植物質(zhì)膜蛋白質(zhì)組的逆境應(yīng)答研究進(jìn)展

摘要 質(zhì)膜作為原生質(zhì)體與外界環(huán)境的屏障, 除了維持正常的細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和營養(yǎng)狀況, 還參與感知和應(yīng)答各種環(huán)境脅迫。近年來, 植物質(zhì)膜蛋白質(zhì)組學(xué)研究為深入分析植物應(yīng)答不同生物和非生物脅迫的分子機(jī)制提供了重要信息, 已經(jīng)報(bào)道了模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)等10種植物質(zhì)膜應(yīng)對生物脅迫(白葉枯病菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)感染)與非生物脅迫(冷、鹽、水淹、滲透、高pH值、 Fe缺乏及過量、氮素、脫落酸、殼聚糖和殼寡糖)過程的蛋白質(zhì)豐度模式變化。通過整合分析植物質(zhì)膜響應(yīng)逆境的蛋白質(zhì)組學(xué)研究結(jié)果, 揭示了質(zhì)膜在植物應(yīng)答逆境脅迫過程中的重要作用。植物通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、通道蛋白及膜泡運(yùn)輸相關(guān)蛋白的豐度變化促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)外的信號(hào)傳遞、物質(zhì)交換與運(yùn)輸; 同時(shí)利用膜相關(guān)的G蛋白、 Ca2+信號(hào)、磷酸肌醇信號(hào)途徑及BR信號(hào)途徑等多種信號(hào)通路, 通過蛋白質(zhì)可逆磷酸化作用感知和傳遞脅迫信號(hào), 調(diào)節(jié)植物抵御脅迫。研究結(jié)果為從蛋白質(zhì)水平認(rèn)識(shí)質(zhì)膜逆境應(yīng)答分子調(diào)控機(jī)制提供了新線索。

質(zhì)膜(plasma membrane, PM)是細(xì)胞原生質(zhì)體與外界進(jìn)行物質(zhì)交換和信息交流的基礎(chǔ), 對完成細(xì)胞間的各種代謝活動(dòng)及以細(xì)胞分裂與分化為基礎(chǔ)的生長發(fā)育過程均具重要作用。對植物細(xì)胞而言, 物質(zhì)跨PM運(yùn)輸是細(xì)胞壁生長與代謝的基礎(chǔ), PM與細(xì)胞壁一起成為細(xì)胞應(yīng)答外界環(huán)境的屏障(Mongrandet al., 2010)。質(zhì)膜與細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)和各種細(xì)胞器膜構(gòu)成了細(xì)胞內(nèi)外信號(hào)分子、離子、激素以及其它代謝物等進(jìn)行交換的媒介, 對細(xì)胞生長以及環(huán)境應(yīng)答至關(guān)重要(Yadeta et al., 2013)。在PM磷脂雙分子層上, 以各種形式分布的蛋白質(zhì)(整合蛋白、外周蛋白和膜錨定蛋白等)是PM行使功能的基礎(chǔ)。它們在構(gòu)成PM基本結(jié)構(gòu)、感知與轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)、細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)運(yùn)輸以及防御脅迫等方面都發(fā)揮重要作用。因此, 深入解析植物PM蛋白質(zhì)的組成、分布與功能對認(rèn)識(shí)細(xì)胞信號(hào)與代謝活動(dòng)的分子機(jī)制具有重要意義。

