李衛(wèi)錦,張靜文 ,袁長春,張 穎,
(1.嶺南師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣東 湛江 524048;2.海南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/熱帶島嶼生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 海口 571158)
【研究意義】紅樹林是重要的海洋資源,紅樹植物具有較強(qiáng)的耐潮汐能力,多分布在熱帶、亞熱帶海岸。紅樹林在沿海生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)中發(fā)揮重要作用,但紅樹植物與陸生植物相比種類極少[1]。隨著全球經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的影響[2-3],紅樹植物瀕危程度增加。引起紅樹物種瀕危的原因有植物長期進(jìn)化的內(nèi)在因素以及一些外部因素。其中,有性生殖障礙是影響物種瀕危的重要原因之一。紅欖李〔Lumnitzera littorea(Jack.)Voigt〕為使君子科(Combretaceae)非胎生紅樹植物,分布于印度、斯里蘭卡、緬甸、馬來西亞、泰國和我國的海南[1,4]。由于自然界和人類活動(dòng)的影響,該物種的種群出現(xiàn)高度破碎化并持續(xù)受到高度干擾[5]。在我國,紅欖李僅自然分布于海南的三亞和陵水,由于分布區(qū)域狹小、種子敗育和個(gè)體數(shù)量稀少而瀕臨滅絕[4-7]。目前紅欖李已被列為國家二級保護(hù)植物,在世界自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)紅色名錄中被列為受威脅物種[8]。2006—2018年該物種的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特征被相繼報(bào)道[4-7,9],但相關(guān)研究中對紅欖李種子敗育的分子機(jī)制仍未知。
【前人研究進(jìn)展】質(zhì)譜定量分析方法已經(jīng)成為植物蛋白質(zhì)組研究的一個(gè)重要工具。同位素標(biāo)記相對和絕對定量(isobaric tags for relative and absolute quantification,iTRAQ)技術(shù)在植物蛋白組學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛[10]。iTRAQ技術(shù)已應(yīng)用在植物根、葉、花藥、殼和芽等各組織蛋白質(zhì)組的鑒定中[10-12]。此外,植物對鹽脅迫、干旱脅迫、滲透壓、熱、鋁、汞和煙草花葉病毒(TMV)[12-15]等環(huán)境脅迫的響應(yīng)也已使用iTRAQ技術(shù)進(jìn)行分析。應(yīng)用iTRAQ技術(shù)已鑒定出陸地棉[13]、小麥[16]、番茄[17]和葡萄[18]等胚胎發(fā)育過程中的相關(guān)蛋白?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】瀕危植物紅欖李是國家二級保護(hù)植物,種子敗育是影響其瀕危的一個(gè)重要因素。本研究通過iTRAQ技術(shù)初步分析其種子敗育的分子機(jī)制。【擬解決的關(guān)鍵問題】借助iTRAQ定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)分析紅欖李不同育性種子蛋白質(zhì)組的表達(dá)差異。對質(zhì)檢合格的兩個(gè)蛋白質(zhì)組進(jìn)行酶解,iTRAQ標(biāo)記后進(jìn)行高效液相色譜、質(zhì)譜檢測;利用Mascot軟件進(jìn)行蛋白質(zhì)鑒定,通過iTRAQ定量尋找差異表達(dá)蛋白,并進(jìn)行GO功能注釋、KEGG代謝通路和蛋白互作分析,并通過實(shí)時(shí)熒光定量PCR對候選差異表達(dá)基因進(jìn)行驗(yàn)證,以期探討紅欖李種子敗育過程的分子機(jī)制。
收集紅欖李花瓣完全脫落后的種子??捎N子采集于泰國東海岸(12°23′N,102°16′E)的Lam Ri-ngun和Chanthaburi,敗育種子采集于海南省三亞市鐵爐港紅樹林保護(hù)區(qū)(18°15′N,109°42′E)。刀剖種子檢測胚是否發(fā)育。
采用Kambiranda等[18]的方法提取紅欖李幼嫩種子的蛋白質(zhì),采用Bradford蛋白濃度測定試劑盒(Thermoffisher Scientific, UN, China)對蛋白質(zhì)進(jìn)行定量分析(具體操作見說明書),最后將定量好的蛋白質(zhì)保存在-80℃冰箱中備用。
取100 μg總蛋白,加入Trypisn Gold溶液(樣品∶試劑=30∶1),37 ℃消化16 h,真空離心干燥獲得肽段干粉。用0.5 mol/L的TEAB復(fù)溶肽段,然后按照iTRAQ Reagen t8-plex試劑盒(SCIEX,Madison, WI, USA)進(jìn)行標(biāo)記(具體操作見說明書)。使用LC-20AB HPLC(Shimadzu, Kyoto, Japan)高效液相色譜系統(tǒng)進(jìn)行SCX色譜分析(具體操作見說明書)。
