劉海臣，楊文軍，張春蘭，霍紅雁，王 瀾，張繼星

(內(nèi)蒙古民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028042)

非生物脅迫下植物根系的蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)展

劉海臣，楊文軍，張春蘭，霍紅雁，王 瀾，張繼星*

(內(nèi)蒙古民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028042)

非生物脅迫是制約植物生長(zhǎng)發(fā)育、影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵因素，探討非生物脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響是研究植物抗逆機(jī)制的重要內(nèi)容之一，對(duì)于開展逆境脅迫耐受性植物育種有著重要意義。綜述了植物根系在非生物脅迫下蛋白質(zhì)組學(xué)的研究進(jìn)展，探討了非生物脅迫下植物根系蛋白質(zhì)水平的動(dòng)態(tài)變化，描述了特定蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)應(yīng)答機(jī)制，并對(duì)非生物脅迫下植物根系的蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)行了展望。

蛋白質(zhì)組學(xué); 非生物脅迫; 根系; 應(yīng)答反應(yīng)

自然界中的植物經(jīng)常遇到各種不良環(huán)境條件，如干旱、洪澇、低溫、高溫、鹽漬以及病蟲侵染等，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，甚至導(dǎo)致植物死亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年世界主要農(nóng)作物產(chǎn)量損失的50%與非生物脅迫有關(guān)，而與病蟲害等生物脅迫相關(guān)的農(nóng)作物產(chǎn)量損失還不到20%。處于脅迫條件下的植物會(huì)通過改變相關(guān)代謝途徑來應(yīng)答不良環(huán)境，最終適應(yīng)脅迫。植物非生物脅迫作用一般發(fā)生在不同器官上，其中以根部發(fā)生最為重要。在正常生長(zhǎng)條件下，根系從土壤中吸收水分和養(yǎng)分并運(yùn)輸?shù)降厣喜糠?，從而維持細(xì)胞動(dòng)態(tài)平衡。但是，當(dāng)根系在逆境脅迫條件下，這種平衡就會(huì)發(fā)生改變，這些改變包括分子、細(xì)胞和表型的變化。植物根系感受這些逆境信號(hào)后，通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)抗逆性相關(guān)蛋白質(zhì)的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)整自身的生理狀態(tài)或形態(tài)來提高對(duì)逆境的耐受能力[1-4]。

由于涉及抗逆表達(dá)的蛋白質(zhì)種類繁多，目前尚缺乏對(duì)其全面的研究。隨著蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們利用該技術(shù)對(duì)蛋白質(zhì)表達(dá)的種類、豐度、修飾狀況、蛋白質(zhì)之間的相互作用和蛋白質(zhì)復(fù)合體組成進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，從而為研究非生物脅迫下植物根系的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制、植物響應(yīng)脅迫的機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

基于前人的研究成果，綜述了植物根系在非生物脅迫下蛋白質(zhì)組學(xué)的研究進(jìn)展，探討了非生物脅迫下植物根系蛋白質(zhì)水平的動(dòng)態(tài)變化，描述了特定蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)應(yīng)答機(jī)制，最后對(duì)非生物脅迫下植物根系的蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)行了展望，以期為深入了解植物抗逆反應(yīng)機(jī)制及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。

