涝渍胁迫下玉米叶片蛋白质组学分析

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玉米是一种重要的经济作物,全世界每年的玉米产量因为洪涝灾害而受到严重的影响。本研究通过人工模拟涝渍伤害,对玉米幼苗进行涝渍胁迫。通过涝渍胁迫条件下玉米叶片总蛋白的提取、二维荧光差异凝胶电泳对玉米幼苗叶片进行蛋白差异性表达的分析,并从细胞程序性死亡的角度研究涝渍胁迫下玉米幼苗对涝渍胁迫的适应机制。  玉米幼苗在55cm×35cm×10cm盆中生长到四叶期后进行涝渍胁迫处理,然后测定基础生理指标。其中叶绿素含量,最大光化学效率,叶片相对含水量及叶片水势在胁迫后的叶片中呈下降趋势,DI0/RC(单位反应中心耗散的能量)呈上升趋势;在涝渍胁迫4天后,第一第二叶比第三第四叶表现出更严重的胁迫响应。同时检测到H2O2在涝渍胁迫三天后开始爆发。涝渍胁迫四天后,玉米幼苗第三叶检测到明显的DNA片段化,据此判定涝渍胁迫在玉米叶片中诱导了细胞程序性死亡(Programmedcelldeath,PCD)。  依据上述胁迫条件下各叶片的生理生化变化,以涝渍胁迫4天后的玉米幼苗第三叶为实验材料提取叶片总蛋白,利用二维荧光差异凝胶电泳(2D-DIGE)及MALDI-TOF/TOF质谱技术对胁迫响应蛋白进行分析鉴定,发现32个蛋白点在胁迫后的表达发生显著变化(与胁迫前相比,蛋白表达差异>2.5倍且具备统计学显著性,p-value<0.05),其中18个蛋白点上调,14个蛋白点下调。在这些差异蛋白点中,成功鉴定了28个蛋白点,包括10个与光合作用及能量代谢相关的蛋白(其中有4个点鉴定为同一蛋白),9个与PCD相关的蛋白(其中有两个点鉴定为同一蛋白)以及5个与激素、多胺有关的蛋白。与PCD相关的蛋白多为PCD调控因子,包括防御相关蛋白3-β羟固醇脱氢酶家族蛋白(3-betahydroxysteroiddehydrogenase/isomerasefamilyprotein)、壳多糖酶(Chitinase)和Harpin结合蛋白,及50S核糖体蛋白L21(50SribosomalproteinL21)、pleckstrin同源域家族A(pleckstrinhomologydomaincontaining,familyA)、DREPP4蛋白、fruitproteinPKIWI502、热激蛋白70和假定的热激蛋白-翻译控制肿瘤蛋白(translationally-controlledtumorprotein)。其中热激蛋白70在涝渍胁迫下的上调表达显示了植物细胞对PCD这一主动死亡过程的平衡控制。我们对其中一个PCD相关蛋白,假定的热激蛋白Translationally-controlledtumorprotein(TCTP)开展了进一步研究。组织特异性表达检测发现,TCTP基因在水稻根、茎、叶中的表达量依次递减。通过热激诱导水稻悬浮细胞原生质体PCD、暗诱导拟南芥及水稻幼苗叶片衰老、烟草花叶病毒侵染烟草叶片组织诱导超敏反应等不同类型的PCD,利用荧光定量PCR检测TCTP的转录水平时发现,在热激诱导水稻原生质体PCD过程中,TCTP转录水平的显著上升滞后于DNA片段化。在TMV侵染烟草叶片诱导超敏反应的过程中,TCTP基因在7h时表达显著上升,而超敏反应标志基因hsr203J在侵染后5h表达即上升。在暗诱导水稻幼苗叶片衰老的过程中,在叶片开始黄化的36h,伴随类caspase-3活性的上升,TCTP的表达量显著上升,但在类caspase-3活性处于最大值时的48h,TCTP的表达已出现下降。与此相反,在暗诱导拟南芥幼苗叶片衰老的过程中,TCTP基因的表达量始终呈上升趋势。序列分析表明,水稻和玉米TCTP蛋白同源性较高(79.64%),而与拟南芥同源性较低(76.05%),水稻和拟南芥的同源性较低(76.19%)。研究结果表明,TCTP与植物PCD密切相关,但具体的调节方式在水稻和拟南芥中可能并不相同。在5个与激素、多胺相关的蛋白中,S-腺苷甲硫氨酸合成酶2(SAMS2)与乙烯和多胺合成相关,控制叶角蛋白(controlleafangleprotein),PISTILLATA-likeMADSboxprotein参与乙烯介导的信号转导,转录因子HRT(Hordeumrepressoroftranscription)抑制GA诱导的基因表达,AUX/IAAprotein参与生长素的信号传导。对内源激素含量的测定表明,涝渍胁迫下内源乙烯及ABA的含量增加,GA和IAA的含量下降。涝渍胁迫后在玉米叶片内未检测到ACC合成相关基因的表达,而多胺合成相关基因表达上调且腐胺和精胺含量显著增加。据此,SAMS2表达上调是涝渍胁迫下玉米叶片内多胺含量上升的主要原因,而转录因子HRT在GA含量下降的过程中发挥重要的辅助作用。  以上结果显示,涝渍胁迫下玉米幼苗的光合作用、能量代谢均受到影响,植物通过降低ATP的损耗以及糖异生途径的抑制来减少胁迫造成的伤害,同时内源激素、多胺的共同作用可能是诱导PCD的重要信号。
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