李 瑩，柳參奎

(東北林業(yè)大學 鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

?

植物生產(chǎn)層紅素氧還蛋白研究進展

李 瑩，柳參奎

(東北林業(yè)大學 鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

摘要：自然界中大多數(shù)的紅素氧還蛋白(rubredoxin)集中來自嚴格厭氧菌，包括細菌、古菌和少數(shù)微需氧細菌,而植物中該類蛋白相對較少,它的功能主要表現(xiàn)在作為輔因子或電子供體參與多個生化途徑。也有研究顯示，無論是植物中還是微生物中的紅素氧還蛋白基因在協(xié)助生物抵御氧化脅迫方面均發(fā)揮著重要的作用。本文全面介紹自然界中的紅素氧還蛋白基因的分布、結構以及在微生物、植物中所發(fā)揮的作用等，希望能為今后的進一步研究提供參考。

關鍵詞：紅素氧還蛋白；Fe-S蛋白；電子傳遞；氧化還原替代過程(SOR)

紅素氧還蛋白是一類非亞鐵血紅素蛋白，包含一個[Fe(SCys)4]中心。它是Fe-S蛋白家族中的最簡單的成員之一，它具有多變的結構。紅素氧還蛋白最早于1965年由Lovenberg和Sobel[1]在研究分離梭狀芽胞桿菌(Clostridiumpasteurianum)中鐵氧還蛋白(ferredoxins)中分離得到了一種紅色的蛋白，并命名為rubredoxins。它是一種最簡單的iron-sulfur proteins(Fe-S)，包含著較小的體積(由54個氨基酸殘基組成)和較簡單的結構。目前，關于紅素氧還蛋白的報道多集中于嚴格厭氧細菌和少量的微需氧細菌，而關于植物紅素氧還蛋白的報道更少。在美國國立生物技術信息中心(NCBI)中可以檢索到的關于植物類紅素氧還蛋白的文章不超過5篇。這些文章主要通過兩方面來解釋植物類紅素氧還蛋白的功能，其中一類主要介紹植物類紅素氧還蛋白在光合作用中發(fā)揮著重要的作用，另一類主要介紹紅素氧還蛋白在非生物脅迫過程中發(fā)揮重要的作用。由此認為，植物類紅素氧還蛋白是一類重要的脅迫相應蛋白。因此，紅素氧還蛋白的發(fā)現(xiàn)及其結構和功能的研究對探討植物生長發(fā)育、對環(huán)境脅迫的反應機理等方面具有重要的意義，有可能為提高植物抗逆性提供新的研究途徑。本文對紅素氧還蛋白基因的結構特征，及其在微生物和植物體內(nèi)所發(fā)揮的功能進行詳細的闡述，以期為植物抗逆性的研究提供參考。

1紅素氧還蛋白在Fe-S蛋白家族中的地位

Fe-S簇在生物體內(nèi)是普遍存在和必需的組成元件，包含F(xiàn)e-S活性位點的鐵硫蛋白首先在通過電子核磁共振指紋技術在線粒體膜中發(fā)現(xiàn)[2]。在根據(jù)國際生物化學聯(lián)合會命名委員會(Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry，NC-IUB)的分類命名原則，生物體中含鐵的蛋白質可以分為3類：血紅素蛋白(hemeproteins)，鐵硫蛋白(iron-sulfur protein，F(xiàn)e-S proteins)和其它包括了鐵蛋白(ferritin，F(xiàn)er)、轉鐵蛋白(transferrin)和具有電子傳遞功能的加氧酶(oxygenases)含鐵蛋白[3]。其中的鐵硫蛋白是指那些通過無機硫或半胱氨酸硫與非血紅素鐵交聯(lián)的蛋白質，分為兩類：簡單鐵硫蛋白和復雜鐵硫蛋白。簡單鐵硫蛋白僅含有一個或多個Fe-S簇，而復雜鐵硫蛋白還具有像核黃素和血紅素一樣的另外的可以激活的氧化還原中心。這些蛋白中的Fe-S簇常使用電子順磁共振(EPR)光譜來鑒定和分類。簡單鐵硫蛋白又分為3類：紅素氧還蛋白(rubredoxins，Rd),鐵氧還蛋白(ferredoxins，F(xiàn)d)和其它一些鐵硫蛋白(圖1)。因此，紅素氧還蛋白是Fe-S蛋白家族中的最簡單的成員之一，同時它具有簡單多變的結構特征。

2紅素氧還蛋白在自然界中的分布

研究發(fā)現(xiàn)，自然界中大多數(shù)的紅素氧還蛋白集中來自嚴格厭氧菌，包括細菌和古菌(Archaea)，如食油假單胞菌(Pseudomonasoleovorans)[4]、激烈火球菌(Pyrococcusfuriosus)[5]、甲烷八疊球菌(Methanosarcinamazei)[6]、閃爍古生球菌(Archaeoglobusfulgidus)[7]等均有大量的該類蛋白發(fā)現(xiàn)。還有一些被認為是微需氧菌(Microaerophiles),如梭狀芽胞桿菌(Clostridiumpasteurianum)[1]也發(fā)現(xiàn)了紅素氧還蛋白的存在。目前，植物類的紅素氧還蛋白也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，迄今為止已從擬南芥 (Arabidopsisthaliana)[8]、可可(Theobromacacao)[9]、堿茅(Puccinelliatenuiflora)[10]、烏拉爾圖小麥(Triticumurartu)[11]、蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)[12]、甜瓜(Cucumismelosubsp. melo)[13]、水稻(Oryzasativa)[14]和一些藻類[15]等多個物種中分離得到該類蛋白。在Genbank中以rubredoxin為檢索詞可以檢索到40多個植物的紅素氧還蛋白類似蛋白UniGene。

