郭美麗，林 強(qiáng)，李 鋼

(煙臺職業(yè)學(xué)院食品與生化工程系，山東煙臺264670)

植物應(yīng)答核輻射脅迫的分子機(jī)制*

郭美麗，林 強(qiáng)，李 鋼

(煙臺職業(yè)學(xué)院食品與生化工程系，山東煙臺264670)

近30年來發(fā)生的兩次核電站泄漏事故(1986年切爾諾貝利核電站和2011福島核電站)污染了農(nóng)業(yè)用地、危害了生態(tài)環(huán)境，然而當(dāng)?shù)刂参锬軌蛑饾u適應(yīng)輻射脅迫而存活。本文從基因和蛋白水平上綜述了揭示植物耐受適應(yīng)核輻射的分子機(jī)理，以期為核輻射地區(qū)的生態(tài)重建和農(nóng)業(yè)復(fù)耕提供理論基礎(chǔ)。，提升中小工業(yè)企業(yè)的創(chuàng)新能力，促使其多元化發(fā)展，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供新的活力，對中小工業(yè)企業(yè)自身競爭力提升提供重要的制度保障，促使其步入一個(gè)新的成長期。

植物;核輻射;基因組學(xué);蛋白質(zhì)組學(xué)

植物是人類賴以生存的氧氣和食物的重要來源，是維持地球生態(tài)系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)。然而植物在生長、發(fā)育過程中必可避免受到輻射脅迫。這些輻射既來源于宇宙射線也來源于人類生產(chǎn)活動(dòng)。1986年4月26日切爾諾貝利核電站和2011年3月12日福島核電站兩次嚴(yán)重的核泄漏產(chǎn)生氚，氮－16，碘－131和銫－137等大量放射性物質(zhì)，嚴(yán)重的污染了全球農(nóng)田和海域。盡管如此，2005年聯(lián)合國評估切爾諾貝利核輻射地區(qū)動(dòng)植物群正在恢復(fù)，2008年Boubriak等報(bào)道切爾諾貝利核污染區(qū)植物以疣皮樺和月見草為例已經(jīng)逐漸適應(yīng)輻射脅迫［1］。本綜述以蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)揭示植物耐受核輻射的分子機(jī)理，為全面闡述植物耐受輻射機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

電離輻射損傷主要分為急性損傷、慢性損傷和遠(yuǎn)期效應(yīng)型三種，其中上述兩個(gè)核事故屬于急性損傷。電離輻射對于植物影響研究已經(jīng)超過80年，目前研究主要關(guān)注兩個(gè)方面:一是電離輻射對于植物本身影響，例如輻射對不同種植物間影響、輻射對植物育種影響、輻射對植物發(fā)育階段影響、輻射對植物器官形態(tài)影響以及輻射對植物基因組的影響;二是電離輻射輻射參數(shù)對植物影響，例如:不同射線(x射線或者γ射線)對植物影響、輻射劑量對植物影響以及輻射時(shí)間對植物的影響。此外，在植物育種過程中輻照誘變被廣泛用于鑒定和分離目標(biāo)性狀相關(guān)基因。根據(jù)離子單位路徑和能量轉(zhuǎn)移量將電離輻射分為兩種一種是低能線性能量移輻射包括γ輻射和高能線性能量移輻射［2］。γ射線輻照誘變被廣泛應(yīng)用于植物研究，其傾向于大片段的基因組刪除和呈劑量依賴型的線性表型關(guān)系。通常輻射影響植物的生長和發(fā)育，低劑量促進(jìn)植物生長，高劑量損害植物生長。在植物誘變育種過程中，電離輻射導(dǎo)致DNA斷裂的染色體重排，同時(shí)也揭示對基因開放閱讀框的損傷程度依賴于該基因的堿基組成和其在染色體中的定位［3］。

