張鳳軍, 葉景秀, 師 理, 阮建平, 王 艦
(1.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院,青海西寧 810016; 2.青海省農(nóng)林科學(xué)院,青海西寧 810016;3.青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室,青海西寧 810016;4.青藏高原生物技術(shù)教育部重點實驗室,青海西寧 810016; 5.青海省馬鈴薯育種重點實驗室,青海西寧 810016)
我國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國,干旱是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一,是造成我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)定的主要原因[1-2]。在我國尤其是干旱和半干旱地區(qū),缺水問題一直是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最主要因子之一,即使是降水較多的地區(qū)也普遍存在季節(jié)性和非周期性干旱問題[3]。馬鈴薯是重要的糧、菜、飼兼用作物,栽培范圍遍布全球,常年播種面積穩(wěn)定在2 000萬hm2左右。近年來我國馬鈴薯的種植面積得到迅速發(fā)展,種植面積達到500多萬hm2,占全球種植面積的20%以上[4]。馬鈴薯是對水分虧缺較為敏感的作物,受干旱影響較大,而我國馬鈴薯的主要種植省區(qū)都或多或少存在干旱問題[5],干旱使這些地區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量的損失超過了其總產(chǎn)量的30%[6]。
植物在逆境脅迫條件下,基因表達發(fā)生改變,一些正常基因被關(guān)閉,而一些與適應(yīng)逆境有關(guān)的基因則被啟動,表現(xiàn)出正常蛋白合成受阻,而誘導(dǎo)合成特異蛋白即逆境蛋白[7-8]。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多逆境因子如干旱、鹽堿、低溫、高溫等,都會引起植物基因表達的變化,誘導(dǎo)產(chǎn)生逆境蛋白。植物感受這些逆境信號后通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程調(diào)節(jié)細胞內(nèi)抗逆相關(guān)蛋白的表達,進而調(diào)整自身的生理狀態(tài)或形態(tài)的改變來適應(yīng)不利環(huán)境。因此,尋找與抗逆相關(guān)蛋白(或基因)對了解植物抗逆機制以及提高植物抗逆性能有著十分重要意義。
本試驗探究不同抗旱性馬鈴薯品種(耐旱品種青薯9號[9],干旱敏感品種費烏瑞它)在干旱脅迫下盛花期蛋白水平的響應(yīng),發(fā)掘與馬鈴薯抵御干旱脅迫相關(guān)的蛋白,為后續(xù)的抗旱基因克隆和分子育種工作提供有力支持。
試驗材料為耐旱品種青薯9號和干旱敏感品種費烏瑞它,均由青海省農(nóng)林科學(xué)院生物技術(shù)研究所提供。試驗于2015年4—9月在青海省農(nóng)林科學(xué)院試驗地簡易干旱棚中進行,試驗設(shè)盛花期干旱脅迫處理和全生育期正常供水對照處理。達到處理時間要求的最后1天09:00取3株頂葉下完全展開葉第4片復(fù)葉,去掉葉柄,混合放入封口袋,置于-80 ℃冰箱中保存?zhèn)溆肹10]。
采用TCA-丙酮法[11-12]提取馬鈴薯葉片總蛋白,蛋白濃度參考Bradford法[13]測定。
雙向電泳操作參考葉景秀等[11]、章玉婷等[12]的方法進行(第一向IEF-PAGE,pH值為4~7的非線性IPG干膠條;第二向SDS-PAGE電泳,濃度12%的聚丙烯酰胺凝膠)進行分離,經(jīng)考馬斯亮藍染色后,獲得了分辨率和重復(fù)性較好的雙向電泳圖譜。使用PDQuest 8.0.1分析軟件對雙向電泳圖譜進行分析,對找出的差異蛋白點,將差異表達的目標蛋白質(zhì)點經(jīng)過處理后進行串聯(lián)質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)分析,通過Mascot、Peptldent等數(shù)據(jù)庫,對其序列進行同源性比對,鑒定耐旱的特異蛋白。