3微生物體內(nèi)的紅素氧還蛋白的結構

紅素氧還蛋白在生物界中的分布與其它蛋白比較是相當缺乏的，但紅素氧還蛋白類型和結構域確實很多樣化。C.pasteurianum中的紅素氧還蛋白的結構早在20世紀60年代就由Lyle Jensen及其領導的研究小組利用X射線晶體學的方法得到了很好的闡釋[16]，并在20世紀70年代早期成為蛋白晶體學修正的測試樣品，成為第1個并成功修正的蛋白質，這也引發(fā)了隨后與蛋白質晶體學研究相關的計算活動的增加，并直接改善和大分子晶體學模型的精細程度。蛋白結構分析表明，C.pasteurianum的紅素氧還蛋白是一類大小在45～55個氨基酸的含有氧化還原激活位點的蛋白質。具有兩個保守的半胱氨酸結構域：CxxCxnCPxC(x代表任何氨基酸，n=22～29)，通過4個保守的半胱氨酸來結合定位一個鐵原子，鐵原子通過在+2價和+3價直接的變換來作為氧化還原中心而存在。紅素氧還蛋白的FeS4位點在缺乏無機硫的Fe-S激活位點中是有其獨特性的，F(xiàn)eS4的結構單位也是所有Fe-S簇的基本構件。紅素氧還蛋白[1Fe]3+2+價態(tài)變化中的氧化還原勢在-100到+200 mV之間的范圍。紅素氧還蛋白折疊和Rieske[2Fe-2S]蛋白折疊盡管有不同的鏈接方式，但在活性位點區(qū)域很類似[17]。事實上一個單一連接鐵的半胱氨酸的突變都可以導致紅素氧還蛋中出現(xiàn)一個[2Fe-2S]簇，相反，Rieske位點可以通過一個三重突變使得Rieske位點轉換為一個[1Fe]紅素氧還蛋白類似位點[18-19]。紅素氧還蛋白在其它方面也顯示出來和歸屬于鋅指蛋白家族的含鋅蛋白顯著的相似。它自身對鐵和鋅有相似的親和性，這些金屬在紅素氧還蛋白中的含量已經(jīng)在生物體內(nèi)，至少在大腸桿菌中通過培養(yǎng)基中兩種金屬相對含量的測定得到證實[20]。重金屬如鎘和汞也可以和紅素氧還蛋白活性位點結合[21]。包含鋅和鎘的紅素氧還蛋白類結構域也分別在核糖核苷酸還原酶Ⅲ和蛋白激酶G中有發(fā)現(xiàn)[22-23]。圖2為C.pasteurianum菌紅素氧還蛋白的結構示意圖[16]。

圖1　含鐵蛋白質的分類

注：引自Recommendations[3](1979)并加以修改。

Note: Come from Recommendations(1979)[3]and modified.

目前，在兼性厭氧菌和需氧菌中發(fā)現(xiàn)了一些大一點的包含紅素氧還蛋白類似序列或結構域的蛋白，這些在蛋白大小、半胱氨酸結構域的位置和距離上都差別很大。這些紅素氧還蛋白相關蛋白可以分為如下幾類，一類是如紅素氧還蛋白一樣包含相同數(shù)目的半胱氨酸結構域(CxxCnCPxC，n=22～29)，但由于在N和C端有10～40個額外的氨基酸分布而顯得大點。如需氧菌Rhizobiumleguminosarum中的HupⅠ蛋白(GenBank accession P28151)；其它幾類包含相同的結構域但氨基酸數(shù)量較大，如Pseudomonasputida，該菌的紅素氧還類似蛋白的氨基酸數(shù)目在105到178 (GenBank accession CAB5405l)之間；另外Pyrococcushorikoshii(GenBank accession BAA30645)的紅素氧還類似蛋白氨基酸數(shù)目在279到661之間。還有一些蛋白和紅素氧還蛋白的結構及其相似，只是N末端結構域的兩個半胱氨酸之間的距離小于或大于兩個殘基。如(MethanococcusjannaschiiRd Ⅱ，GenBank accession AAB98734)、(DesulfovibriovulgarisRd-like protein,GenBank accession AAB39992)[24]。這一類大一些的蛋白中，Pyrococcusfuriosus的紅素氧還蛋白是被研究最多的，其結構通過核磁共振波譜法(NMR Spectroscopy)和X 射線結晶學(X-ray Crystallography)得到了測定[25]。實際上，它是第1個得到測定的超適溫性蛋白結構，這個蛋白也作為一個金屬離子在4個半胱氨酸協(xié)調下在一個蛋白環(huán)境中研究的模式系統(tǒng)。鐵、鎳、鋅、鎘和汞等金屬離子都以包含的形式通過NMR、X射線吸收和磁圓二色光譜的測定。圖3為P.furiosus的紅素氧還蛋白核磁共振的測定結果[25-28]。

圖2　Clostridium pasteurianum的紅素氧還蛋白結構示意圖[25]

Note: a, Rubredoxin inClostridiumbotulinum(WP_039239571.1),Francisellanoatunensissubsp.orientalisstr. Toba 04(GenBank: AFJ44051.1);BurkholderiarhizoxinicaHKI 454(CBW75889.1),DesulfatibacillumalkenivoransAK-01(ACL06764.1),AlcanivoraxborkumensisSK2(CAL15611.1)； b-d， Come from solution structure of reducedClostridiumpasteurianumrubredoxin,1998[16].