模式植物擬南芥是良好的研究材料。因?yàn)閿M南芥作為研究材料比動(dòng)物更具優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在1.隨著大規(guī)模測序技術(shù)的提高，其全基因組已經(jīng)完成;2.生長周期短;3.子代數(shù)量多;4.不存在倫理問題;5.其基因組編碼人類同源蛋白;6.其基因修復(fù)方式類似哺乳動(dòng)物，能為動(dòng)物研究提供線索。輻射能夠嚴(yán)重?fù)p傷DNA造成DNA斷裂和可遺傳染色體畸變，Zaka等研究發(fā)現(xiàn)豌豆經(jīng)過短期的γ射線造成基因組的不穩(wěn)定，隨著輻射劑量的增加造成減數(shù)分裂異常最終造成雄性不育;過氧化脂類造成損傷，Vanhoudt等對擬南芥幼苗進(jìn)行鈾和γ射線雙重脅迫，結(jié)果顯示雖然南芥幼苗根部中鈾的濃度降低，但是根部長勢良好而葉片中的脂質(zhì)過氧化現(xiàn)象明顯;損傷亞細(xì)胞器(葉綠體、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng))，Wi等［4］報(bào)道葉綠體相對于其他細(xì)胞器對γ射線輻射更加敏感，類囊體腫脹嚴(yán)重，此外線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形態(tài)上也發(fā)生扭曲和膨脹;損傷光合色素，Kim等［5］研究發(fā)現(xiàn)紅辣椒在γ射線輻射下其葉綠素不敏感，而其類胡蘿卜素則隨輻射而發(fā)生含量變化，同時(shí)研究指出類胡蘿卜素是一種既對輻射敏感又能快速恢復(fù)的光合色素，嚴(yán)重影響植物的生長、發(fā)育以及繁育。因此植物應(yīng)對輻射策略包括產(chǎn)生抗氧化物例如花青素和維生素C，同時(shí)相關(guān)抗氧化酶活性相應(yīng)提高例如:過氧化物酶、抗壞血酸過氧化物酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶。上述系列損傷根本原因是電離輻射能夠?qū)λ椛浞纸?，產(chǎn)生羥基自由基造成氧化應(yīng)激觸發(fā)多種抗氧化酶和物質(zhì)的產(chǎn)生，而羥自由基以直接方式和輻射本身以間接方式造成DNA雙鏈斷裂，在DNA修復(fù)過程中同源重組或非同源重組過程中非常容易造成修復(fù)錯(cuò)誤，例如微核的產(chǎn)生，最終造成植物凋亡或者產(chǎn)生可遺傳的突變;產(chǎn)生的ROS已被證實(shí)可以造成擬南芥形態(tài)學(xué)上改變包括新的根毛狀體和根冠的形成或者根莖室的膨脹。

輻射對植物的影響是多方面的，而植物響應(yīng)輻射脅迫涉及多種復(fù)雜因素，為了全面的了解植物應(yīng)答輻射機(jī)制，基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)已被采用目的在于從分子水平解釋應(yīng)答機(jī)理。

1.基因水平輻照響應(yīng)機(jī)制分析

轉(zhuǎn)錄組分析顯示擬南芥在急性輻射脅迫下響應(yīng)方式類似于應(yīng)對重金屬等非生物脅迫，而慢性輻射則沒有類似發(fā)現(xiàn)。擬南芥在γ射線輻射下33種ROS清除基因和42種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)基因表達(dá)發(fā)生了改變，其中包括過氧化物酶3、鐵蛋白1、藍(lán)銅結(jié)合蛋白、交替氧化酶、磷脂酶、鋅指蛋白和鈣結(jié)合蛋白等相應(yīng)基因。Kuchma等［6］利用擴(kuò)增片段長度多態(tài)和微衛(wèi)星標(biāo)志物方法研究切爾諾貝利禁區(qū)的松樹基因突變率，結(jié)果顯示器全基因組范圍發(fā)生了顯著地DNA的損傷。