1 干旱脅迫下植物根系的蛋白質(zhì)組學(xué)研究

干旱是影響植物新陳代謝和植物生長(zhǎng)發(fā)育的非生物脅迫因子之一，根系作為植物吸水的主要器官，在干旱脅迫應(yīng)答中起著非常重要的作用。過去十幾年，人們廣泛采用比較蛋白質(zhì)組學(xué)的方法研究根系參與抗旱應(yīng)答的機(jī)制，并對(duì)各種抗旱應(yīng)答的功能性蛋白質(zhì)進(jìn)行了比較和分析。據(jù)報(bào)道，大豆[5]、野西瓜[6]和油菜[7]在干旱處理1 d后，根部出現(xiàn)豐富的碳、氮代謝相關(guān)蛋白質(zhì)，如端粒酶、蘋果酸脫氫酶、α-甘露糖苷酶、UDP-糖焦磷酸化酶、NADP-蘋果酸酶、葡萄糖磷酸和UDP-葡萄糖-6-磷酸脫氫酶等，這表明在脅迫期間根系釋放了能量從而使細(xì)胞間的活動(dòng)得到了加強(qiáng)。此外，Yoshimura等[6]觀察到，根生長(zhǎng)相關(guān)的小G蛋白家族成員豐度減少，根的生長(zhǎng)速度有所增加。Ashoub等[8]報(bào)道在干旱脅迫下，大麥可以合成并儲(chǔ)存高水平的滲透劑和跨膜水通道蛋白。在干旱脅迫過程中，光合電子傳遞鏈明顯受到抑制，活性氧(ROS)增多。ROS清除劑在干旱條件下被誘導(dǎo)產(chǎn)生，包括從蛋白質(zhì)組研究中觀察到的脫水蛋白、脫氫抗壞血酸還原酶、醌還原酶、α-谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶，這些在大豆[9]、野西瓜[6]、番茄[10]、向日葵[11]和其他植物物種[12]的研究中都有觀察到。此外，干旱脅迫下在糖用甜菜[13]、小麥[14]和野西瓜[6]的根部檢測(cè)到一些分子伴侶，如HSP70、HSP60、GroEL等熱休克蛋白。Saibil等[15]指出，這些熱休克蛋白通過防止非活性蛋白質(zhì)的聚集和折疊來保護(hù)根部細(xì)胞。

一些蛋白質(zhì)組學(xué)研究的數(shù)據(jù)表明，不同植物根部應(yīng)答干旱脅迫機(jī)制基本相似；如果干旱條件解除，植物進(jìn)入恢復(fù)階段，其特征通過蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)來檢測(cè)也表現(xiàn)出相似性。例如，Mohammadi等[5]在干旱條件解除后的大豆幼苗中觀察到肌動(dòng)蛋白異構(gòu)體水平的增加，肌動(dòng)蛋白可以參與或修復(fù)破損細(xì)胞膜。在干旱解除的恢復(fù)階段，根細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變。其中，在干旱誘導(dǎo)的野生西瓜[6]和玉米[16]根系中，參與木質(zhì)素生物合成的咖啡酰輔酶A-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(CCoAOMT)和過氧化物酶(POD)活性增強(qiáng)。Yoshimura等[6]認(rèn)為，木質(zhì)素的增加可以增強(qiáng)細(xì)胞壁的硬度，防止土壤中根的干枯。此外，細(xì)胞壁特性的改變可以防止細(xì)胞脫水，從而增強(qiáng)植物抗旱能力。

2 鹽脅迫下植物根系的蛋白質(zhì)組學(xué)研究

鹽脅迫通常會(huì)對(duì)植物造成離子失衡、氧化脅迫與滲透脅迫等傷害，鹽濃度過高甚至?xí)?dǎo)致植物死亡。根是感知外界鹽脅迫信號(hào)的首要器官，因此根能夠迅速對(duì)鹽脅迫作出反應(yīng)。隨著蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，Zhao等[17]利用該技術(shù)檢測(cè)到了許多在鹽脅迫初期參與信號(hào)感知的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)包括質(zhì)膜受體或細(xì)胞質(zhì)內(nèi)受體、G蛋白、Ca2+信號(hào)傳導(dǎo)蛋白或Ca2+結(jié)合蛋白、磷酸化激酶、乙烯受體。另外，Zhang等[18]分離得到了水稻根的受體蛋白激酶。Wang等[19]分離得到了小麥根的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β受體相互作用蛋白。Guo等[20]在小麥、擬南芥屬中和Zhang等[18]在水稻中發(fā)現(xiàn)，小分子GFP結(jié)合蛋白通過高鹽也得到了誘導(dǎo)。Z?rb等[21]在高鹽脅迫過程中檢測(cè)到了與Ca2+相關(guān)的信號(hào)蛋白如鈣調(diào)蛋白和鈣黏蛋白。此外，鹽應(yīng)答的級(jí)聯(lián)反應(yīng)蛋白激酶在水稻[18]、小麥[19]、玉米[21]、野生番茄[22]、豌豆[23]和匍匐翦股穎[24]的根部被激活，如曾祥然等[25]研究發(fā)現(xiàn)，水稻OsRNS4在鹽脅迫條件下表達(dá)上調(diào)，并認(rèn)為其可能在鹽脅迫應(yīng)答過程中發(fā)揮作用，其他RNase T2蛋白質(zhì)的表達(dá)大多隨鹽脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。在鹽脅迫的應(yīng)答過程中，根會(huì)觸發(fā)一些細(xì)胞和分子事件，如改變碳水化合物代謝和能量代謝、改變離子的膜轉(zhuǎn)運(yùn)和平衡、清除ROS、使細(xì)胞骨架重組和細(xì)胞壁重構(gòu)。