圖3　Pyrococcus furiosus的紅素氧還蛋白核磁共振的測定結果

注：在網(wǎng)站http://swissmodel.expasy.org/interactive制作。

Note: Made in the http://swissmodel.expasy.org/interactive.

紅素氧還蛋白還被廣泛應用在研究極端溫度條件下蛋白的穩(wěn)定性和蛋白結構對鐵位點的還原勢的影響[29]。實際上，紅素氧還蛋白也是已知的熱穩(wěn)定性最好的蛋白之一，其融化溫度估計接近200 ℃[30]。來自嗜常溫菌C.pasteurianum的紅素氧還蛋白在同溫度下幾個小時內(nèi)就已經(jīng)完全變性[31]。目前，導致該超適溫性蛋白如此強穩(wěn)定性的機理還不是很清楚。P.furiosus紅素氧還蛋白的展開如其變性一樣是不可逆的。其展開路徑是復雜的，疏水核心松弛，但沒有金屬輔助因子的損失，這是決定速率關鍵性的一步[32]。超適溫和嗜常溫紅素氧還蛋白在N末端和三股β折疊里有很小的結構差別，導致了其特性。這些結構差別所導致的蛋白質穩(wěn)定性的差別已經(jīng)通過誘變和β折疊嵌合體的研究得到了闡釋。這些研究表明，盡管N末端的靜電相互作用和 β折疊中的更廣泛的氫鍵網(wǎng)絡都對熱穩(wěn)定性有貢獻，但這些相互作用的總體組合才使得P.furiosus紅素氧還蛋白變得如此穩(wěn)定[31]。

4紅素氧還蛋白在微生物體內(nèi)發(fā)揮的作用

研究發(fā)現(xiàn)，在C.pasteurianum提取物調控的幾個反應中紅素氧還蛋白可以作為鐵氧還蛋白在電子傳遞過程中發(fā)揮重要作用，但在光譜和化學特性方面與其有差別[33]。 紅素氧還蛋白還可以作為電子載體在多個氧化還原反應過程中發(fā)揮作用。C.pasteurianum細菌作為深入研究微生物產(chǎn)氫的細菌種屬之一，能夠在厭氧條件下，利用糖酵解(glycolysis)所產(chǎn)生的NADH，經(jīng)由鐵硫蛋白的攜帶，將電子傳遞至產(chǎn)氫酶(hygrogenase)中，再經(jīng)由產(chǎn)氫酶蛋白中4個鐵硫簇(Fe-S cluster)的傳遞，將電子送至產(chǎn)氫酶活性中心的H-cluster和氫氣離子作用形成氫氣。對綠膿桿菌(Pseudomonasaeruginosa)的研究表明,紅素氧還蛋白還原酶(rubredoxin reductase，RdxRs)和Rdx組成的氧化還原反應系統(tǒng)是以正構烷烴(n-alkanes)為單一碳源生長所不可缺少的，這一氧化還原系統(tǒng)在古菌或厭氧細菌中是應對氧化應激反應中關鍵的一部分，這也使得綠膿桿菌在一些石油污染方面尤其潛在利用價值[34]。棕色固氮菌(Azotobactervinelandii)的紅素氧還蛋白基因在H2代謝方面發(fā)揮這重要的作用[35]；綠硫菌(Chlorobiumtepidum)的紅素氧還蛋白基因作為丙酮酸鐵氧化還原蛋白氧化還原酶(PFOR)的電子受體，在電子傳遞中發(fā)揮重要作用[36]；食油假單胞菌(Pseudomonasoleovorans)的紅素氧還蛋白作為電子傳遞體在NADH和氧氣存在的條件下參與了烷烴、脂肪酸羥基化過程[4]；巨大脫硫弧菌(Desulfovibriogigas)紅素氧還蛋白基因作為電子供體將電子提供給血紅素蛋白和紅素氧還蛋白氧化還原酶；一些厭氧細菌的紅素氧還蛋白通過快速傳遞代謝的還原物到超氧化還原酶(superoxide reductases)或紅素氧還蛋白︰氧的氧化還原酶(rubredoxin︰oxygen oxidoreductases)，來減少氧或反應性的氧化物種類的化氧化應激反應中起關鍵作用[37]，并通過NAD(P)H和NAD(P)H︰RdxRs與主代謝系統(tǒng)聯(lián)系起來[38]。近年來，在厭氧微生物中又提出了一個新的超氧化物還原替代途徑(SOR途徑)，在這個過程中，紅素氧還蛋白作為superoxide reductase的電子供體，在清除微生物體內(nèi)有毒活性氧方面發(fā)揮了重要的作用[2,39-43]。