Vornam等［7］對切爾諾貝利核輻射禁區(qū)的松樹過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶基因多態(tài)性進(jìn)行研究，結(jié)果顯示上述兩種抗氧化酶基因均產(chǎn)生高度核苷酸多態(tài)現(xiàn)象。Kovalchuk等［8］對切爾諾貝利地區(qū)赤松基因組進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)赤松基因組DNA發(fā)生明顯的超甲基化，作者認(rèn)為基因組超甲基化修飾可能是其適應(yīng)了核輻射地區(qū)的生存環(huán)境的分子機(jī)制，顯然基因組的超甲基化和輻射敏感性之間存在一定關(guān)聯(lián)。Kovalchuk等［9］對生活在切爾諾貝利地區(qū)的小麥其6個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)發(fā)生缺失或插入的胚系突變，其突變模式極端復(fù)雜，驗(yàn)證了在切爾諾貝利核輻射區(qū)小麥繁殖后代中發(fā)現(xiàn)DNA重復(fù)和微衛(wèi)星序列缺失涉及13個(gè)單拷貝的單態(tài)位點(diǎn)。Kovalchuk等［10］研究稱切爾諾貝利電站附近核輻射地區(qū)的擬南芥已對高濃度誘變劑和甲基甲烷磺酸產(chǎn)生抗性，可能輻射適應(yīng)性的增加和誘變劑抗體的增加兩者間存在一定關(guān)聯(lián)。Kim等［11］通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)研究擬南芥繁育期蓮座葉對離子輻射的響應(yīng)。擬南芥播種后33天，200Gy劑量γ射線照射擬南芥1到13天不等?；蚪M顯著差異表達(dá)出現(xiàn)在照射第9天。共鑒定到2165個(gè)上調(diào)表達(dá)基因和1735個(gè)下調(diào)表達(dá)基因。功能分析顯示防御和脅迫響應(yīng)類基因表達(dá)上調(diào)，而生長發(fā)育類基因表達(dá)下調(diào)。該研究進(jìn)一步通過實(shí)時(shí)定量PCR驗(yàn)證了抗氧化、光合作用和葉綠素合成相關(guān)基因在擬南芥繁育期表達(dá)量。Rakwal等［12］通過基因芯片技術(shù)研究碳離子束對于水稻生理和生長發(fā)育的影響。在270Gy劑量照射下353個(gè)基因表達(dá)上調(diào)而87個(gè)基因表達(dá)下調(diào)。功能分類顯示這些差異表達(dá)基因多與信號加工處理，細(xì)胞加工和代謝相關(guān)并通過實(shí)時(shí)定量PCR對上述結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。Kim等［13］整合了轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)揭示了電離輻射響應(yīng)的蛋白質(zhì)。該研究發(fā)現(xiàn)電離輻射初期大量轉(zhuǎn)錄組基因表達(dá)水平發(fā)生改變，但是隨著電離輻射去除后回復(fù)時(shí)間的延長，只有少量基因表達(dá)水平依然呈顯著差異狀態(tài)，而大部分先前差異基因表達(dá)水平已經(jīng)回復(fù)原本狀態(tài)。最終該研究認(rèn)為4個(gè)基因?qū)儆陔婋x輻射響應(yīng)可信可重復(fù)驗(yàn)證的標(biāo)志物。Ghoshal等［14］通過蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)聯(lián)用技術(shù)揭示由于電離輻射或金屬鉻誘發(fā)氧化應(yīng)激最終造成金屬硫蛋白基因表達(dá)的分子機(jī)制。該研究結(jié)果顯示金屬硫蛋白基因在重金屬抗性和平衡脅迫應(yīng)激過程中發(fā)揮重要作用。