青薯9號盛花期脅迫與對照相比,表達量超過對照1.5倍的蛋白質(zhì)點有26個;對照表達量超過脅迫1.5倍的蛋白質(zhì)點有21個,新產(chǎn)生蛋白1個(圖1)。費烏瑞它盛花期脅迫與對照相比,表達量超過對照1.5倍的蛋白質(zhì)點有8個,新產(chǎn)生蛋白4個;對照表達量超過脅迫1.5倍的蛋白質(zhì)點有21個,新產(chǎn)生蛋白1個(圖2)。
青薯9號共鑒定出47個差異蛋白(表1、表2),可將它們分為5類(圖3),分別為:(1)光合作用相關(guān)蛋白14個(占 29.79%),其中脅迫處理鑒定出的有8個,對照處理鑒定出6個;(2)物質(zhì)和能量代謝相關(guān)蛋白15個(占31.91%),其中脅迫處理鑒定出的有9個,對照處理鑒定出6個;(3)抗氧化和防御相關(guān)蛋白8個(占17.02%),其中脅迫處理鑒定出的有5個,對照處理鑒定出3個;(4)信號傳導(dǎo)和生長發(fā)育相關(guān)蛋白8個(占17.02%),其中脅迫處理鑒定出的有3個,對照處理鑒定出5個;(5)未知功能蛋白2個(占4.26%),其中脅迫處理的有1個,對照處理鑒定出1個。
由圖3和表1、表2可見,脅迫處理下的青薯9號在盛花期除光合作用差異蛋白質(zhì)點表達數(shù)量大于對照處理外,其他幾類功能蛋白差異不大,可見由于青薯9號本身抗旱性強,脅迫和對照處理下均能建立起強大的抗旱系統(tǒng),抵御外界環(huán)境的變化。
表1 脅迫下青薯9號葉片差異蛋白的質(zhì)譜鑒定結(jié)果
表2 對照青薯9號葉片差異蛋白的質(zhì)譜鑒定結(jié)果
費烏瑞它共鑒定出34個差異蛋白(表3、表4),可將它們分為5類(圖4),分別為:(1)光合作用相關(guān)蛋白7個(占 20.59%),其中脅迫處理鑒定出的有3個,對照處理鑒定出4個;(2)物質(zhì)和能量代謝相關(guān)蛋白9個(占26.47%),其中脅迫處理鑒定出的有4個,對照處理鑒定出5個;(3)抗氧化和防御相關(guān)蛋白8個(占23.53%),其中脅迫處理鑒定出的有4個,對照處理鑒定出4個;(4)信號傳導(dǎo)和生長發(fā)育9個(占26.47%),其中脅迫處理沒有鑒定出,對照處理鑒定出9個;(5)未知功能蛋白1個(占2.94%),其中脅迫處理的有1個,對照處理沒有鑒定出。
表3 脅迫下費烏瑞它葉片差異蛋白的質(zhì)譜鑒定結(jié)果
由表3、表4和圖4可知,費烏瑞它在脅迫處理下其差異蛋白質(zhì)點的表達數(shù)量少于對照處理,干旱脅迫使相關(guān)酶降解,從而使費烏瑞它抗旱性降低。
光合作用是綠色植物吸收陽光的能量,同化CO2和H2O,制造有機物質(zhì)并釋放氧氣的過程,是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng),又是一個極為復(fù)雜的,包括一系列光化學(xué)步驟和物質(zhì)轉(zhuǎn)變過程,包括羧化階段、還原階段和更新階段[14]。
核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase)是植物進行光合作用羧化階段固定CO2的關(guān)鍵酶,廣泛存在于葉綠體中,肩負著光反應(yīng)CO2固定和暗反應(yīng)CO2釋放的雙重功能,對光合作用的效率有著非常重要的意義[15-16];葉綠體轉(zhuǎn)酮醇酶(transketolase,TK)是植物光合作用卡爾文循環(huán)中的關(guān)鍵酶,參與光合作用中碳的固定,是植物最大光合速率的限制因子[12,17];碳酸酐酶也與光合作用密切相關(guān),能催化細胞質(zhì)中的碳酸氫鹽轉(zhuǎn)換為CO2,增加細胞內(nèi)CO2濃度,進而提高Rubisco的固碳效率[16,18];氧不斷變化的增強蛋白2(OEE2)屬于光