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植物胁迫
蛋白质组学技术在植物逆境生物学研究中的应用
发布日期:2016.06.14

蛋白质是直接的生物学功能的执行者。蛋白质行使正确的生物学功能需要准确的定位,形成复杂的高级结构,进行翻译后修饰,或者与其他蛋白质发生相互作用。这些是基于基因和转录本水平的研究无法揭示的。因此,从蛋白质水平上进行机制的研究和探索是十分必要的。与针对单个蛋白质的研究相比,蛋白质组学的研究更系统,更全面,更广泛。蛋白质组学技术的发展已经成为现代生物技术快速发展的重要支撑。在植物逆境生物学研究领域中,蛋白质组学技术在揭示胁迫分子机制,寻找和筛选育种生物标志物等方面做出了重要的贡献。

 

 

植物在生长发育的各个阶段容易受到来源于周围环境的各种胁迫,主要分为生物胁迫(例如病虫害等),与非生物胁迫(旱胁迫,水胁迫, 盐胁迫,高温胁迫,光胁迫等)两大类。这些胁迫会对植物的生长发育造成极大的负面影响,从而影响植物的株型、存活率、产量等等,造成极 其严重的生态、社会与经济层面的负面影响。

 

在植物逆境生物学研究中,迫切地需要揭示植物响应胁迫信号的机制、胁迫信号转导的机制以及植物遭遇胁迫后的自我修复机制。同时也需要找到在胁迫应对与修复过程中的关键因子并加以改造,从而能够选育出抗逆性好、产量高的优质品种。

 

概括地说,在植物逆境生物学研究中,蛋白质组学主要应用于以下三个方向的研究和探索:

 

①比较不同胁迫条件下的蛋白质表达量差异变化;②分析蛋白质的翻译后修饰位点和以及不同条件下的蛋白质修饰水平变化;③解析蛋白质复 合物组成或者蛋白质相互作用。

 

蛋白质组学的研究和应用思路主要有以下 三类:

 

I 锚定某一个具体的胁迫或者修复机制进行研 究,通过组学的手段大规模的挖掘和积累数据。 在该研究思路中蛋白质组学技术可以独立应用, 也可以和其他组学数据进行整合分析,从而更加综合、全面、立体地来揭示和阐明机制。


 

II 基于前期工作的积累,已经将研究对象聚焦到某一个具体的功能蛋白质或者重要通路。应用质谱技术来解析目标蛋白质的序列、修饰形式和修饰位点、蛋白质复合物的组成,或者互作蛋白。

 

III 应用质谱技术研究和揭示某一特定条件或者特定组织、细胞器的蛋白质表达谱或者修饰谱。

 

 

以下将举例说明蛋白质组学在植物逆境生物学研究领域中的具体应用和已经取得的部分成果。

 

蛋白质组学技术在胁迫信号响应、胁迫信号转导机制研究中的应用

 

Y Fukao等人[1]旨在应用iTRAQ技术(同位素相对标记和绝对定量技术)分析拟南芥微粒体锌胁迫条件下蛋白质表达的差异,从而在蛋白质水平上揭示拟南芥应对锌胁迫的分子机制。他们 一共鉴定到500多个蛋白质,其中IRT1FRO2因高锌胁迫而丰度积累,H+-ATPase (V-ATPase)三个亚基丰度明显下降,而这些蛋白质的丰度变 化都能从表型以及后续的生理生化实验中得到验证。该研究从蛋白质组水平有效地揭示了拟南芥应对锌胁迫的机制,同时也为其他物种,其他胁迫的分子机制提供了一定的参考。

 

Katja Baerenfaller 等人 [2] 结合多种组学手段,从转录组与蛋白质组两个层面同时开展了研究,揭示叶片生长各个阶段应对干旱胁迫时转录 组与蛋白质组之间的协同程度,揭示了叶片生长中应对干旱胁迫的机制。该研究通过转录芯片和iTRAQ技术分别对干旱胁迫条件下的转录本和蛋白质丰度进行了检测,一共鉴定到2000多个蛋白质。通过生物信息学分析,研究者发现转录组与蛋白质组之间并不呈完全的正相关,转录组丰度受昼夜节律影响,蛋白质组几乎不受昼夜节律的影响。该研究不仅从转录组和蛋白质组两个层面揭示了拟南芥应对干旱胁迫的机制,同时再次表明转录组的信息不能完全代表蛋白质组的信息, 进行蛋白质组的研究是十分有必要的。