多數(shù)PM蛋白質(zhì)疏水性強(qiáng), 很難被高通量、大規(guī)模地解離和鑒定, 這給研究PM蛋白質(zhì)組成模式帶來了困難。由于雙向電泳與質(zhì)譜結(jié)合的方法對鑒定疏水性、低豐度和堿性蛋白有一定的局限性, Nouri和Komatsu (2010)利用液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用互補(bǔ)分析, 高通量地鑒定到了多種PM蛋白。近年來, 質(zhì)膜蛋白質(zhì)分離技術(shù)不斷完善, 高通量蛋白質(zhì)組學(xué)研究平臺(tái)逐步建立, 這為大規(guī)模研究植物PM蛋白質(zhì)組成與功能奠定了良好的基礎(chǔ)。Alexandersson等(2004)利用水兩相系統(tǒng)(aqueoust wo-phase system)分離了擬南芥(Arabidopsis thaliana)葉片PM, 并使用梯度SDS-PAGE結(jié)合液相色譜-電噴霧電離質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù), 鑒定到238種PM相關(guān)蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)主要參與跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、膜泡運(yùn)輸以及脅迫響應(yīng)等代謝過程。此外, Peskan等(2000)根據(jù)PM微區(qū)(包括鞘脂和固醇等)在4°C下不溶于非離子型去垢劑(如TritonX-100)的特點(diǎn), 利用梯度離心技術(shù)獲得了PM微區(qū)組分。PM微區(qū)作為細(xì)胞膜支架, 參與多種重要的細(xì)胞活動(dòng), 如膜運(yùn)輸、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、胞吞和胞吐途徑等。使用溫和的方法(如弱去污劑翻轉(zhuǎn)PM囊泡或反復(fù)凍融PM重懸液)可打開PM微區(qū)的囊泡, 獲得PM表面可溶性蛋白, 利用相對劇烈的方法(如堿性條件洗脫或者有機(jī)溶劑萃取)則可將PM外在蛋白與整合蛋白分開(Han et al., 2010)。

蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)的植物質(zhì)膜蛋白質(zhì)參與的脅迫應(yīng)答途徑

近年來, 關(guān)于植物PM逆境 （生物脅迫，如白葉枯病菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xoo)感染以及非生物脅迫，如冷、鹽、水淹、滲透、高pH值、Fe缺乏及過量、脫落酸、殼聚糖和殼寡糖)應(yīng)答蛋白質(zhì)組學(xué)研究已有大量報(bào)道。擬南芥(Kawamuraand Uemura, 2003; Minami et al., 2009; Li et al., 2012a)、水稻(Oryza sativa) (Chen et al., 2007a, 2007b; Malakshah et al., 2007; Hashimoto et al., 2009; Cheng et al., 2009)、大豆(Glycine max) (Komatsu et al., 2009; Nouriand Komatsu, 2010)、玉米(Zea mays) (Hopff et al., 2013)、豌豆(Pisum sativum) (Meisrimler et al., 2011)、黑麥(Secale cereale) (Takahashi et al., 2013)、燕麥(Avena sativa) (Takahashi et al., 2013)、海蓬子(Salicornia europaea) (Nie et al., 2015)、杜氏鹽藻(Dunaliella salina) (Katz et al., 2007)及集胞藻屬(Synechocystis)植物(Huang et al., 2006; Zhang et al., 2009)幼苗、葉片、根和下胚軸等器官, 以及單細(xì)胞PM在應(yīng)答上述各種脅迫過程中的豐度差異蛋白質(zhì)見表1。我們整合分析了上述10種植物中參與各種逆境應(yīng)答過程的723種PM蛋白質(zhì), 利用PSI以及PHI-BLAST分析(http://www.ncbi.h. gov/BLAST/), 對其中89種推測的蛋白質(zhì)(Predicted/hypothetical/putative proteins)進(jìn)行了注釋; 同時(shí), 我們根據(jù)TMHMM2.0服務(wù)器(http://www.cbs./services/TMHMM)跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測的結(jié)果, 將這些蛋白質(zhì)分為具有跨膜結(jié)構(gòu)域的整合蛋白(486種) (附表1)和膜相關(guān)蛋白(包括外周蛋白、膜錨定蛋白以及其它未檢測到跨膜結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)) (237種)兩類(附表2)。在此基礎(chǔ)上, 通過分析不同物種中蛋白質(zhì)的同源性與功能, 將這些蛋白質(zhì)整理為非冗余的整合蛋白(100種) (附表3)和膜相關(guān)蛋白(70種) (附表4)。這些蛋白質(zhì)豐度的動(dòng)態(tài)變化為認(rèn)識(shí)逆境應(yīng)答過程中PM參與的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài)、細(xì)胞壁重塑及脅迫防御等生物學(xué)事件的分子調(diào)控機(jī)制提供了新線索。

注：因篇幅有限，只節(jié)選了部分內(nèi)容。論文全文鏈接：

http://www./CN/10.11983/CBB16001