5植物中紅素氧還蛋白的功能

目前,關于植物紅素氧還蛋白的報道相對較少，在NCBI中只能檢索到6種植物類的紅素氧還蛋白基因的編碼的完整氨基己酸序列，圖4為植物類紅素氧還蛋白間同源性分析結果。同時，可以檢索到的報道大多數(shù)集中在對擬南芥的紅素氧還蛋白的研究。2003年對擬南芥的研究發(fā)現(xiàn)，其葉綠體ATP合酶的γ亞基編碼基因atpC1的插入突變導致葉綠體中大多數(shù)核基因下調表達，而一些光合作用基因顯著上調表達，其中包含擬南芥中的ENH1 (enhancer of sos3-1，AT5G17170)基因[44]。2004年，F(xiàn)riso等[45]在對擬南芥葉綠體的類囊體的膜蛋白組學研究時分離得到了兩個包含紅素氧還蛋白結構域的紅素氧還類似蛋白(At5g17170，At1g54500)，其中作者推測At1g54500與Synechococcussp PCC 7002的紅素氧還蛋白基因具有相似的功能。Synechococcussp PCC 7002的紅素氧還蛋白與中間多肽(4Fe-4S)簇Fx的組裝的關系十分密切。其中Fx為聚球藻PCC 7002光系統(tǒng)Ⅰ的重要組成部分，rubredoxin的缺失直接導致光系統(tǒng)Ⅰ功能喪失[46-47]。綠藻和高等植物葉綠體的光和類囊體膜上都包含有4個多亞基蛋白復合物(photosystem Ⅰ [PSI]、photosystem Ⅱ[PSII]、ATP synthase和cytochrome b6f complexes)， 同時擬南芥紅素氧還蛋白在類囊體膜上的定位表明其參與了其中的反應，但其具體功能如何，目前還需要進一步的研究。

圖4　7種植物紅素氧還蛋白基因編碼的氨基酸序列多序列比對

Note：Arabidopsislyratasubsp. lyrata(XP_002871751.1),Arabidopsisthaliana(NP_568342.1),Medicagotruncatula(XP_013453352.1),Phaseolusvulgaris(AGV54433.1),Zosteramarina(KMZ59555.1),Theobromacacao(XP_007029491.1),Salixlinearistipularis(筆者克隆獲得Cloned by author)

Tran等[48]的研究表明，NAC轉錄因子家族中的ANAC055在轉基因植物中的過量表達可以提高其耐旱性，生物芯片結果表明，逆境條件下At5g17170在轉基因植物中上調表達。隨后，Zhu等[8]對65 000株以sos3-1缺失突變體為遺傳背景的雙突變體進行篩選，試圖發(fā)現(xiàn)可以使sos3-1缺失單突變體對NaCl的抗敏性發(fā)生改變的缺失雙突變體。其中，sos3-1enh1-1雙突變體加重了sos3-1突變體對NaCl的敏感性，同時也使sos3-1突變體在沒有任何逆境處理的條件下生長受到抑制。研究發(fā)現(xiàn)，enh1-1基因為擬南芥紅素氧還類似蛋白(At5g17170)，它與Pyrococcusfuriosus中的紅素氧還蛋白同源性最高，同時該基因還包含了一個與人類的PDZ結構域均有較高同源性PDZ結構域，該結構域的存在可能在參與蛋白質-蛋白質相互作用方面發(fā)揮重要的作用。亞細胞定位研究表明,該基因定位為擬南芥葉綠體中。在NaCl逆境存在的條件下，該基因通過調節(jié)植物體內(nèi)離子平衡，來提高植物對NaCl的抗性，同時該研究提出該基因間接的與SOS途徑中兩個重要基因SOS2和SOS1共同作用來提高植物的抗逆性。除此之外，該基因也可通過清除植物體內(nèi)活性氧來提高植物對NaCl逆境的抵御[8]。2014年Li等[10]利用酵母菌作為宿主菌株試圖在堿茅(Puccinelliatenuiflora)全長cDNA文庫中篩選具有抗鹽性的轉基因酵母時也分離得到了具有較強耐鹽性的堿茅紅素氧還蛋白基因。同時，該基因的過量表達顯著提高了酵母菌株對NaCl、NaHCO3、Na2CO3、Sorbital和H2O2的抗性。堿茅主要分布在我國的東北、華北和西北地區(qū)，它作為一種鹽堿地先鋒植物，對極其惡劣的土壤也有較強的適應能力。根據(jù)以上結果推測，紅素氧還蛋白基因在堿茅適應及其惡劣環(huán)境方面可能發(fā)揮著重要的作用[10,49-50]。