2.蛋白水平輻照響應(yīng)機(jī)制分析

為了豐富基因組學(xué)研究結(jié)果，蛋白質(zhì)組學(xué)被用于植物適應(yīng)輻照生理機(jī)制的研究。Gicquel等［15］基于蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)分析擬南芥根和蓮座葉在亞致死劑量輻射下蛋白質(zhì)表達(dá)量變化。通過二維電泳進(jìn)行不同輻照劑量0，10和40Gy在不同輻照時(shí)間2，24和72小時(shí)下的蛋白動(dòng)態(tài)變化趨勢。電泳譜圖顯示總共有172個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)其中包括145個(gè)葉片蛋白點(diǎn)和27個(gè)根部蛋白點(diǎn)差異顯著，經(jīng)基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜鑒定到144種蛋白質(zhì)其中包括118種葉片蛋白質(zhì)和26種根部蛋白質(zhì)。在高劑量輻照下的蛋白質(zhì)差異水平顯著高于低劑量照射。該研究工作證實(shí)了擬南芥蛋白差異表達(dá)依賴于輻照劑量和輻照時(shí)間雙重因素。Danchenko等［16］通過高通量的蛋白質(zhì)組學(xué)方法揭示切爾諾貝利核污染地區(qū)的成熟大豆種子適應(yīng)輻照脅迫的分子機(jī)制。該研究通過二維電泳和質(zhì)譜聯(lián)用的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)比較核污染區(qū)和非核污染區(qū)大豆成熟種子蛋白組成差異。結(jié)果顯示64個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)具有顯著性差異。質(zhì)譜分析表明差異表達(dá)的蛋白涉及六種功能分類。第一大類與蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)和貯藏有關(guān)，第二大類與疾病和防御相關(guān)。該研究提出種子增加的重金屬脅迫抗性，防止輻射損傷，并動(dòng)員種子貯藏蛋白均參與植物對切爾諾貝利放射性地區(qū)的適應(yīng)機(jī)制。Klubicová等［17］通過二維電泳和生物質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析比較切爾諾貝利核輻射區(qū)域亞麻種子和非輻射區(qū)亞麻種子之間的蛋白表達(dá)差異。研究發(fā)現(xiàn)該植物的生長并未受到核輻射的影響該大幅度的改變蛋白質(zhì)的表達(dá)。雙向電泳中顯色的720個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)中只有少于5%的蛋白點(diǎn)表達(dá)量有差異。通過質(zhì)譜鑒定到28種蛋白質(zhì)。該研究結(jié)果顯示切爾諾貝利核污染區(qū)的植物很能已經(jīng)適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐妮椛涿{迫，對于植物本身很能恢復(fù)到原有狀態(tài)。Klubicová等［18］通過蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)進(jìn)一步長期監(jiān)測切爾諾貝利核污染區(qū)亞麻種子的蛋白質(zhì)組成。目的在于評估現(xiàn)在切爾諾貝利地區(qū)是否適合進(jìn)行農(nóng)業(yè)復(fù)耕。該研究定量了318個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)。除了鑒定到與種子儲存相關(guān)蛋白以外，還鑒定到與主要代謝相關(guān)的82個(gè)蛋白質(zhì)。此外還深入研究了切爾諾貝利地區(qū)不同發(fā)育階段的亞麻種子的差異蛋白質(zhì)組學(xué)。研究發(fā)現(xiàn)379個(gè)蛋白點(diǎn)在雙向電泳譜圖中顯色。102種蛋白質(zhì)得到了鑒定，這些蛋白質(zhì)功能分類顯示屬于11個(gè)大類。其中糖代謝酶類蛋白隨著種子發(fā)育表達(dá)量逐漸降低。2012年Klubicová等［19］發(fā)表了后續(xù)系列報(bào)道:研究發(fā)現(xiàn)在切爾諾貝利輻射地區(qū)生長和繁育大豆種子的蛋白質(zhì)組學(xué)研究結(jié)果揭示其適應(yīng)環(huán)境的機(jī)制。結(jié)果顯示可育種子的植物油和b－伴大豆球蛋白含量明顯減低。大豆種子在開花后的第4，5，6周收獲。比較切爾諾貝利輻射區(qū)和非輻射區(qū)的成熟大豆種子的差異蛋白質(zhì)組學(xué)，211種蛋白質(zhì)被定量。結(jié)果支持了先前研究發(fā)現(xiàn)，即大豆種子改變了蛋白表達(dá)水平以適應(yīng)重金屬脅迫同時(shí)增加了對種子貯存蛋白的動(dòng)員。該研究結(jié)果也表明這些變化涉及細(xì)胞質(zhì)和質(zhì)體碳代謝的調(diào)整，其增加了三羧酸循環(huán)水平同時(shí)降低了脂肪酸生物合成過程中丙二酰?；D(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)量。為了提供有價(jià)值的信息揭示植物種子是如何永久性適應(yīng)離子輻射地區(qū)的生存環(huán)境，Klubicová等［20］建立了切爾諾貝利種子蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫(http://www.chernobylproteomics.sav.sk)，該數(shù)據(jù)庫包含了幾百種該地區(qū)植物種子蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)。

3.結(jié)語

植物響應(yīng)輻射脅迫以及對輻射脅迫的適應(yīng)是多層次多機(jī)制，本綜述從基因組和蛋白質(zhì)組兩個(gè)方面闡述植物應(yīng)答輻射脅迫的分子機(jī)理，以其為切爾諾貝利核污染區(qū)和福島核污染區(qū)的災(zāi)后生態(tài)重建和農(nóng)業(yè)復(fù)耕提供理論基礎(chǔ)。盡管2005年聯(lián)合國對切爾諾貝利地區(qū)現(xiàn)狀作出了初步的評估，認(rèn)為該區(qū)域正在逐步恢復(fù)。但是筆者認(rèn)為核污染的半衰期較長，僅靠幾十年的觀察難以得到全面的結(jié)論，因此對于核輻射污染區(qū)的監(jiān)測應(yīng)該是長期長效，不僅為人類生產(chǎn)活動(dòng)警鐘長鳴，而且最終為推動(dòng)人與自然和諧發(fā)展發(fā)揮應(yīng)有的作用。

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M olecular M echanism of Plant Adaption toIrradiation Stress

GUO Mei－li，LIN Qiang，LIGang
(Department of Food and Biochemistry Engineering，Yantai Vocational College，Yantai264670，China)

In recent30 years the two nuclear accidents(1986 Chernobyl nuclear power plant and 2011 Fukushima nuclear power plant)polluted agricultural land and ecological environment，but local plants can gradually adapt to irradiation stress and survive.This review based on gene and protein aimed to reveal the molecular mechanism of plant resistance to radiation and to provide theoretical basis for ecological reconstruction and agricultural planting in the contaminated areas.

plant;irradiation;genomics;proteome

Q945

A

1673－5382(2014)01－0078－04

(責(zé)任編輯 張明亮)

2014－01－02

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號:ZR2010CQ024);山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號:J10LC72).

郭美麗(1978－)，女，山西陽城人，煙臺職業(yè)學(xué)院講師，碩士.