采用LC-20AD納米高效HPLC液相系統(tǒng)(Shimadzu, Kyoto, Japan),根據(jù)說明書用緩沖液A懸浮肽段,終濃度約為0.5 μg/μL。用自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)吸入10 μL上清液,置于2 cm的C18捕集柱上,然后洗脫入10 cm 的C18分析柱(內(nèi)徑75 μm)上。將樣品以8 μL/min的速度加載4 min,然后使用濃度梯度2%~35%的緩沖液B(98% ACN,0.1% FA)以300 nL/min的流速運(yùn)行44 min;接著在2 min內(nèi)使緩沖液B濃度上升至80%,保持4 min;最后在1 min內(nèi)使緩沖液B濃度降到5%。將肽段通過納米液相色譜系統(tǒng)(HPLC)分離,該系統(tǒng)直接與Q-EXACTIVE質(zhì) 譜 儀(MS,ThermoFisher Scientific, San Jose,CA)連接,分離的樣品進(jìn)入Q-EXACTIVE質(zhì)譜儀分析。MS掃描,一級MS全掃描的m/z范圍為350~2 000 u,二級MS全掃描的m/z范圍為100~1 800 u。
用 Proteome Discoverer 1.2(PD 1.2,Thermo)軟件和5600 MS轉(zhuǎn)換器將從Orbitrap獲得的原始質(zhì)譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MGF文件。蛋白質(zhì)的鑒定使用Mascot軟 件(Version 2.3.02, Matrix Science Inc.,MA, USA),選擇已經(jīng)建立好的紅欖李轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(NCBI登錄號:SRP127706)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫檢索。蛋白質(zhì)鑒定,完整肽段匹配誤差控制在20 mg/L以內(nèi),片段匹配誤差控制在0.02 u以內(nèi),胰蛋白酶消化最多允許1個(gè)發(fā)生錯(cuò)位。為了減少肽段鑒定的假陽性,待鑒定蛋白須符合Mascot概率分析軟件鑒定多肽的置信區(qū)間為99%以上,且在置信區(qū)間內(nèi)顯著性得分≥20。每個(gè)可信的鑒定蛋白都至少含有1個(gè)unique肽段。
在蛋白質(zhì)定量過程中,要求每個(gè)蛋白至少包含2個(gè)unique肽段。使用Mascot軟件中位數(shù)比值對蛋白質(zhì)的量進(jìn)行測定和標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)P<0.05且差異倍數(shù)>1.5時(shí)認(rèn)為該蛋白差異顯著。
利用Gene Ontology(GO)軟件將差異表達(dá)蛋白與GO-Annotation@EBI網(wǎng)站下載的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析。為明確差異表達(dá)蛋白的生物學(xué)功能特性,采 用 COG(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/COG/) 和KEGG(http://www.genome.jp/kegg/pathway.html)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行差異蛋白分析。蛋白質(zhì)的互作網(wǎng)絡(luò)分析使用STRING軟件[19]。
為驗(yàn)證iTRAQ結(jié)果,根據(jù)姚嘉龍等[20]的方法選擇8個(gè)候選基因?qū)Φ鞍踪|(zhì)組鑒定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。使用Primer Express軟件(Applied Biosystems)引物設(shè)計(jì),引物序列見表1。以基因ubiquitin為內(nèi)參,基因相對表達(dá)量的計(jì)算公式為F=2-ΔΔCt。
以紅欖李可育種子和敗育種子建立蛋白質(zhì)組,通過iTRAQ技術(shù)檢測共得到206 580個(gè)質(zhì)譜,通過Mascot 軟件分析,33 481個(gè)質(zhì)譜匹配到已知質(zhì)譜,30 435個(gè)質(zhì)譜與獨(dú)特的肽相匹配。另鑒定出6 138個(gè)已知肽段、5 769個(gè)unique肽和2 380個(gè)蛋白。肽段的數(shù)量分布如圖1所示,其中至少包含2個(gè)unique肽段的蛋白質(zhì)占比47%以上。而大于4肽的蛋白數(shù)量占比12.52%。
圖1 蛋白數(shù)量分布Fig. 1 Distribution of protein number