6小結與展望

近年來，紅素氧還蛋白基因陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)及研究。結果表明，微生物體內(nèi)的紅素氧還蛋白基因主要作為電子傳遞鏈中的重要組成部分參與各種生理生化過程。植物類紅素氧還蛋白基因在光合作用和抵御非生物脅迫方面發(fā)揮著重要的作用。目前，人們初步認識了自然界中紅素氧還蛋白基因在生物體生長、發(fā)育和抵御逆境脅迫過程中的作用和分子機制，但對植物類紅素氧還蛋白基因的研究相對較少，除擬南芥外，其它植物的紅素氧還蛋白基因是如何調控植物參與各種生理生化反應的的分子機制并不十分清楚，仍有大量問題等待著被解釋。因此，可以從以下幾個方面對植物類紅素氧還蛋白基因進行深入的研究：1)不斷從各種植物中分離挖掘具有重要功能的紅素氧還蛋白基因，達到豐富該類基因資源的目的。尤其應把重點放在極端耐逆性的植物上，并深入了解這些基因的功能，對其進行詳細的解析，并使這些基因的功能得到合理的應用。2)結合酵母雙雜交技術，篩選與極端耐逆性植物的紅素氧還蛋白的相互作用蛋白，完善植物生長發(fā)育和抵御逆境脅迫路徑調控網(wǎng)絡。通過對相互作用蛋白的研究，最終確定該類蛋白在調控通路上扮演的角色。

參考文獻References:

[1]Lovenberg W,Sobel B E.Rubredoxin:A new electron transfer protein fromClostridiumpasteurianum.PNAS,1965,54(1):193-199.

[2]Beinert H,Sands R H.Studies on succinic and DPNH dehydrogenase preparations by paramagnetic resonance (epr) spectroscopy.Biochemical and Biophysical Research Communications,1960,3(1):41-46.

[3] Nomenclature of iron-sulfur proteins.Recommendations,1978.European Journal of Biochemistry,1979,93(3):427-430.

[4]Peterson J A,Coon M J.Enzymatic omega-oxidation.3.Purification and properties of rubredoxin,a component of the omega-hydroxylation system ofPseudomonasoleovorans.Journal of Biological Chemistry,1968,243(2):329-334.

[5]Bridger S L,Lancaster W A,Poole F L,Schut G J,Adams M W.Genome sequencing of a genetically tractablePyrococcusfuriosusstrain reveals a highly dynamic genome.Journal of Bacteriology,2012,194(15):4097-4106.

[6]Assis Das Gracas D,Thiago Juca Ramos R,Vieira Araujo A C,Zahlouth R,Ribeiro Carneiro A,Souza Lopes T,Azevedo Barauna R,Azevedo V,Cruz Schneider M P,Pellizari V H,Silva A.Complete genome of a methanosarcina mazei strain isolated from sediment samples from an Amazonian flooded area.Genome Announcements,2013,1(3):1140-1152.

[7]Klenk H P,Clayton R A,Tomb J F,White O,Nelson K E,Ketchum K A,Dodson R J,Gwinn M,Hickey E K,Peterson J D,Richardson D L,Kerlavage A R,Graham D E,Kyrpides N C,Fleischmann R D,Quackenbush J,Lee N H,Sutton G G,Gill S,Kirkness E F,Dougherty B A,McKenney K,Adams M D,Loftus B,Peterson S,Reich C I,McNeil L K,Badger J H,Glodek A,Zhou L,Overbeek R,Gocayne J D,Weidman J F,McDonald L,Utterback T,Cotton M D,Spriggs T,Artiach P,Kaine B P,Sykes S M,Sadow P W,D’Andrea K P,Bowman C,Fujii C,Garland S A,Mason T M,Olsen G J,Fraser C M,Smith H O,Woese C R,Venter J C.The complete genome sequence of the hyperthermophilic,sulphate-reducing archaeonArchaeoglobusfulgidus.Nature,1997,390:364-370.

[8]Zhu J,Fu X,Koo Y D,Zhu J K,Jenney F E Jr,Adams M W,Zhu Y,Shi H,Yun D J,Hasegawa P M,Bressan R A.An enhancer mutant ofArabidopsissalt overly sensitive 3 mediates both ion homeostasis and the oxidative stress response.Molecular and Cellular Biology,2007,27(14):5214-5224.

[9]Motamayor J C,Mockaitis K,Schmutz J,Haiminen N,Livingstone D,Cornejo O,Findley S D,Zheng P,Utro F,Royaert S,Saski C,Jenkins J,Podicheti R,Zhao M,Scheffler B E,Stack J C,Feltus F A,Mustiga G M,Amores F,Phillips W,Marelli J P,May G D,Shapiro H,Ma J,Bustamante C D,Schnell R J,Main D,Gilbert D,Parida L,Kuhn D N.The genome sequence of the most widely cultivated cacao type and its use to identify candidate genes regulating pod color.Genome Biology,2013,14(6):53.

[10]Li Y,Takano T,Liu S.Discovery and characterization of two novel salt-tolerance genes inPuccinelliatenuiflora.International Journal of Molecular Sciences,2014,15(9):16469-16483.

[11]Ling H Q,Zhao S,Liu D,Wang J,Sun H,Zhang C,Fan H,Li D,Dong L,Tao Y,Gao C,Wu H,Li Y,Cui Y,Guo X,Zheng S,Wang B,Yu K,Liang Q,Yang W,Lou X,Chen J,Feng M,Jian J,Zhang X,Luo G,Jiang Y,Liu J,Wang Z,Sha Y,Zhang B,Wu H,Tang D,Shen Q,Xue P,Zou S,Wang X,Liu X,Wang F,Yang Y,An X,,Dong Z,Zhang K,Zhang X,Luo M C,Dvorak J,Tong Y,Wang J,Yang H,Li Z,Wang D,Zhang A,Wang J.Draft genome of the wheat a-genome progenitorTriticumurartu.Nature,2013,496:87-90

[12]Terpolilli J,Hill Y,Tian R,Howieson J,Brau L,Goodwin L,Han J,Liolios K,Huntemann M,Pati A,Woyke T,Mavromatis K,Markowitz V,Ivanova N,Kyrpides N,Reeve W.Genome sequence ofEnsifermelilotistrain WSM1022;a highly effective microsymbiont of the model legumeMedicagotruncatulaA17.Standards in Genomic Sciences,2013,9(2):315-324.

