尤垂淮,唐莉娜,陳冬梅,陳順輝 ,黃錦文,周陽,張重義,林文雄
1福建農(nóng)林大學農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 福州 350002;
2 福建農(nóng)林大學煙草研究所, 福州 350002;
3 福建省煙草專賣局煙草農(nóng)業(yè)科學研究所, 福州 350003
生物的生長發(fā)育是基因的表達過程,蛋白質(zhì)是基因的表達產(chǎn)物,在蛋白質(zhì)組學水平上揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)和活動規(guī)律,是現(xiàn)代分子生物學研究的熱點[1]。蛋白質(zhì)組是蛋白質(zhì)組學的研究對象,從整體蛋白質(zhì)水平上,從貼近生命本質(zhì)的層次上去發(fā)現(xiàn)和探索生命活動的規(guī)律和重要的生理、病理現(xiàn)象等。煙草在生長過程中,面臨很多病害的危害,如煙草根黑腐、根結(jié)線蟲病、煙草黑脛病、煙草青枯病、黃瓜花葉病等侵染性病害,這些病害均與煙草的根系緊密相關(guān),影響了煙草對土壤養(yǎng)分的吸收,使煙草產(chǎn)量變低,品質(zhì)下降,造成大量的經(jīng)濟損失,阻礙了煙草產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。植物蛋白質(zhì)組水平因外界環(huán)境條件改變而產(chǎn)生變化,通過蛋白質(zhì)組學,探討植物逆境下生理代謝變化,獲得蛋白質(zhì)與抗性之間的關(guān)系,有助于植物抗逆性的研究,并已在植物研究中取得了一定的成果[2],本文的研究材料主要從根系差異蛋白著手,探討合理的以煙為主的的耕作制度,為攻克以上煙草各種根系病害提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。
迄今,有關(guān)煙草根系在蛋白質(zhì)組學水平上的研究,在國內(nèi)外還很少報道,特別是南方耕作制度下,探討煙草根系差異蛋白質(zhì)組學甚少。本研究主要采用不同的養(yǎng)地方式,通過蛋白質(zhì)組學手段,旨在蛋白質(zhì)組學水平上揭示不同養(yǎng)地方式下烤煙根系生長情況,為尋求更加適合福建清香型煙葉生長的耕作措施提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
試驗于2007~2010年在南平浦城縣仙陽烤煙試驗站基地進行,供試烤煙品種為K326。試驗田地勢平坦,土壤質(zhì)地為砂壤土。試驗田種植情況為:從2007年起,上半年(2007年3月~7月)種煙草,下半年(2007年7月~11月)種水稻。
試驗設(shè)三種養(yǎng)地方式,前處理均一致,即從2007年起,上半年(2007年3月-7月)種煙草,下半年(7月-11月)種水稻。而后采用不同養(yǎng)地方式(2007年11月-2008年3月):WF為對照,冬閑;RS:稻草回田;AS:冬種紫云英,紫云英回田。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計,每個處理設(shè)3次重復,共計9個小區(qū)。每個處理小區(qū)種5畦,每畦植煙44株,共220株,行株距1.2m×0.5m。田間管理都按規(guī)范化栽培措施進行。2008年3月、2009年3月采用以上相同的養(yǎng)地方式連續(xù)兩次實行田間定位試驗,在田間定位第4年即2010年,取樣進行室內(nèi)實驗。
本試驗采取田間定位試驗,即在2010年,烤煙旺長后期時,挖取根系,用水洗凈后,甩干,用剪刀剪相同部位根系,用錫箔紙包住,迅速置于液氮中,之后一并保存到-80℃冰箱,備用。
丙烯酰胺(acrylamide, Acr)、N, N-甲叉丙烯酰胺(N,N-methylenebisacrylamide, Bis-Acr)、三羥甲基氨基甲烷(Tris aminomethane, Tris-base)、尿素(Urea)、十二烷基磺酸鈉(Sodium Dodecyl sulfate,SDS)、N,N,N',N'-四甲基二乙胺 (N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine, TEMED)、甘氨酸(Glycine)均為Sigma公司產(chǎn)品;載體兩性電解質(zhì)Ampholine(pH 3-10, pH 5-8)為GE Healthcare公司產(chǎn)品;硫脲(Thiourea)、3-[(3-膽酰胺丙基)-二乙胺]-丙磺酸(CHAPS)、壬基酚聚氧乙烯醚(NP- 40)、二硫蘇糖醇(dithiothreitol, DTT)、過硫酸銨(Ammonium persulfate, AP)、Tris平衡酚pH 8.0均為Solarbio公司產(chǎn)品;聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、三氯乙酸(TCA)、甘油(Glycerol)、磷酸、氫氧化鈉、無水乙醇、甲醇、無水乙酸鈉、無水碳酸鈉、硫代硫酸鈉、硝酸銀、冰乙酸、甲醛溶液等藥品及有機溶劑均為國藥集團化學試劑公司產(chǎn)品。以上所有藥品、試劑都為分析純,所有溶液均用Milli-Q超純水配制。
