低温对植物叶片蛋白质组的影响_在低温条件下将叶片

　　摘要低温会影响植物形态与代谢活动，植物应答低温胁迫的生理与分子生物学机制一直是人们关注的热点问题。分析了拟南芥（Arabidopsis thaliana）等7种植物应对低温胁迫的蛋白质组学研究结果，为全面理解植物低温应答机制提供了线索。
　　关键词低温；植物；叶片；蛋白质组
　　中图分类号Q945.79文献标识码A文章编号 1007-5739（2011）08-0029-02
　　
　　LowTemperature-responsiveMechanismsinPlantLeavesRevealedbyProteomics
　　SUN YongDAI Shao-jun *
　　（Alkali Soil Natural Environmental Science Center of Northeast Forestry University，Key Laboratory of Saline-alkali Vegetation Ecology Restoration in Oil Field，Ministry of Education，Harbin Heilongjiang 150040）
　　AbstractLow temperature has effect on plant morphology and metabolism throughout the lifecycle of plants，the mechanisms of low temperature-responsive physiology and molecular ecology in plants are one of the hot topics recently.This paper analyzed all the informations revealed from these differentially expressed proteomics researches on seven plants represented by Arabidopsis thaliana，which provided a fundamental understanding and knowledge about molecular mechanisms of plant in response to low temperature.
　　Key wordslow-temperature；plant；leaves；proteome
　　
　　低温是主要的限制性环境因子之一，分析植物应答低温过程中的生理与分子生物学特性是深入研究植物低温应答分子调控与代谢机制的基础，也将为提高植物耐低温特性和作物产量提供重要信息。近年来，人们利用高通量的蛋白质组学技术对拟南芥（Arabidopsis thaliana）[1]、盐芥（Thellungiella halophila）[2]、水稻（Oryza sativa）[3-7]、小麦（Triticum aestivum）[8-9]、西伯利亚云杉（Picea obovata）[10]、山杨（Populus tremula）[11]和麻风树（Jatropha curcas）[12]等植物应对低温胁迫过程中叶片差异表达蛋白质组进行了分析。该文在综述植物叶片低温胁迫应答蛋白质组学研究进展的基础上，整合分析了蛋白质组学研究揭示的植物低温应答的分子机制，以为植物抗逆性的研究提供参考，为进一步分析植物体内的分子信号/调控体系与低温生态环境的网络动态耦合机制提供了重要线索。
　　1通过光合作用相关酶的表达模式变化调节能量与碳吸收
　　植物通过改变蛋白质表达模式形成如下低温应答机制来调控能量与碳吸收：①通过光系统Ⅱ复合体蛋白质表达变化调节光能吸收。低温胁迫影响植物叶片中放氧复合体蛋白（OEC）的表达模式变化[2-6，8-10，12]，这将有利于植物产生更多的氧气以维持机体代谢水平，同时还能增强PSⅡ的稳定性，有助于维持光合效率；②电子传递链相关蛋白质表达模式变化。光合作用电子传递链中的Rieske蛋白、质体蓝素、依赖NADP（H）的铁氧还蛋白氧化还原酶（FNR）等多种蛋白质受到低温的影响[1-3，9，12]；③通过卡尔文循环调节CO2固定效率。卡尔文循环中参与碳固定的关键酶，如核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）、Rubisco亚基结合蛋白和Rubisco活化酶等都受到低温的影响[2，4，6-9，11-12]。植物通过改变参与CO2固定关键酶的表达模式调节CO2固定效率，应对低温胁迫下由气孔关闭导致的CO2不足。此外，植物还可以利用碳酸酐酶催化细胞质中的碳酸氢盐转换为CO2，增加细胞内CO2浓度，进而提高Rubisco的固碳效率[2]。此外，植物中其他卡尔文循环相关酶的表达模式也表现出了多样性的变化，如磷酸甘油酸激酶、磷酸核酮糖激酶、景天庚酮糖-1，7-二磷酸酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶、磷酸丙糖异构酶等[2-4，6，11-12]。
　　2通过糖类与能量代谢相关酶表达模式变化调节能量与碳骨架供应
　　受低温胁迫的水稻叶片中，参与三羧酸循环的乌头酸水合酶[3-4]和苹果酸脱氢酶[4，6]表达丰度上调。相反，经-20 ℃处理的西伯利亚云杉叶片中，苹果酸脱氢酶表达量却出现下调[10]。植物叶片中多种参与糖酵解途径的酶（如果糖-1，6-二磷酸醛缩酶、磷酸丙糖异构酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶、磷酸甘油酸激酶、磷酸甘油酸变位酶、烯醇酶等）表达模式的变化在不同物种和不同处理条件下表现出多样性[1，2，4，6，9-10，12]。同时，参与葡萄糖和蔗糖合成/分解与细胞壁代谢的酶表达丰度改变，如蔗糖合成酶、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶、β-1，3-葡聚糖酶、糖苷水解酶、β-半乳糖苷酶等[2-4，6-7，9，11]。此外，低温胁迫下植物体内能量产生相关的酶代谢活动较活跃，如ATP合酶、NADH脱氢酶和腺苷酸激酶表达上调[2，4，8，11]。