[13]Gonzalez V M,Garcia-Mas J,Arus P,Puigdomenech P.Generation of a BAC-based physical map of the melon genome.BMC Genomics,2010,11:339.

[14]Merchant S S,Prochnik S E,Vallon O,Harris E H,Karpowicz S J,Witman G B,Terry A,Salamov A,Fritz-Laylin L K,Marechal-Drouard L,Marshall W F,Qu L H,Nelson D R,Sanderfoot A A,Spalding M H,Kapitonov V V,Ren Q,Ferris P,Lindquist E,Shapiro H,Lucas S M,Grimwood J,Schmutz J,Cardol P,Cerutti H,Chanfreau G,Chen C L,Cognat V,Croft M T,Dent R,Dutcher S,Fernandez E,Fukuzawa H,Gonzalez-Ballester D,Gonzalez-Halphen D,Hallmann A,Hanikenne M,Hippler M,Inwood W,Jabbari K,Kalanon M,Kuras R,Lefebvre P A,Lemaire S D,Lobanov A V,Lohr M,Manuell A,Meier I,Mets L,Mittag M,Mittelmeier T,Moroney J V,Moseley J,Napoli C,Nedelcu A M,Niyogi K,Novoselov S V,Paulsen I T,Pazour G,Purton S,Ral J P,Riano-Pachon D M,Riekhof W,Rymarquis L,Schroda M,Stern D,Umen J,Willows R,Wilson N,Zimmer S L,Allmer J,Balk J,Bisova K,Chen C J,Elias M,Gendler K,Hauser C,Lamb M R,Ledford H,Long J C,Minagawa J,Page M D,Pan J,Pootakham W,Roje S,Rose A,Stahlberg E,Terauchi A M,Yang P,Ball S,Bowler C,Dieckmann C L,Gladyshev V N,Green P,Jorgensen R,Mayfield S,Mueller-Roeber B,Rajamani S,Sayre R T,Brokstein P,Dubchak I,Goodstein D,Hornick L,Huang Y W,Jhaveri J,Luo Y,Martinez D,Ngau W C,Otillar B,Poliakov A,Porter A,Szajkowski L,Werner G,Zhou K,Grigoriev I V,Rokhsar D S,Grossman A R.The chlamydomonas genome reveals the evolution of key animal and plant functions.Science,2007,318:245-250.

[15]Gao C,Wang Y,Shen Y,Yan D,He X,Dai J,Wu Q.Oil accumulation mechanisms of the oleaginous microalgaChlorellaprotothecoidesrevealed through its genome,transcriptomes,and proteomes.BMC Genomics,2014,15:582.

[16]Bertini I,Kurtz Jr D M,Eidsness M K,Liu G H,Luchinat C,Rosato A,Scott R A.Solution structure of reducedClostridiumpasteurianumrubredoxin.Journal of Biological Inorganic Chemistry,1998,3(4):401-410.

[17]Iwata S,Saynovits M,Link T A,Michel H.Structure of a water soluble fragment of the ‘rieske’ iron-sulfur protein of the bovine heart mitochondrial cytochrome bc1 complex determined by mad phasing at 1.5? resolution.Structure,1996,4(5):567-579.

[18]Meyer J,Gagnon J,Gaillard J,Lutz M,Achim C,Munck E,Petillot Y,Colangelo C M,Scott R A.Assembly of a [2Fe-2S]2+cluster in a molecular variant ofClostridiumpasteurianumrubredoxin.Biochemistry,1997,36(43):13374-13380.

[19]Iwasaki T,Kounosu A,Tao Y,Li Z,Shokes J E,Cosper N J,Imai T,Urushiyama A,Scott R A.Rational design of a mononuclear metal site into the archaeal Rrieske-type protein scaffold.Journal of Biological Chemistry,2005,280(10):9129-9134.

[20]Dauter Z,Wilson K S,Sieker L C,Moulis J M,Meyer J.Zinc- and iron-rubredoxins fromClostridiumpasteurianumatatomic resolution:A high-precision model of a ZnS4 coordination unit in a protein.PNAS,1996,93(17):8836-8840.

[21]Maher M,Cross M,Wilce M C,Guss J M,Wedd A G.Metal-substituted derivatives of the rubredoxin fromClostridiumpasteurianum.Acta Crystallogr D Biol Crystallogr,2004,60(Pt 2):298-303.

[22]Logan D T,Mulliez E,Larsson K M,Bodevin S,Atta M,Garnaud P E,Sjoberg B M,Fontecave M.A metal-binding site in the catalytic subunit of anaerobic ribonucleotide reductase.PNAS,2003,100(7):3826-3831.

[23]Scherr N,Honnappa S,Kunz G,Mueller P,Jayachandran R,Winkler F,Pieters J,Steinmetz M O.Structural basis for the specific inhibition of protein kinase g,a virulence factor ofMycobacteriumtuberculosis.PNAS,2007,104(29):12151-12156.

