gè)管中加入100μL銅溶液和400μL蒸餾水(應(yīng)徹底震蕩混勻,確保沉淀完全溶解),然后每個(gè)管中加入1mL工作比色劑,應(yīng)確保以最快的速度加入,使之與樣本立即混合,室溫下靜置15~20min;采用分光光度計(jì)測(cè)定樣本和標(biāo)準(zhǔn)溶液的480nm 波長(zhǎng)的吸光率,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液蛋白質(zhì)含量的吸光率,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。將樣本與標(biāo)準(zhǔn)曲線比較,得到樣本蛋白質(zhì)濃度。

        1.5 蛋白質(zhì)樣品的Western Blot檢驗(yàn)

        蛋白質(zhì)經(jīng)定量之后,取10 μg 的蛋白進(jìn)行SDS-PAGE;將電泳結(jié)束后的凝膠浸泡于轉(zhuǎn)移緩沖液中10min;剪切1 張與凝膠大小一致的PVDF膜于甲醇中浸泡2min;將膜與6張與膜同大小的Whatman(3mm)濾紙浸入轉(zhuǎn)移緩沖液中20min;組裝轉(zhuǎn)移裝置:陽(yáng)極-海綿-3張3 mm 濾紙-PVDF膜-凝膠-3張3mm 濾紙-海綿-陰極,排除氣泡之后封閉轉(zhuǎn)移裝置,146 mA 恒流轉(zhuǎn)膜2.5h;將轉(zhuǎn)好的膜用PBST 洗3 次后,放于封閉液(TBST+5%脫脂奶粉)中,4℃封閉過(guò)夜;將封閉好的膜與稀釋后的一抗(陽(yáng)性:Aquaporins,1∶1 000,對(duì)照:RbcL,1∶5 000)室溫雜交90min后,用TBST 室溫洗膜3次,每次10min;將膜與稀釋后的二抗(辣根酶標(biāo)記山羊抗兔IgG,1∶5 000)室溫雜交1h 后,用TBST 室溫洗膜4 次,每次10min;用TBS洗膜2 次,每次8 min;用DAB顯色試劑盒避光處顯色20 min,用去離子水洗膜數(shù)分鐘以終止顯色反應(yīng),拍照。每次跑2個(gè)重復(fù)樣品,一塊膠進(jìn)行考馬斯亮藍(lán)染色,一塊膠進(jìn)行轉(zhuǎn)膜雜交。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 鹽脅迫下甜菜M14品系膜蛋白質(zhì)的定量分析

        按照GE 公司的2D-Quant試劑盒的步驟進(jìn)行蛋白質(zhì)定量分析,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)蛋白樣品濃度和吸光度繪制蛋白濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果見(jiàn)圖1。

        圖1 蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of protein

        根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線和待測(cè)蛋白樣品的OD 值,可得出甜菜M14 品系對(duì)照組葉片蛋白濃度分別為1.036、0.595、0.798μg/μL,甜菜M14品系200 mMol/L NaCl處理葉片蛋白濃度分別為2.293 6、1.659 6、1.729 8μg/μL,400mMol/L NaCl處理葉片蛋白濃度分別為1.155 3、1.059 6、1.489 4 μg/μL,處理甜菜M14品系對(duì)照組根蛋白濃度分別為0.761 4、0.715 9、0.545 5 μg/μL,甜 菜M14品系200mMol/L NaCl鹽處理根蛋白濃度分別為1.056 8、1、1.171 2μg/μL。400 mMol/L NaCl處理根蛋白濃度分別為0.956 4、0.568 2、0.853 8μg/μL。

        2.2 鹽脅迫下甜菜M14品系膜蛋白質(zhì)的Western Blot檢驗(yàn)