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)放氧族復(fù)合物,催化水裂解而放出氧氣,對維持光系統(tǒng)Ⅱ的穩(wěn)定性和放氧能力起重要作用[16,19];鐵氧還蛋白-NADP還原酶參與光系統(tǒng)的循環(huán)電子傳遞,催化電子從還原態(tài)的鐵氧還蛋白傳遞給NADP+,生成的還原力NADPH主要用于卡爾文循環(huán)中的CO2固定和葉綠體的其他代謝過程[20-21];細胞色素b6-f復(fù)合體是類囊體膜上可分離的多亞基膜蛋白,它的主要功能是參與光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)和光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)之間的電子傳遞,其組成成分細胞色素b6-f復(fù)合物鐵硫亞單位是光合自養(yǎng)生物所必需的蛋白[22]。
表4 對照費烏瑞它葉片差異蛋白的質(zhì)譜鑒定結(jié)果
本試驗中青薯9號在干旱脅迫條件下鑒定出與光合作用相關(guān)的蛋白質(zhì)9個,對照組鑒定出6個,主要包括核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶、轉(zhuǎn)酮醇酶、質(zhì)體醛縮酶、碳酸酐酶、鐵氧還蛋白-NADP還原酶、氧不斷變化的增強蛋白2(OEE2)、NADP-蘋果酸酶和核糖-5-磷酸異構(gòu)酶等在光系統(tǒng)和碳同化中起重要作用的鍵蛋白。費烏瑞它在干旱脅迫條件下鑒定出與光合作用相關(guān)的蛋白質(zhì)3個,對照組鑒定出4個,主要包括核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶、碳酸酐酶、NADP-蘋果酸酶和細胞色素b6-f復(fù)合體鐵硫亞基等在光系統(tǒng)和碳同化中起重要作用的蛋白質(zhì)。青薯9號無論在脅迫條件下和對照條件下鑒定出的蛋白質(zhì)均比費烏瑞它多,青薯9號在脅迫條件下鑒定出的蛋白蛋白質(zhì)比對照還多,可見其應(yīng)對干旱脅迫的能力較費烏瑞它強,青薯9號通過提高一些光合作用關(guān)鍵酶的表達,促進光合作用,從而提高青薯9號的抗旱性。
本試驗中,青薯9號在干旱脅迫條件下鑒定出與能量物質(zhì)代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)7個,對照組鑒定出6個,主要包括甘油醛-3-磷酸脫氫酶、ATP合成酶β亞基、ATP合成酶CF1α亞基、ATP合成酶CF1ε鏈、烯醇化酶同工酶X1、葉綠體錳穩(wěn)定蛋白、硫胺噻唑合酶、吡哆醛生物合成蛋白PDX1.3、核苷二磷酸激酶等蛋白質(zhì)。費烏瑞它在干旱脅迫條件下鑒定出與能量物質(zhì)代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)4個,對照組鑒定出5個,主要包括甘氨酸脫氫酶、ATP合成酶CF1ε鏈、琥珀酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶、吡哆醛生物合成蛋白PDX1.3、磷酸丙糖異構(gòu)酶等蛋白質(zhì)。
干旱脅迫下植物體內(nèi)的各種物質(zhì)能量代謝平衡被打破,為了維持正常的生理活動,各種代謝過程需要調(diào)節(jié)來抵御、響應(yīng)干旱脅迫。ATP合成酶廣泛存在于線粒體、葉綠體、細胞核中,是生物體能量代謝的關(guān)鍵酶,在細胞物質(zhì)運輸、信號傳導(dǎo)、物質(zhì)合成與分解等代謝活動中起決定作用[16];青薯9號在脅迫條件下鑒定出3個與ATP合成酶相關(guān)的蛋白,為干旱條件下各類代謝活動提供動力。甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDHs)在細胞的碳代謝中起著核心作用,是維持生命活動能量形成的最基本酶之一[23]。