在敗育種子中共鑒定出448個(gè)差異表達(dá)蛋白,其中上調(diào)蛋白238個(gè)(53%)、下調(diào)蛋白210個(gè)(47%)。根據(jù)生物學(xué)過程進(jìn)行分類,其中1.86%的蛋白與生殖相關(guān),16.45%的蛋白參與代謝過程,15.78%的蛋白參與細(xì)胞過程,還有10.74%的蛋白被分類為單一生物過程蛋白(表2)。生物學(xué)功能特性分析結(jié)果表明,大多數(shù)蛋白都參與RNA加工和轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、無機(jī)離子轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝、翻譯后修飾以及蛋白質(zhì)更新和蛋白伴侶等過程(圖2)。
表1 候選基因qRT-PCR引物序列Table 1 qRT-PCR primer sequences for the candidate proteins
GO分析結(jié)果表明,大多數(shù)差異表達(dá)蛋白主要參與了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白的加工、RNA轉(zhuǎn)運(yùn)、RNA降解、囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的SNARE相互作用、植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及mRNA的監(jiān)測等生物學(xué)途徑(表3)。圖3所示蛋白相互關(guān)系,參照表3中蛋白號得出,與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工相關(guān)差異蛋白中的sec13同源蛋白、熱休克蛋白(Hsp70)、DNA修復(fù)蛋白(RAD23-3)、核轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白和去泛素保護(hù)蛋白(dph1)下調(diào),而UDP-葡萄糖轉(zhuǎn)移酶和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)素上調(diào);與RNA轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的差異表達(dá)蛋白伸長因子-1-α、真核生物翻譯起始因子3亞基B和C、小泛素相關(guān)修飾因子2、聚腺苷酸結(jié)合蛋白2和4、依賴ATP的DEAD-盒子RNA解旋酶38以及程序性細(xì)胞死亡蛋白4均為上調(diào)表達(dá),而真核翻譯起始因子3亞基f(elF3f)和RAN GTPase激活蛋白2在紅欖李敗育種子中出現(xiàn)下調(diào)表達(dá);與RNA降解相關(guān)差異表達(dá)蛋白中,只有Hsp70和烯醇化酶2表現(xiàn)為下調(diào),其余蛋白如熱休克結(jié)合蛋白1、U6 snRNA相關(guān)Sm類蛋白LSm5和多聚腺苷酸結(jié)合蛋白2和4均為上調(diào);與SNARE相互作用相關(guān)差異表達(dá)蛋白Syntaxin-132結(jié)合121和52上調(diào),而Syntaxin-23和24下調(diào);葡聚糖內(nèi)切-1,3-β-葡萄糖苷酶3是唯一的植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的上調(diào)蛋白;紅欖李敗育種子中與mRNA監(jiān)測相關(guān)的差異表達(dá)蛋白多聚腺苷酸結(jié)合蛋白表達(dá)量上調(diào)。
表2 不同育性種子差異表達(dá)蛋白的生物學(xué)過程分析Table 2 Biological process of the differentially expressed proteins of different fertility seeds
圖2 不同育性種子差異表達(dá)蛋白的功能分類Fig. 2 Functional classification of the differentially expressed proteins in different fertility seeds
表3 敗育紅欖李種子中差異表達(dá)蛋白的GO分析Table 3 Differentially expressed proteins in abortive L. littorea seeds by GO analysis
圖3 敗育種子中差異表達(dá)蛋白的互作網(wǎng)絡(luò)Fig. 3 Protein interaction network of the differentially expressed proteins in abortive seeds
為了驗(yàn)證iTRAQ分析的結(jié)果,在GO分析的基礎(chǔ)上從差異表達(dá)蛋白中篩選出8個(gè)候選基因進(jìn)行qRT-PCR檢測,從轉(zhuǎn)錄表達(dá)層面上對蛋白質(zhì)組鑒定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。其中4個(gè)基因RAD23、protein714、Syntaxin-121、依賴ATP的DEAD-盒子RNA解旋酶基因在敗育種子中上調(diào)表達(dá),而另外4個(gè)基因17.9 ku的Ⅱ類熱休克蛋白基因、去泛素保護(hù)蛋白dph1基因、葡聚糖內(nèi)切-1,3-β-葡萄糖苷酶基因、羧酸酯酶基因則下調(diào)表達(dá)(圖4)。在這8個(gè)差異基因中除了RAD23外其他7個(gè)基因的表達(dá)量與蛋白質(zhì)組檢測結(jié)果一致。