　　3利用活性氧（ROS）清除与氧化还原机制抵御低温胁迫
　　低温胁迫通常会造成大量活性氧（ROS）积累，相关酶的活性受到影响。不同植物应对低温胁迫过程中抗氧化酶系的多种酶上调，如Cu/Zn-超氧化物歧化酶、草酸盐氧化酶、萌发素类蛋白、抗坏血酸过氧化物酶、脱氢抗坏血酸还原酶、谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽转移酶、过氧化物酶、过氧化氢酶[2-6，9-10，12]。同时，与此过程相关联的几种重要酶的表达也发生变化，如水稻、小麦、山杨叶片中的硫氧还蛋白（TRX）表达都上调[4-5，9，11]。水稻叶片中半胱氨酸合成酶表达上调[4]，而在小麦和麻风树叶片中表达下调[9，12]。水稻叶片中GDP -甘露糖3′，5′-差向异构酶表达上调[3]。其他一些参与氧化还原反应的蛋白质，如乙醛脱氢酶、草酰辅酶A脱羧酶、硫胺素生物合成酶、肽基甲硫氨酸亚砜还原酶、植物凝集素、晚期胚胎富集（LEA）蛋白、脱水素、ABA胁迫诱导蛋白、普遍胁迫蛋白质和病程相关蛋白质都表达上调[1-5，8-11]，而醛酮还原酶表达下调[4]。
　　4利用转录、翻译与翻译后调控调节蛋白质表达模式
　　在低温环境中，植物可以通过调节转录因子的表达模式来精细调控相应基因表达。如富含甘氨酸的RNA结合蛋白[1-4，8，10-11]、DNA结合蛋白[8]和甲基化DNA的结合蛋白[8]表达上调。而富含三角状五肽蛋白表达丰度下调[4]。同时，蛋白质合成机器的组成蛋白质以及相关调节蛋白质表达丰度的变化直接决定了蛋白质合成的效率。低温胁迫下真核翻译起始因子4A亚基、延伸因子2、延伸因子TU、翻译延伸因子1β亚基、翻译延伸因子G、亲环蛋白、酸性核糖体蛋白P3a、核糖体蛋白L7AC和核糖体蛋白S12等上调表达[1-4，7-9]。也有些蛋白质合成相关蛋白质表达丰度下调，如翻译延伸因子G、翻译延伸因子1β亚基、翻译起始因子5A、翻译延伸因子1β亚基和翻译延伸因子P等[4，6，8-9]。此外，参与蛋白质折叠与修饰的蛋白质在植物应对低温胁迫时具有重要作用，如60kDa分子伴侣α和β亚基、含犰狳结构域蛋白和肽基脯氨酰异构酶表达上调[3-4，6]。20kDa分子伴侣、热激蛋白70、热激蛋白20、二硫键异构酶和新生多肽相关复合体α链等在一些物种中表达上调，但在其他物种中下调[2-4，8，10-11]。西伯利亚云杉叶片中的亲环蛋白、AAA+ATPase家族蛋白和AAA+FtsH-like蛋白的同工型既有上调表达，也有下调表达[10]。另外，通过蛋白酶体及相关酶的作用，将低温条件下因折叠错误或受到伤害而失去正常功能的蛋白质分子及时降解，对于保证植物体正常生长具有重要作用。低温条件下，蛋白酶家族的FtsH-like protein Pftf precursor、依赖ATP的叶绿体蛋白酶的ATP结合亚基、半胱氨酸蛋白酶抑制因子和20S蛋白酶体α亚基表达都上调[2-4]。
　　5通过ABA与G蛋白偶联受体介导的信号转导通路应答低温信号
　　多种蛋白质参与低温胁迫应答信号转导过程，主要包括：①小G蛋白与钙调蛋白参与的信号转导过程。水稻叶片中RAB2A表达上调[4]，而钙调蛋白前体表达下调[6]，水稻叶鞘中磷酸化的钙调蛋白的两个同工型分别上调和下调[7]；②蛋白激酶参与的信号传递与放大过程。山杨叶片中有丝分裂原激活蛋白激酶（MAPK）在处理7 d时上调，14 d时下调，而MAPK3的表达丰度终呈上调趋势[11]，水稻叶片中MAPK活化蛋白表达下调[4]。核苷二磷酸激酶参与由H2O2介导的MAPK信号转导途径，它的表达上调[5-6，9]；③磷酸酶参与的ABA信号转导途径。水稻叶片蛋白磷酸酶2C[4]和盐芥叶片SAL1磷酸酶的表达丰度都上调[2]；④14-3-3蛋白参与的质膜H+-ATP酶（或液泡膜V-ATP酶）活性调节过程。水稻叶片中14-3-3蛋白下调表达[6]；⑤其他参与信号转导过程的蛋白质，如类S-Rnases、类WAK1基因产物蛋白和鸟嘌呤核苷酸结合蛋白亚基都上调表达[3-4，9]。
　　6通过细胞骨架重塑与跨膜运输调节细胞形态与能量/物质运输
　　低温胁迫下多种细胞骨架和跨膜运输相关蛋白质表达发生变化，如小麦叶片中微管蛋白表达下调[8]，微管蛋白[8]和肌动蛋白结合蛋白[9]表达却上调。同时，水稻叶片中类原纤维蛋白[5]和类肌球蛋白[4]表达量上调。盐芥叶片中肌动蛋白的同工型B的表达类型则不同，它在前5 d表达上调，但24 d后其表达下降到正常水平[2]。此外，脂钙蛋白[10]和膜联蛋白[11]表达上调，而液泡型ATPase亚基和H+-ATP合成酶表达都下调[6]。
　　7结语
　　低温对植物形态结构和代谢活动都有明显的影响甚至伤害，植物在逆境下会产生复杂的生物化学和生理学上的响应。植物对低温等逆境的响应是多基因协同作用的网络调控过程，蛋白质组学研究为揭示这一过程的分子生态学调控机制提供了重要的信息，为今后深入研究植物低温应答的分子生态学机理提供了重要信息。在此基础上，深入分析参与这些调控过程的转录因子与关键基因/蛋白质的生物学功能，对于进一步改良能够适应特定低温生态环境的抗逆新品种具有重要的作用。
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