[24]Jenney F E Jr,Adams M W.Rubredoxin fromPyrococcusfuriosus.Methods in Enzymology,2001,334:45-55.

[25]Day M W,Hsu B T,Joshua-Tor L,Park J B,Zhou Z H,Adams M W,Rees D C.X-ray crystal structures of the oxidized and reduced forms of the rubredoxin from the marine hyperthermophilic archaebacteriumPyrococcusfuriosus.Protein Science,1992,1(11):1494-1507.

[26]Blake P R,Day M W,Hsu B T,Joshua-Tor L,Park J B,Hare D R,Adams M W,Rees D C,Summers M F.Comparison of the X-ray structure of native rubredoxin fromPyrococcusfuriosuswith the NMR structure of the zinc-substituted protein.Protein Science,1992,1(11):1522-1525.

[27]Bertini I,Kurtz Jr D M,Eidsness M K,Liu G H,Luchinat C,Rosato A,Scott R.A Solution structure of reducedClostridiumpasteurianumrubredoxin.Journal of Biological Inorganic Chemistry,1998,3(4):401-410.

[28]Henehan C J,Pountney D L,Va?ák M,Zerbe O.Identification of cysteine ligands in metalloproteins using optical and NMR spectroscopy:Cadmium-substituted rubredoxin as a model [cd(cyss)4]2- center.Protein Science,1993,2(10):1756-1764.

[29]Van Elp J,George S J,Chen J,Peng G,Chen C T,Tjeng L H,Meigs G,Lin H J,Zhou Z H,Adams M W.Soft X-ray magnetic circular dichroism:A probe for studying paramagnetic bioinorganic systems.PNAS,1993,90(20):9664-9667.

[30]Blake P R,Park J B,Bryant F O,Aono S,Magnuson J K,Eccleston E,Howard J B,Summers M F,Adams M W.Determinants of protein hyperthermostability:Purification and amino acid sequence of rubredoxin from the hyperthermophilic archaebacteriumPyrococcusfuriosusand secondary structure of the zinc adduct by NMR.Biochemistry,1991,30(45):10885-10895.

[31]Eidsness M K,Richie K A,Burden A E,Kurtz D M Jr,Scott R A.Dissecting contributions to the thermostability ofPyrococcusfuriosusrubredoxin:Beta-sheet chimeras.Biochemistry,1997,36(34):10406-10413.

[32] Cavagnero S,Zhou Z H,Adams M W,Chan S I.Unfolding mechanism of rubredoxin fromPyrococcusfuriosus.Biochemistry,1998,37(10):3377-3385.

[33]Park I Y,Eidsness M K,Lin I J,Gebel E B,Youn B,Harley J L,Machonkin T E,Frederick R O,Markley J L,Smith E T,Ichiye T,Kang C H.Crystallographic studies of v44 mutants ofClostridiumpasteurianumrubredoxin:Effects of side-chain size on reduction potential.Proteins:Structure,Function,and Bioinformatics,2004,57(3):618-625.

[34]Hagelueken G,Wiehlmann L,Adams T M,Kolmar H,Heinz D W,Tummler B,Schubert W D.Crystal structure of the electron transfer complex rubredoxin rubredoxin reductase ofPseudomonasaeruginosa.PNAS,2007,104(30):12276-12281.

[35]Chen J C,Mortenson L E.Two open reading frames (ORFs) identified near the hydrogenase structural genes inAzotobactervinelandii,the first ORF may encode for a polypeptide similar to rubredoxins.Biochimica et Biophysica Acta,1992,1131(1):122-124.

[36]Yoon K S,Hille R,Hemann C,Tabita F R.Rubredoxin from the green sulfur bacteriumChlorobiumtepidumfunctions as an electron acceptor for pyruvate ferredoxin oxidoreductase.Journal of Biological Chemistry,1999,274(42):29772-29778.

[37]Fareleira P,Santos B S,Antonio C,Moradas-Ferreira P,LeGall J,Xavier A V,Santos H.Response of a strict anaerobe to oxygen:Survival strategies inDesulfovibriogigas.Microbiology,2003,149(Pt 6):1513-1522.

[38]Grunden A M,Jenney F E Jr,Ma K,Ji M,Weinberg M V,Adams M W.In vitro reconstitution of an NADPH-dependent superoxide reduction pathway fromPyrococcusfuriosus.Applied and Environmental Microbiology,2005,71(3):1522-1530.

[39]Jenney F E Jr,Verhagen M F,Cui X,Adams M W.Anaerobic microbes:Oxygen detoxification without superoxide dismutase.Science,1999,286:306-309.

[40]Lombard M,Fontecave M,Touati D,Niviere V.Reaction of the desulfoferrodoxin fromDdesulfoarculusbaarsiiwith superoxide anion.Evidence for a superoxide reductase activity.Journal of Biological Chemistry,2000,275(1):115-121.

[41]Coulter E D,Kurtz D M Jr.A role for rubredoxin in oxidative stress protection inDesulfovibriovulgaris:Catalytic electron transfer to rubrerythrin and two-iron superoxide reductase.Archives of Biochemistry and Biophysics,2001,394(1):76-86.