青薯9號在干旱脅迫條件下鑒定出與抗氧化和防御相關(guān)的蛋白質(zhì)5個,對照組鑒定出3個,主要包括滲調(diào)蛋白、熱休克蛋白18、L-抗壞血酸過氧化物酶、病原相關(guān)蛋白、硫氧還蛋白過氧化酶、蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶、乳腺谷胱甘肽裂合酶等蛋白質(zhì)。費烏瑞它在干旱脅迫條件下鑒定出與抗氧化和防御相關(guān)的蛋白質(zhì)4個,對照組鑒定出4個,主要包括滲調(diào)蛋白、70 ku熱休克蛋白、病原相關(guān)蛋白、22.7 ku熱休克蛋白、谷氧還蛋白、硫氧還蛋白、41 ku葉綠體莖-環(huán)結(jié)合蛋白等蛋白質(zhì)。相關(guān)研究表明,提高植物體內(nèi)抗氧化酶類代謝的水平是增強植物抗逆性的途徑之一[24]。滲調(diào)蛋白[25]、熱休克蛋白[16,26]、病程相關(guān)蛋白[16]等干旱脅迫響應(yīng)蛋白在脅迫條件下的表達量增加,對提高植物的抗逆性具有重要意義。干旱脅迫下植物體內(nèi)氧化還原平衡狀態(tài)會被打破,積累對植物有毒害作用的活性氧,植物可通過抗氧化酶系統(tǒng)等保護機制來清除活性氧,其中硫氧還蛋白[27]、L-抗壞血酸過氧化物酶[26]、谷氧還蛋白[26]等的增量表達,對植物本身穩(wěn)固過氧化物酶體、清除活性氧,積極應(yīng)對干旱脅迫有重要意義。
青薯9號在干旱脅迫條件下鑒定出與信號傳導(dǎo)、生長發(fā)育相關(guān)的蛋白質(zhì)3個,對照組鑒定出5個,主要包括上游元件結(jié)合蛋白、Harpin結(jié)合蛋白、富含甘氨酸RNA結(jié)合蛋白、60S酸性核糖體蛋白P0、絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶PP2A-5催化亞基、NAC轉(zhuǎn)錄因子等蛋白質(zhì)。費烏瑞它在干旱脅迫條件下鑒定出與信號傳導(dǎo)、生長發(fā)育相關(guān)的蛋白質(zhì)0個,對照組鑒定出9個,主要包括33 ku核糖核蛋白、29 ku核糖核蛋白B、富含甘氨酸RNA結(jié)合蛋白、線粒體加工肽酶α亞基、延伸因子等蛋白質(zhì)。
富含甘氨酸RNA結(jié)合蛋白是植物中的一種高豐度蛋白質(zhì),參與干旱等逆境的反應(yīng)調(diào)節(jié)[28];NAC轉(zhuǎn)錄因子是一種重要的調(diào)控因子,參與植物生長發(fā)育、多種防御反應(yīng)以及激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等各種生理活動,受干旱等脅迫的誘導(dǎo)表達,參與植物的脅迫應(yīng)答[28],在植物抗旱、高鹽等非生物逆境脅迫中起重要作用,一些NAC基因可正向或負向調(diào)控植物對干旱、高鹽脅迫的耐受能力[29]。
綜上所述,2個品種盛花期葉片中共鑒定出81個差異蛋白質(zhì),其中78個有明確生理功能。耐旱性強的品種“青薯9號”共鑒定出45個差異蛋白質(zhì),包括光合作用相關(guān)蛋白(15個)、物質(zhì)能量代謝相關(guān)蛋白(14個)、抗氧化和防御相關(guān)蛋白(8個)和信號傳導(dǎo)、生長發(fā)育相關(guān)蛋白(8個)等;耐旱性弱的品種費烏瑞它共鑒定出33個差異蛋白質(zhì),包括光合作用相關(guān)蛋白(7個)、物質(zhì)能量代謝相關(guān)蛋白(9個)、抗氧化和防御相關(guān)蛋白(8個)和信號傳導(dǎo)、生長發(fā)育相關(guān)蛋白(9個)等;由此可見,干旱脅迫對耐旱性弱的馬鈴薯品種影響更大,2個品種對干旱脅迫的響應(yīng)調(diào)控途徑不同。植物對干旱脅迫的響應(yīng)存在著非常復(fù)雜的生理生化過程,表現(xiàn)在多路徑和水平的調(diào)控上,本試驗只對盛花期馬鈴薯葉片在干旱脅迫下蛋白質(zhì)組的響應(yīng)情況作了初步研究,一些干旱脅迫相關(guān)蛋白的具體功能還不十分清楚,因此,還需要借助一些新的技術(shù)和手段對馬鈴薯的抗旱機制進行進一步研究,尋找關(guān)鍵抗逆基因,解析馬鈴薯應(yīng)答干旱脅迫等逆境的分子機制。
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