2010年,KG Kline等人[3]利用磷酸化蛋白质组学技术(大规模分析蛋白质的磷酸化位点及修饰变化的组学技术)全面描绘了拟南芥受ABA处理后体内磷酸化的变化图谱。他们发现50个肽段的磷酸化水平发生了显著变化,其中更是首次在体内发现了ABA途径中snRK2的作用。同时, 该研究还发现了其他一些十分重要的蛋白质,揭示ABA受体介导的短时应答效应不仅仅只通过抑制磷酸酶的作用来实现,还存在其他未知的可以降低下游靶蛋白磷酸化水平的ABA信号通路。

 

HopQ1是假单胞菌入侵植物时假单胞菌释放入植物体内,可以降低植物免疫力的一类效应因子。W Li等人[4]试图从该蛋白的互作蛋白网络入手揭示其引起植物抵抗能力降低的分子机制。他们发现首先通过IP得到了可以和HopQ1结合的蛋白质复合物,然后利用基于质谱技术的蛋白质定性手段对该蛋白质复合物进行分析,发现 HopQ1在番茄中是存在磷酸化形式,并且蛋白质复合物中有 14-3-3 家族的TFT1-7,以及TF19 TFT10,揭示了HopQ1降低植物对假单胞菌抵抗能力的分子机制。该成果 2013 年发表在 Plant Physiology上。

 

蛋白质组学技术在胁迫后自我修复机制 研究中的应用

 

K Chen等人[5]2012年在Plant Cell Environ上发表了一项关于冻融胁迫的研究。该研究应用 DIGE(荧光差异凝胶电泳技术),比较和分析未经冻融胁迫、冻融胁迫后损伤、以及冻融胁迫后修复洋葱的蛋白质组表达差异,发现58个蛋白质在冻融修复过程中表达量上调。经过生物信息 学分析发现这些冻融修复蛋白质多与细胞自动调节,细胞壁重塑,ROS清除等过程紧密联系相关。该研究还根据冻融胁迫修复相关蛋白质的信 息建立了洋葱冻融胁迫后修复模型。

 

蛋白质组学技术寻找Biomarker中的应用

 

Pan1pan2 表型相近,气孔复合物异常, 并且已知PAN1LRR-RLKPAN2未知。Zhang X等人[6]利用iTRAQ技术从蛋白质组学角度入 手,分析WTpan1pan2pan1pan2的蛋白质表达差异,一共鉴定到  5400多个蛋白质,其中250多个蛋白质表达量变化超过1.5倍。通过分析 pan2pan1pan2中共同下调的蛋白质,锁定了可能为PAN2的蛋白质。通过后续的实验最终确定 了PAN2的身份,并且证明PAN2PAN1上游的一个LRR-RLK

 

◆ 展望

 

从诞生到现在,经过几十年的发展,蛋白质组学技术已经从最初单一的双向凝胶电泳技术发展出了如今多元的荧光差异标记凝胶技术,基于质谱的标记定量(如iTRAQ)或者非标记定量技术(Label-free)。质谱技术的出现和发展对蛋白质组学的分析通量、分辨率和灵敏度等各方面都带来了质的飞跃。相信在将来的研究中,基于质谱系统的蛋白质组学技术会因为其强大的分析和检测将来的研究中,基于质谱系统的蛋白质组学技术会因为其强大的分析和检测。


参考文献

1.Fukao, Y., et al., iTRAQ analysis reveals mecha- nisms of growth defects due to excess zinc in Arabi- dopsis. Plant Physiol, 2011. 155(4): p. 1893-907.

 

2.Baerenfaller, K., et al., Systems-based analysis of Arabidopsis leaf growth reveals adaptation to wa- ter deficit. Mol Syst Biol, 2012. 8: p. 606.

 

3.Kline, K.G., G.A. Barrett-Wilt, and M.R. Sussman, In planta changes in protein phosphorylation in- duced by the plant hormone abscisic acid.  Proc Natl Acad Sci U S A, 2010. 107(36): p. 15986-91.

 

4.Li, W., et al., The Pseudomonas syringae effector HopQ1 promotes bacterial virulence and interacts with tomato 14-3-3 proteins in a phosphorylation- dependent manner. Plant Physiol, 2013. 161(4): p. 2062-74.

 

5.Chen, K., et al., Proteomic changes associated with freeze-thaw injury and post-thaw recovery in onion (Allium cepa L.) scales. Plant Cell Environ, 2013. 36(4): p. 892-905.

 

6.Zhang, X., et al., Identification of PAN2 by quanti- tative proteomics as a leucine-rich repeat-receptor- like kinase acting upstream of PAN1 to polarize cell division in maize. Plant Cell, 2012. 24(11): p. 4577- 89.

 


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