主要儀器:高速冷凍離心機為德國Eppendorf公司產(chǎn)品;真空干燥機出自上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司;紫外-可見分光光度計為美國VARIAN公司產(chǎn)品;Protean IEF等電聚焦系統(tǒng)、SDS-PAGE垂直電泳均產(chǎn)自美國Bio-Rad公司;凝膠成像系統(tǒng)imagescan為瑞典GE Healthcare公司產(chǎn)品。
稱取5g根系,加入少許的聚乙烯吡咯烷酮(PVP),在液氮冷凍條件下研磨至粉末,采用Mg-NP40法:參照Lee等[3]的方法并有所改進,加入10 mL提取緩沖液(0.5mol/l Tris緩沖液pH8.3,2%V/V NP-40,20 mmol/L MgCl2,2%V/V B-巰基乙醇,1 mmol/L苯甲基磺酰氟(PMSF)),置冰上搖床振蕩5~10 min,置冰上超聲30 min。4℃,10000 rpm,離心30 min,取上清。加入3倍體積10% TCA(10%TCA,0.07% B-巰基乙醇,丙酮),置于-20℃冰箱過夜。多洗幾次,期間用80%丙酮(含0.07% B-巰基乙醇)洗1次,直至上清液澄清。最后4℃,11000 rpm,離心25 min,棄上清,低溫真空干燥,制成蛋白質(zhì)干粉,置于-80℃冰箱。
Mg-NP40法提取的根系蛋白質(zhì)與裂解液的比例為1mg:10μL。裂解液的配方:42%尿素,2 mol/L Thiourea,65 mmol/L DTT,4% CHAPS,0.2%兩性電解質(zhì)(3.5-10)。
根據(jù)Bradford[4]方法,用牛血清白蛋白制作標準曲線,蛋白濃度為0-90 μg/μL,在λ=595 nm時,應(yīng)用紫外-可見分光光度計測定蛋白質(zhì)濃度。
第一向等電聚焦電泳(IEF)和SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳參照Lee[3]、王經(jīng)源[5]、吳林坤[6]等的方法,略有改進下進行的。
電泳結(jié)束后,采用硝酸銀染色方法染色[7]。膠片使用imagescan(GE Healthcare, Uppsala, Sweden)掃描,并用軟件ImageMasterTM 2D Platinum 5.0(GE Healthcare, Uppsala, Sweden)進行圖像分析。
向取下的蛋白點加60 μL DD.H2O洗2-3次,10 min/次;加60 uL 100%乙腈,用漩渦振蕩器振蕩5 min,重復3次,脫水至膠粒完全變白,超凈臺吹干20~ 30 min。
加入新鮮配制的10 mmol/L DTT(在990 μL 25 mmol/L NH4HCO3加入10 μL 1 mol/L DTT 配制)20 μL溶液,57℃孵育1 h;冷卻至室溫,用槍頭吸去殘留液。加入20 μL 55 mmol/L碘乙酰胺(55 μL 1 mol/L IAM,945 μL 25 mmol/L NH4HCO3現(xiàn)配)20 μL溶液,置于暗室 60 min。吸棄上清,用100 μL的移液器加入60 μL 100 mmol/L NH4HCO3溶液,用漩渦震蕩器震蕩混勻,室溫靜置5 min,如此重復1-3次;用移液器吸棄上清,加入60 μL乙腈,漩渦震蕩器震蕩混勻,室溫靜置5 min,重復1次;吸棄上清,加入60 μL 100 mmol/L NH4HCO3溶液,漩渦震蕩器震蕩混勻,室溫靜置5 min;接著棄上清,加入60 μL乙腈,漩渦震蕩器震蕩混勻,室溫靜置5 min,重復1次,超凈臺吹干,30 min。加入15μL消化液(12.5 ng/μL胰酶(50 mmol/L NH4HCO3配制)溶液),混勻,4℃或冰上放置30 min;用移液槍吸出多余的液體,接著加入10 μL 50mmol/L碳酸氫銨溶液,轉(zhuǎn)速6000 rpm離心30 s,37℃消化12 h。
將其冷卻至室溫,轉(zhuǎn)速6000 rpm離心5 min,用移液槍收集消化液于一新1.5 mL離心管中;用20 mmol/L碳酸氫銨溶液補至溶液終體積為15-20 μL;將其轉(zhuǎn)移至上樣管;用于質(zhì)譜分析。