在高鹽條件下，碳水化合物和能量代謝的改變涉及到糖酵解、三羧酸循環(huán)、電子傳遞鏈和ATP合成等高豐度酶的參與。Guo等[20]檢測(cè)到許多植物根部在高鹽脅迫下NADH脫氫酶、細(xì)胞色素C氧化酶和ATP合酶豐度增加。另外，高鹽脅迫下，在水稻[26]、小麥[19]、玉米[21]、番茄[22]、豌豆[23]、黃瓜[27]根部也可以觀察到大量的糖酵解酶。據(jù)蛋白質(zhì)組學(xué)研究報(bào)道，擬南芥[20]、水稻[26]、小麥[19]、野生番茄[22]、豌豆[23]以及黃瓜[27]中TCA循環(huán)酶有相似的增加趨勢(shì)，包括丙酮酸脫氫酶、二氫硫核苷酸酶、順烏頭酸水合酶等。這些初級(jí)代謝相關(guān)酶含量的增加，表明充足的能源是根適應(yīng)高鹽環(huán)境的主要條件。

眾所周知，鹽脅迫會(huì)增加根的Na+/K+比率，導(dǎo)致細(xì)胞脫水和離子失衡。為了防止細(xì)胞脫水和維持離子動(dòng)態(tài)平衡，植物根系會(huì)激活許多機(jī)制來減少Na+進(jìn)入。這些方法都是通過改變離子通道、V-ATP酶和鹽應(yīng)答轉(zhuǎn)運(yùn)子來實(shí)現(xiàn)的。與Na+/K+比率平衡相一致，Wang等[19]觀察到小麥根的電壓門控型鉀通道蛋白(VGPC)的豐度得到增強(qiáng)，Z?rb等[21]在玉米中和Zhou等[22]在野生西紅柿中觀察到電壓依賴性陰離子通道蛋白(VDAC)增加，而Wang等[19]檢測(cè)到小麥根環(huán)狀核苷酸通道蛋白的水平降低。在鹽脅迫下，大部分蛋白質(zhì)組學(xué)研究中觀察到根部的V-ATP酶亞單位被誘導(dǎo)產(chǎn)生，其中包含玉米[21]和黃瓜[27]的2個(gè)V-ATP酶亞單位A，水稻[26]、小麥[19]、豌豆[23]以及糖用甜菜的ATP酶亞單位E的5個(gè)同分異構(gòu)體[20]。Wang等[19]指出，小麥根ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子在鹽脅迫下含量增多。另外，通過蛋白質(zhì)組學(xué)鑒定,鹽脅迫期間幾種膜相關(guān)蛋白質(zhì)，如膜聯(lián)蛋白、多肽和膜類固醇結(jié)合蛋白，都能夠平衡膜的離子梯度。

Miller等[28]還檢測(cè)到植物在高鹽脅迫下由于水分缺乏，ROS含量增加。因此，不同的ROS清除劑會(huì)達(dá)到較高水平，以減少過量的ROS。在對(duì)鹽敏感物種如擬南芥[20]、小麥[19]、野生番茄[22]、豌豆[23]、黃瓜[27]、鹽芥[22]、剪股穎[24]的研究中顯示，作為指示ROS清除的關(guān)鍵酶,超氧化物歧化酶(SOD)的含量增多。過氧化氫酶(CAT)在大麥根[29]和黃瓜根[27]鹽脅迫7 d后被發(fā)現(xiàn)失活。相反，在玉米[21]、黃瓜[27]、鹽芥[22]、水稻[26]和野生番茄[22]的根部POD和硫氧還蛋白受鹽脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生。這些發(fā)現(xiàn)均表明，在上述酶的保護(hù)下，根系細(xì)胞可以避免鹽脅迫的氧化損傷。