[42]Lumppio H L,Shenvi N V,Summers A O,Voordouw G,Kurtz D M Jr.Rubrerythrin and rubredoxin oxidoreductase inDesulfovibriovulgaris:A novel oxidative stress protection system.Journal of Bacteriology,2001,183(1):101-108.

[43]Auchere F,Sikkink R,Cordas C,Raleiras P,Tavares P,Moura I,Moura J J.Overexpression and purification ofTreponemapallidumrubredoxin;kinetic evidence for a superoxide-mediated electron transfer with the superoxide reductase neelaredoxin. Journal of Biological Inorganic Chemistry,2004,9(7):839-849.

[44]Dal Bosco C,Lezhneva L,Biehl A,Leister D,Strotmann H,Wanner G,Meurer J.Inactivation of the chloroplast ATP synthase gamma subunit results in high non-photochemical fluorescence quenching and altered nuclear gene expression inArabidopsisthaliana.Journal of Biological Chemistry,2004,279(2):1060-1069.

[45]Friso G,Giacomelli L,Ytterberg A J,Peltier J B,Rudella A,Sun Q,Wijk K J.In-depth analysis of the thylakoid membrane proteome ofArabidopsisthalianachloroplasts:New proteins,new functions,and a plastid proteome database.The Plant Cell,2004,16(2):478-499.

[46]Shen G,Antonkine M L,van der Est A,Vassiliev I R,Brettel K,Bittl R,Zech S G,Zhao J,Stehlik D,Bryant D A,Golbeck J H.Assembly of photosystem Ⅰ.Ⅱ.Rubredoxin is required for the in vivo assembly of F(X) inSynechococcussp.Pcc 7002 as shown by optical and EPR spectroscopy.Journal of Biological Chemistry,2002,277(23):20355-20366.

[47]Shen G,Zhao J,Reimer S K,Antonkine M L,Cai Q,Weiland S M,Golbeck J H,Bryant D A.Assembly of photosystem Ⅰ.Ⅰ.Inactivation of therubAgene encoding a membrane-associated rubredoxin in the cyanobacteriumSynechococcussp.Pcc 7002 causes a loss of photosystem Ⅰ activity.Journal of Biological Chemistry,2002,277(23):20343-20354.

[48]Tran L S,Nakashima K,Sakuma Y,Simpson S D,Fujita Y,Maruyama K,Fujita M,Seki M,Shinozaki K,Yamaguchi-Shinozaki K.Isolation and functional analysis ofArabidopsisstress-inducible NAC transcription factors that bind to a drought-responsive cis-element in the early responsive to dehydration stress 1 promoter.The Plant Cell,2004,16(9):2481-2498.

[49]張海南，周青平,顏紅波，梁國玲，劉文輝.鹽脅迫對5種堿茅材料種子萌發(fā)的影響.草業(yè)科學，2013，30(11):1767-1770.

Zhang H N，Zhou Q P,Yan H B,Liang G L,Liu W H.Effects of salt stress on germination of fivePuccinelliadistansmaterials.Pratacultural Science,2013，30(11):1767-1770.

[50]金淑梅，孫丹，王吉.堿蓬金屬硫蛋白基因對碳酸鹽脅迫的應答.草業(yè)科學，2014，31(11):2082-2087.

Jin S M，Sun D，Wang J.Metallothionein gene(SgMT) fromSuaedaglaucaexpression under saline stress.Pratacultural Science,2014，31(11):2082-2087.

(責任編輯武艷培)

Research progress on Rubredoxin

Li Ying, Liu Shen-kui

(Alkali Soil Natural Environmental Science Center, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Abstract:Most of rubredoxin is concentrated from the strict anaerobic bacteria, including the bacteria, the ancient bacteria and a few micro aerobic bacteria in nature. In plants, these proteins are relatively few. It acts as a cofactor or electron donor to participate in multiple biochemical pathways. Researches show that these proteins both in plants, and in microorganisms play an important role in helped biological against oxidative stress. In this paper, we introduced the classification, structure and role of rubredoxinin microbes and plants, with aim to provide reference for further research in the future.

Key words:rubredoxin; Fe-S protein; electron transfer; superoxide reductase (SOR)

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0702

*收稿日期：2015-12-12接受日期：2016-02-24

基金項目：黑龍江省自然科學基金項目(C201406)；黑龍江省博士后科研啟動金(LBH-Q15010)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(2572014BA20)；長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃( IRT13053)；黑龍江省寒地作物種質改良與栽培重點實驗開放課題資助項目(CGIC201204)

通信作者：柳參奎(1963-)，男，朝鮮族，吉林省吉林市人，教授，博士，研究方向為植物抗逆育種。 E-mail：shenkuiliu@nefu.edu.cn

中圖分類號：Q946.1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-0629(2016)6-1118-08*

Corresponding author:Liu Shen-kuiE-mail:shenkuiliu@nefu.edu.cn

李瑩，柳參奎.紅素氧還蛋白研究進展.草業(yè)科學,2016,33(6)：1118-1125.

Li Y,Liu S K.Research progress on Rubredoxin.Pratacultural Science，2016,33(6)：1118-1125.

植物

生產(chǎn)層

第一作者：李瑩(1979-)，女，黑龍江哈爾濱人，講師，博士，研究方向為植物抗逆育種。 E-mail：LY7966@163.com