在我國,瀕危紅樹植物紅欖李存在嚴(yán)重的有性生殖障礙,表現(xiàn)為種子敗育率高,在沒有人工輔助育種的情況下種子萌發(fā)率幾乎為零[6,8],存在大量空胚現(xiàn)象[5,8]。但通過人工輔助育種等技術(shù)手段可實(shí)現(xiàn)紅欖李種子的萌發(fā)和幼苗撫育[4]。本研究利用iTRAQ的方法分析了紅欖李敗育種子和可育種子的蛋白組學(xué)差異情況,旨在揭示我國紅欖李種子發(fā)育過程中種子敗育的分子機(jī)制。在448個(gè)差異表達(dá)蛋白中,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)加工、RNA轉(zhuǎn)運(yùn)、RNA降解、SNARE在囊泡運(yùn)輸中的相互作用、植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和mRNA監(jiān)測等7類植物生理生化過程的蛋白都表現(xiàn)出不同的表達(dá)量。前人研究發(fā)現(xiàn),這些相關(guān)蛋白均不同程度參與陸地棉[13]、小麥[14]、金魚草[21]、番茄[22]、大豆[23]、擬南芥[24]、玉米[25]等眾多植物的胚胎發(fā)育過程,且不同程度調(diào)控植物的育性。這些差異蛋白的揭示為研究紅欖李種子敗育機(jī)制和采用基因工程手段進(jìn)行深入研究提供了研究基礎(chǔ)。
在敗育紅欖李種子中有11種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)加工相關(guān)蛋白差異表達(dá),其中sec13同源蛋白、DNA修復(fù)蛋白(RAD23-3)表達(dá)下調(diào)。在擬南芥中,sec13同源蛋白1通過控制AtDRP2A的膜結(jié)合在液泡運(yùn)輸中發(fā)揮作用[26]。在金魚草花發(fā)育過程中,RAD蛋白通過抑制DIV蛋白的表達(dá)抑制花的發(fā)育[21],而花的發(fā)育狀態(tài)直接影響種子的發(fā)育進(jìn)程。在番茄果實(shí)發(fā)育過程中,類RAD蛋白的功能非常保守,但其表達(dá)卻由環(huán)境和分子結(jié)合伴侶共同決定[22]。前期研究表明,參與淀粉代謝相關(guān)蛋白的表達(dá)會(huì)調(diào)控大豆雄性不育性狀[23]。本研究中紅欖李敗育種子的UDP-葡萄糖轉(zhuǎn)移酶出現(xiàn)了上調(diào)表達(dá)。植物的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)素對植物蛋白分泌代謝起重要作用,對植物組織的生長起促進(jìn)作用[27],該類蛋白在紅欖李敗育種子的蛋白質(zhì)組中表現(xiàn)為上調(diào)。
圖4 差異表達(dá)基因的qRT-PCR驗(yàn)證Fig. 4 qRT-PCR validation of differentially expressed genes
植物延長因子參與細(xì)胞周期進(jìn)程和部分細(xì)胞延長過程中蛋白質(zhì)的合成。本研究在敗育種子差異表達(dá)蛋白中發(fā)現(xiàn)了一種參與RNA翻譯過程的因子即延長因子-1-α,以及其他7種蛋白,包括真核生物翻譯起始因子3亞基B和C、小泛素相關(guān)修飾因子2、聚腺苷酸結(jié)合蛋白2和4、依賴ATP的DEAD-盒子RNA解旋酶38以及程序性細(xì)胞死亡蛋白4,均為上調(diào)表達(dá)。已有研究表明,翻譯起始因子可控制擬南芥熱響應(yīng)性生長的翻譯終止和終止密碼子的通讀[24],同時(shí)也會(huì)影響植物幼苗mRNA的選擇性翻譯[28]。RNA解旋酶是一種依賴NTP水解釋放能量來解旋雙鏈RNA分子的酶。RNA解旋酶與RNA分子所有活動(dòng)過程相關(guān),包括核轉(zhuǎn)錄、剪切、核糖體生物合成、RNA輸出和細(xì)胞器的基因表達(dá),廣泛參與植物的生長發(fā)育和脅迫反應(yīng)[25]。另外3種RNA轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白SEC13同源蛋白OS、真核翻譯起始因子3亞基f(elF3f)和RAN GTPase激活蛋白2在紅欖李敗育種子中出現(xiàn)下調(diào)表達(dá)。elF3f蛋白表達(dá)與植物的小配子發(fā)生有關(guān),從而影響花粉育性和種子發(fā)育情況[29]。RAN類蛋白是ras超家族中一種保守的小信號GTPase,參與RNAs和蛋白質(zhì)的核質(zhì)運(yùn)輸[30]。同時(shí)也參與有絲分裂過程,包括DNA的合成調(diào)控,紡錘體組裝,中心體復(fù)制,染色體排列、分離和解聚和核膜形成等[31]。在馬鈴薯中,RAN GTPase激活蛋白2在其免疫防護(hù)中發(fā)揮重要作用[32]。