在高鹽脅迫的恢復(fù)階段，細(xì)胞骨架和細(xì)胞壁組分通常會(huì)發(fā)生改變，以維持細(xì)胞內(nèi)滲透壓平衡?；竟羌芙M分如肌動(dòng)蛋白[24]、微管蛋白[30]和其他細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白質(zhì)如一些肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白(ABPs)[31]、驅(qū)動(dòng)蛋白[32]、肌球蛋白以及木葡聚糖糖苷酶(XET)的水解酶[21]在鹽脅迫的恢復(fù)過程中豐度發(fā)生了改變。此外據(jù)報(bào)道，細(xì)胞骨架和細(xì)胞壁組分的改變也與鹽脅迫有關(guān)，如在鹽脅迫下由微管蛋白和P型ATP酶共同遷移控制的細(xì)胞擴(kuò)增方式發(fā)生了改變。另外，植物根的表型也有一些變化，弋良朋等[33]研究表明，隨著鹽濃度的增加，根冠比減小的幅度增大，不同鹽分條件下的根冠比與鹽濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。孫鋒等[34]指出，鹽脅迫組的幼苗根系主根稍細(xì)，側(cè)根很少。

3 洪澇脅迫下植物根系的蛋白質(zhì)組學(xué)研究

發(fā)生強(qiáng)降雨或持續(xù)降雨時(shí)，排水不良的土壤易發(fā)生洪澇災(zāi)害，洪澇對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，尤其是在早期生長(zhǎng)階段。大豆、小麥、大麥和玉米屬于洪澇敏感性植物，而水稻是洪澇耐受性植物。由于洪澇脅迫下易形成缺氧環(huán)境，進(jìn)而影響植物有氧呼吸，因此Hossain等[35]認(rèn)為，植物會(huì)通過無氧呼吸導(dǎo)致ATP的富集和NAD+的大量再生。Nanjo等[36]認(rèn)為，在這種缺氧情況下，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)翻譯過程需要很多能量，所以蛋白質(zhì)合成受阻。為了應(yīng)對(duì)洪澇脅迫，植物需要在基因表達(dá)和蛋白質(zhì)水平上作出應(yīng)答。洪澇脅迫下的植物蛋白質(zhì)組學(xué)研究已經(jīng)鑒定了許多差異調(diào)節(jié)蛋白，這為深入了解洪澇脅迫應(yīng)答機(jī)制提供了部分證據(jù)。根部應(yīng)答洪澇脅迫的早期會(huì)使參與初級(jí)代謝和次級(jí)代謝的相關(guān)蛋白質(zhì)的豐度發(fā)生改變。例如，Nanjo等[36]研究觀察到糖類初級(jí)代謝的幾類蛋白質(zhì)(UDP-葡萄糖脫氫酶、UGP、β-葡糖苷酶)可以在洪澇脅迫下誘導(dǎo)產(chǎn)生。相反，酚類合成酶，如ISO類黃酮合成酶、二氫還原酶、丙氨酸氨解酶、6-羥基酮合成酶的豐度則降低。同時(shí)，Nanjo等[36]在大豆幼苗中發(fā)現(xiàn)，次生代謝相關(guān)蛋白質(zhì)，如腺苷甲硫氨酸合成酶、咖啡酸-3-O-甲基轉(zhuǎn)移酶在洪澇脅迫下也降低。這些酶是苯丙烷類傳導(dǎo)途徑的相關(guān)成分，其豐度下降能夠抑制色素沉淀。

洪澇脅迫下植物產(chǎn)生的另一個(gè)變化是細(xì)胞壁合成減少。例如，Nanjo等[36]研究發(fā)現(xiàn)，洪澇脅迫下，在大豆幼苗根部細(xì)胞壁中的鼠李糖合酶豐度減少。對(duì)小麥根部細(xì)胞壁蛋白質(zhì)組學(xué)的相關(guān)研究表明，根部甲硫氨酸合酶、α-1-3葡聚糖酶，α-葡萄糖苷酶的豐度都發(fā)生下調(diào)，這說明小麥根通過協(xié)調(diào)甲硫氨酸同化和細(xì)胞壁水解來限制細(xì)胞生長(zhǎng)。這些數(shù)據(jù)均表明，在洪澇條件下，根系會(huì)抑制細(xì)胞壁合成以減少能源消耗。另一方面，Kong等[37]指出，細(xì)胞壁多糖水解的限制有助于保持細(xì)胞壁內(nèi)的碳水化合物水平以維持植物存活。