        以甜菜M14品系葉片可溶性蛋白為對(duì)照,將不同鹽濃度處理甜菜M14品系膜蛋白等量上樣進(jìn)行Western Blot雜交,Aquaporins抗體為質(zhì)膜水通道蛋白,為膜蛋白陽(yáng)性抗體;RbcL 抗體為Rubisco大亞基,為葉片中含量最多的可溶性蛋白,因此可以作為膜蛋白提取純度的檢驗(yàn)。葉片及根膜蛋白SDS-PAGE 凝膠考馬斯亮藍(lán)染色圖譜見(jiàn)圖2,Western Blot鑒定結(jié)果見(jiàn)圖3。

        圖2 蛋白質(zhì)SDS-PAGE考馬斯亮藍(lán)染色凝膠圖譜Fig.2 Coomassie Brilliant blue gel map of protein SDS-PAGE

        由圖2和圖3 可見(jiàn),RbcL 理論分子量為55kDa,在SDS-PAGE考馬斯亮藍(lán)染色凝膠圖譜中及Western Blot印跡結(jié)果中均能看到此條帶,說(shuō)明葉片可溶性蛋白與膜蛋白提取物中均存在Rubisco大亞基蛋白,且可溶性蛋白中此蛋白含量最高,在提取膜蛋白過(guò)程中,通過(guò)用碳酸鈉反復(fù)勻漿可減少膜蛋白中可溶性蛋白的含量,但是要將可溶性蛋白完全除去,目前還比較困難。Aquaporins為水通道蛋白,分為很多種,有PIP1;1,PIP1;2,PIP1;3,其理論分子量為28kDa,由葉片和根的膜蛋白的Western Blot鑒定結(jié)果可見(jiàn),可溶性蛋白都沒(méi)有得到雜交條帶,主要是因?yàn)榭扇苄缘鞍字胁](méi)有大量富集膜蛋白,膜蛋白含量極少,不能被檢測(cè)到;而不同鹽濃度處理的甜菜M14品系葉片和根的膜蛋白均出現(xiàn)陽(yáng)性雜交結(jié)果,說(shuō)明提取的膜蛋白濃度較高。根中不存在葉綠體,因此沒(méi)有Rubisco大亞基蛋白,不能進(jìn)行此蛋白的Western Blot檢驗(yàn)。

        總之,甜菜M14品系葉片及根的膜蛋白提取較為成功,膜蛋白濃度較高,但是純度不能達(dá)到100%,存在可溶性蛋白污染,可進(jìn)行同位素標(biāo)記相對(duì)和絕對(duì)定量(iTRAQ)技術(shù)研究。

        圖3 膜蛋白Western Blot鑒定Fig.3 Western Blotting of membrane protein

        3 討論

        3.1 甜菜M14品系膜蛋白的分離

        由于膜蛋白的疏水性以及在植物組織中的含量相對(duì)較少,提取有著很大的困難,本試驗(yàn)采取超速離心的方法提取甜菜M14品系膜蛋白,獲得的為微粒體膜蛋白,其中包含質(zhì)膜及各個(gè)細(xì)胞器(主要為葉綠體、線粒體、液泡)的膜蛋白,提取膜蛋白所用勻漿液中加入聚乙烯比咯烷酮,可有效去除酚類物質(zhì);而PMSF 是一種蛋白酶抑制劑,可防止蛋白質(zhì)降解。

        3.2 甜菜M14品系膜蛋白的Western Blot檢驗(yàn)

        Western Blot是目前檢驗(yàn)?zāi)さ鞍椎谋容^可行的辦法,本試驗(yàn)所用Aquaporins抗體來(lái)源于蘿卜,RbcL抗體來(lái)源于擬南芥,均非來(lái)源于本試驗(yàn)材料甜菜,說(shuō)明異源抗體也能起到相應(yīng)作用。其中Aquaporins抗體Western Blot鑒定結(jié)果發(fā)現(xiàn)分子量較小的部位也有雜交結(jié)果,可能是由于本試驗(yàn)提取的為微粒體膜蛋白包含多種類似的水通道蛋白,因此均能與抗體結(jié)合出現(xiàn)陽(yáng)性結(jié)果。

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