在RNA降解相關(guān)蛋白中,熱休克蛋白(HSP)、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶、抗壞血酸過氧化物酶和銅/鋅超氧化物歧化酶均積極參與植物胚胎發(fā)育過程且發(fā)揮重要作用[26,31-32]。本研究鑒定出了一些小分子量的熱休克蛋白,如22 ku的Ⅱ類和17.9 ku的I類熱休克蛋白,這些小分子量的熱休克蛋白參與大豆的胚胎發(fā)育過程[33]。由蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖可見,HSP蛋白表現(xiàn)上調(diào),而UGGT蛋白表現(xiàn)下調(diào),這兩種蛋白質(zhì)協(xié)同作用,可能在紅欖李敗育種子的發(fā)育過程中發(fā)揮作用。
在植物細(xì)胞中SNAER介導(dǎo)的囊泡運(yùn)輸將細(xì)胞壁和膜上的物質(zhì)傳遞到細(xì)胞表面,在細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)、擴(kuò)張和生長中發(fā)揮重要作用[34]。SNAER蛋白參與植物對細(xì)菌的抗性和病理相關(guān)蛋白的分泌[35],能夠增強(qiáng)植物對干旱和病原體的抗性[36]。前期研究表明,紅欖李敗育種子受病害和蟲害的比例極高[4-6]。本研究參與到囊泡運(yùn)輸中的SNARE相互作用的差異表達(dá)是否為紅欖李種子發(fā)育過程中對病害和蟲害的應(yīng)急響應(yīng)仍需要持續(xù)驗(yàn)證。
在屬于植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的蛋白中,內(nèi)切-1,3-β-葡聚糖酶廣泛分布在細(xì)菌、真菌和高等植物中,可以水解多糖的特定糖苷鍵(β-1,3-葡聚糖殘基鍵)。在紅欖李敗育種子中葡聚糖內(nèi)切-1,3-β-葡萄糖苷酶3是唯一與植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的上調(diào)蛋白。內(nèi)切-1,3-β-葡聚糖酶常在整個(gè)植物體內(nèi)表達(dá),在小花、葉鞘和葉片中高度表達(dá),它也是水稻花粉發(fā)育過程中胼胝質(zhì)降解所必需的[37]。在敗育紅欖李種子中,兩個(gè)與病理相關(guān)蛋白表現(xiàn)下調(diào),這兩個(gè)蛋白是植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白中較為重要的蛋白,受到生物和非生物脅迫誘導(dǎo)[38]。
本研究發(fā)現(xiàn)在mRNA監(jiān)測途徑中的差異蛋白有3個(gè),其中2個(gè)功能未知,1 個(gè)為聚腺苷酸結(jié)合蛋白。通過蛋白質(zhì)組表達(dá)譜比較分析發(fā)現(xiàn),多聚腺苷酸結(jié)合蛋白與水稻溫敏性雄性不育相關(guān)[39]。酵母多聚腺苷酸結(jié)合蛋白基因(PAB1)在植物中表達(dá)時(shí)可作為一種致病模擬基因[40]。在紅欖李敗育種子中多聚腺苷酸結(jié)合蛋白表達(dá)量上調(diào)。葡萄糖和植物激素(如ABA、GA和乙烯)協(xié)同調(diào)控植物種子的萌發(fā)和幼苗早期發(fā)育。真核生物釋放因子1-2(在半不育種子中表達(dá)量下調(diào))影響擬南芥種子萌發(fā)和幼苗早期發(fā)育過程中對葡萄糖和植物激素的響應(yīng)[41]。
本研究借助iTRAQ技術(shù)對紅欖李不同育性種子的蛋白質(zhì)組表達(dá)差異進(jìn)行分析,經(jīng)GO分析發(fā)現(xiàn)大多數(shù)差異表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子參與了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工、RNA轉(zhuǎn)運(yùn)、RNA降解、囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的SNARE相互作用、植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和mRNA監(jiān)測途徑。而許多研究都證明這些差異表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子大多與花粉和種子發(fā)育、種子萌發(fā)、幼苗早期發(fā)育、環(huán)境脅迫和抗病性有關(guān)。在GO分析的基礎(chǔ)上篩選出8個(gè)候選基因進(jìn)行qRT-PCR分析,結(jié)果顯示有7個(gè)基因的表達(dá)量與蛋白質(zhì)檢測結(jié)果一致,這從轉(zhuǎn)錄表達(dá)層面上對蛋白質(zhì)鑒定的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,從而肯定了蛋白質(zhì)組檢測結(jié)果的正確性,為紅欖李敗育種子的分子機(jī)制深入研究奠定了基礎(chǔ)。