缺氧狀態(tài)時(shí)ROS的產(chǎn)生會(huì)受到限制，因此，ROS清除劑，如POD、抗壞血酸過氧化物酶(APX)和SOD在洪澇脅迫下豐度會(huì)降低。涉及蛋白質(zhì)水解、蛋白質(zhì)折疊的相關(guān)蛋白質(zhì)豐度會(huì)變高，這表明它們可能參與清除那些誘導(dǎo)損傷的非活性蛋白質(zhì)。Kong等[37]研究發(fā)現(xiàn),小麥根部的疾病防御性蛋白，如糖化多肽、α淀粉酶、α枯草桿菌蛋白酶抑制劑和幾丁質(zhì)酶的豐度均在洪澇脅迫下得到增加。其中，α淀粉酶、α枯草桿菌蛋白酶抑制劑除了防御非生物脅迫，還能抵御生物脅迫[38-39]。這些參與蛋白質(zhì)折疊和降解的蛋白質(zhì)在根部豐度變高，表示植物在逆境條件下會(huì)立即進(jìn)行應(yīng)答反應(yīng)。

同樣，Salavati等[40]和Doty等[41]通過蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)研究根系在洪澇脅迫后的恢復(fù)階段發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞骨架相關(guān)的蛋白質(zhì)，如肌動(dòng)蛋白異構(gòu)體，在洪澇脅迫后豐度增強(qiáng)，這表明細(xì)胞壁擴(kuò)展會(huì)支持植物根部伸長(zhǎng)。另外，Chen等[42]觀察到，在根部恢復(fù)期間，通過dDTP-葡萄糖-4-6-脫水反應(yīng)產(chǎn)生的脫氧糖可以促使細(xì)胞壁的生物合成。Sengupta等[43]研究發(fā)現(xiàn)，在洪澇脅迫時(shí)相關(guān)的次級(jí)代謝蛋白，如蛋白質(zhì)-S-腺苷甲硫氨酸合成酶的豐度降低，但是在恢復(fù)期豐度上升，這表明它們?cè)诤闈趁{迫過程中會(huì)促進(jìn)代謝以克服洪澇影響。Salavati等[40]研究發(fā)現(xiàn)，信號(hào)分子的蛋白質(zhì)水平如磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白或PEBPs在洪澇恢復(fù)階段也會(huì)得到增強(qiáng)。這類蛋白質(zhì)參與多種信號(hào)通路的調(diào)節(jié)，控制細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化，其在恢復(fù)過程中逐漸減少，表明這些蛋白質(zhì)參與植物恢復(fù)。此外，在洪澇脅迫恢復(fù)階段，從頭合成蛋白得到激活，并具有肽基-高溫分解反異構(gòu)酶活性。

4 低溫脅迫下植物根系的蛋白質(zhì)組學(xué)研究

低溫脅迫是影響植物生長(zhǎng)的主要非生物脅迫因子之一。Thomashow等[44]指出，為了應(yīng)對(duì)低溫脅迫，植物會(huì)通過激活初級(jí)代謝產(chǎn)生更多能量，提高抗氧化劑和分子伴侶的豐度水平，并通過改變膜結(jié)構(gòu)，維持滲透壓平衡。對(duì)低溫耐受和敏感植株的比較蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了一些植物應(yīng)答低溫脅迫以及從中恢復(fù)的機(jī)制。例如，Lee等[45]和Trejo-Téllez 等[46]觀察到，在低溫處理水稻24～72 h后，水稻根系一些代謝相關(guān)蛋白質(zhì)的豐度增強(qiáng)。其中包括碳水化合物代謝酶，如磷酸葡糖酸脫氫酶、NADP異檸檬酸脫氫酶、果糖和胞質(zhì)蘋果酸脫氫酶。此外，丙酮酸磷酸二激酶的前體、順烏頭酸水合酶、甘氨酸脫氫酶和烯醇化酶豐度也在低溫脅迫處理下增強(qiáng)。其中丙酮酸磷酸二激酶負(fù)責(zé)生產(chǎn)磷酸烯醇式丙酮酸酶，磷酸烯醇式丙酮酸酶是二氧化碳的初級(jí)受體；而烏頭酸、甘氨酸脫氫酶、烯醇酶分別參與三羧酸循環(huán)、光呼吸和糖酵解。同樣，在低溫脅迫下腺苷酸激酶蛋白豐度增強(qiáng)，表明ATP合酶合成和能量代謝增強(qiáng)。此外，Hashimoto等[47]指出，低溫脅迫下水稻根系內(nèi)肽基異構(gòu)酶CYP2和半胱氨酸蛋白酶會(huì)得到積累。總之，這些結(jié)果表明，低溫脅迫的植物需要激活代謝途徑來產(chǎn)生能量。

Hashimoto等[47]通過水稻根系的定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析還發(fā)現(xiàn)，在低溫脅迫條件下，與細(xì)胞膜通透性和膜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)蛋白質(zhì)的水平得到提高。Konopka-Postupolska等[48]指出，膜聯(lián)蛋白是調(diào)節(jié)離子通道活性和磷酸化脂類代謝的重要蛋白質(zhì)。因此，高豐度的膜聯(lián)蛋白可以防止?jié)B透失衡所帶來的影響。Nadimpalli等[49]指出，過敏反應(yīng)蛋白質(zhì)家族是一類結(jié)構(gòu)相似蛋白質(zhì)，它們能調(diào)控離子通道活性，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂、滲透平衡和細(xì)胞死亡過程等。這個(gè)家族內(nèi)蛋白質(zhì)豐度的增高是低溫脅迫的一個(gè)應(yīng)答反應(yīng)。此外，Degand等[50]還觀察到其他蛋白質(zhì)也參與了低溫脅迫應(yīng)答反應(yīng)，例如脫水蛋白、25 ku脫水素樣蛋白、ERD14蛋白、低溫特異性蛋白15(CAS15)在菊苣根部得到鑒定。脫水蛋白、25 ku的脫水素樣蛋白和ERD14蛋白屬于脫水蛋白家族，可以聯(lián)合其他大分子形成絡(luò)合物保護(hù)細(xì)胞免受凍害。Pennycooke 等[51]指出，CAS15蛋白含有特性脫水鉀硫鏈段，從而可以像脫水蛋白一樣提高植物的抗寒性。另一方面，低溫脅迫會(huì)使植物產(chǎn)生ROS引起細(xì)胞的氧化損傷。如，Lee等[45]檢測(cè)到草酰輔酶A脫羧酶在低溫脅迫下的水稻根中更加豐富。這種酶會(huì)通過氧化反應(yīng)使草酸脫羧產(chǎn)生大量ROS。Urzúa等[52]指出，根部細(xì)胞產(chǎn)生的羥基或酯基與H2O2相互作用產(chǎn)生ROS。為了減少ROS的積累，根部細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一些抗氧化劑。如，Lee等[45]在低溫脅迫下的菊苣根中發(fā)現(xiàn)了非生物因子誘導(dǎo)的ROS清除劑，如SOD、CAT和APX。

此外，熱休克蛋白在低溫脅迫下豐度會(huì)增高，其在水稻根[31]、菊苣[50]、玉米[53]等植物中都得到證實(shí)，其中HSP70家族最豐富，這些蛋白質(zhì)主要是作為分子伴侶防止蛋白質(zhì)的聚集變性以及促進(jìn)蛋白質(zhì)復(fù)性[45]。另外，Hashimoto等[47]發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下水稻根部有一個(gè)帶有分子伴侶活性的Ca2+蛋白前體。Dumont等[54]在低溫脅迫下的豌豆根中檢測(cè)到了蛋白異構(gòu)酶和抗病性蛋白，表明根部防御性相關(guān)通路被激活以抵御低溫脅迫。

5 小結(jié)與展望

通過非生物因子脅迫下對(duì)植物的蛋白質(zhì)組學(xué)研究，人類了解了一些參與非生物脅迫應(yīng)答蛋白質(zhì)的重要信息，發(fā)現(xiàn)了一些非生物脅迫下相關(guān)的分子或細(xì)胞機(jī)制。在干旱、高鹽和低溫脅迫條件下，跨膜的水或離子通道蛋白的豐度會(huì)更高，表明離子或滲透壓平衡發(fā)生了變化。然而這種現(xiàn)象在洪澇脅迫條件下未觀察到。此外，ROS清除劑在干旱、高鹽和低溫脅迫的植物根部豐度增高，表明植物根在高ROS水平下會(huì)采取抗氧化的預(yù)防措施。相反，ROS清除劑在洪澇脅迫下豐度很低，表明根在洪澇脅迫時(shí)處于缺氧狀態(tài)，因此需要補(bǔ)氧。另一方面，在干旱、洪澇和低溫脅迫下，參與蛋白質(zhì)折疊、抗病與防御相關(guān)的分子伴侶豐度會(huì)更高，如蛋白水解酶和蛋白酶體，表明在此脅迫條件下蛋白質(zhì)在不斷變性和復(fù)性以消除受損蛋白質(zhì)。此外，植物根系在逆境脅迫下所有參與初級(jí)代謝的蛋白質(zhì)豐度均上調(diào)，表明植物在應(yīng)答狀態(tài)下能量需求增加。然而，在洪澇脅迫下次級(jí)代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)豐度下調(diào)，表明植物會(huì)采取節(jié)能模式以抵御脅迫。在復(fù)蘇階段，低溫和干旱脅迫下的植物提高木質(zhì)素的合成，其分子機(jī)制是根系可以硬化細(xì)胞壁的根尖以提高其機(jī)械強(qiáng)度。在干旱、高鹽和洪澇脅迫下，細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白質(zhì)豐度的變化是對(duì)細(xì)胞體積減小所做的補(bǔ)償。此外，在洪澇脅迫后的恢復(fù)期，為減緩脅迫因子的影響，從頭合成蛋白、生長(zhǎng)信號(hào)蛋白、次級(jí)代謝蛋白等的豐度都有增強(qiáng)。

綜上所述，植物根系抵御非生物脅迫是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，涉及蛋白質(zhì)和基因多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的變化，人們利用蛋白質(zhì)組學(xué)方法和技術(shù)在此方面開展了廣泛的研究，增進(jìn)了人類對(duì)植物根系應(yīng)答非生物脅迫機(jī)制的認(rèn)識(shí)和了解。但該方面的研究仍處于初步階段，多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的是植物根系在干旱、高鹽、洪澇或低溫脅迫下至少24 h后的蛋白質(zhì)組變化，在脅迫0～24 h植物根系的蛋白質(zhì)組變化還有待探索。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)是動(dòng)態(tài)變化的，而大多數(shù)蛋白質(zhì)組學(xué)研究只是集中在某單一時(shí)間點(diǎn)上，因此，需要利用更好的技術(shù)探索其動(dòng)態(tài)變化。另外，相比基因組數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和發(fā)展，蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫(kù)的缺乏將是未來需要迫切解決的問題。雖然利用蛋白質(zhì)組學(xué)方法和技術(shù)在植物根系研究中取得了一定成果，但是技術(shù)本身的不足還需不斷優(yōu)化和改進(jìn)。相信在未來，通過整合不同技術(shù)手段，從基因到蛋白質(zhì)再到細(xì)胞等多層次地揭示植物根系抗逆機(jī)制的同時(shí)，也能促進(jìn)逆境脅迫下植物種植和育種工作的發(fā)展。

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Advance in Proteomics of Plant Roots under Abiotic Stress

LIU Haichen,YANG Wenjun,ZHANG Chunlan,HUO Hongyan,WANG Lan,ZHANG Jixing*

(College of Life Sciences,Inner Mongolia University for Nationalities,Tongliao 028042,China)

Abiotic stresses are key factors limiting plant growth and development. Research of the effects of abiotic stress on plant growth and development is important for studying plant defense mechanism and the development of stress tolerant plant breeding work.This paper elaborated proteomics research of plant root under abiotic stress,explored the root protein dynamic change under abiotic stress,and described specific protein network and its associated response mechanism.At last,we looked forward to the further research for proteomics of plant roots under abiotic stress.

proteomics; abiotic stress; root; adaptive response

2015-09-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31260336)

劉海臣(1973-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事植物抗逆生理與植物轉(zhuǎn)基因方面的研究。 E-mail：liuhaichen3@126.com

*通訊作者：張繼星(1971-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，教授，博士，主要從事植物生物化學(xué)與分子生物學(xué)方面的研究。 E-mail：zjx-711209@163.com

時(shí)間：2015-12-25 09:14:42

Q816

A

1004-3268(2016)01-0008-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/41.1092.S.20151225.0914.001.html