LC MS/MS分析是在福建農(nóng)林大學農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所進行的。LC條件:高效液相色譜儀:Thermo Scientif i c Surveyor System;色譜柱:BioBasic C18 Column (100 x 0.18 mm,particle size: 5 um);樣品量:10 μL;流動相:A: 0.1%Formic acid in water;B: 0.1% Formic acid in acetonitrile;梯度:5% -35% B in 20 minutes, 35%-95% B in 2 minutes;流速:2.5 μL/min;MS條件:質(zhì)譜儀:LTQ-XL (Thermo Scientif i c);噴霧電壓:3.5 kV;毛細管溫度:275 ℃;鞘氣流速:15 arb;母離子掃描范圍:400-2000 m/z;Isolation width:2 Da。二級質(zhì)譜條件:AGC Target 1e4, 1 microscans;碰撞能量:35% CID。
質(zhì)譜分析所獲得的原始數(shù)據(jù)用Proteome Discoverer1.2軟件進行相對定量分析及數(shù)據(jù)庫的檢索。搜索使用的數(shù)據(jù)庫為從NCBI下載的物種名稱的物種名稱(英文).fasta蛋白庫。
蛋白質(zhì)雙向凝膠電泳圖譜,如圖1,在等電點從3.5到10和分子量為14 KD到116 KD的范圍中,通過軟件ImageMaster5.0的分析,去除假點,每塊膠大概有430個點左右。圖譜清晰,蛋白質(zhì)點圓,蛋白質(zhì)點之間分離很好。
當對應(yīng)兩個蛋白點之間差異達到1.5倍以上,認為表達量有顯著差異,在根系樣品中檢測到39差異點,對這39個差異蛋白質(zhì)點進行LC MS/MS分析和生物信息學查詢后得到24個蛋白質(zhì)點的質(zhì)譜結(jié)果,22已知蛋白,2個未知蛋白,鑒定到的蛋白見表1。
通過數(shù)據(jù)庫查找,根據(jù)蛋白的功能可以將鑒定到的22個蛋白分成六大類:
與植物光合作用相關(guān)蛋白1個,轉(zhuǎn)酮醇酶(spot2:transketolase);與營養(yǎng)相關(guān)蛋白1個,GDP-甘露糖-3',5'-表異構(gòu)酶(spot13:GDP-mannose 3',5'-epimerase, GME)。
與能量相關(guān)蛋白有6個,NADP-依賴性的蘋果酸脫氫酶(spot4:NADP dependent malic enzyme) ,AAA型腺苷三磷酸酶屬蛋白(spot24:AAA-type ATPase family protein),液泡ATP合成酶催化亞基A(spot37:vacuolar ATP synthase catalytic subunit A),乙酰輔酶A合成酶(spot23:Acetyl-CoA synthetase,ACS),ATP酶(spot33:ATPase splayed),β-糖苷酶(spot5: beta-glycosidase-like)。
與信號轉(zhuǎn)導相關(guān)蛋白有4個,激酶結(jié)合性蛋白磷 酸 酶(spot12:kinase-associated protein phosphatase,KAPP),假定的轉(zhuǎn)座子蛋白(spot36:transposon protein,putative),富亮氨酸重復蛋白激酶(spot39:leucine-rich repeat protein kinase-like protein,LRR-RLK),促分裂原活化蛋白激酶(spot26:Mitogen-activated protein kinase kinase,MAPK)。與物質(zhì)運輸相關(guān)的蛋白有2個,Rab3 GTP激活蛋白催化亞基(spot10:Rab3 GTPaseactivating protein catalytic subunit),細胞內(nèi)囊泡運輸?shù)鞍譙ly1(spot35:Vesicle traff i cking protein Sly1)。
與核酸代謝相關(guān)蛋白有3個,核糖體小亞基蛋白4(spot20:ribosomal protein small subunit 4),RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄延伸因子(spot30:RNA polymerase II transcription elongation factor SPT5),類成熟酶蛋白(spot31:maturase-like protein)。
天冬氨酸蛋白酶家族蛋白(spot14:Aspartyl protease family protein),E3泛素蛋白連接酶BAH1(spot18:E3 ubiquitin-protein ligase BAH1),水解酶包含域蛋白(spot7:alpha/beta- hydrolase domain-containing protein)。
防御蛋白RGA2(spot21:resistance protein RGA2),線粒體內(nèi)膜移位酶亞基Tim13(spot25:Tim13/mitochondrial import inner membrane translocase subunit Tim13)。
圖1 不同養(yǎng)地方式烤煙根系蛋白圖譜
表1 不同養(yǎng)地方式下烤煙根系差異蛋白LC MS/MS質(zhì)譜分析結(jié)果
(續(xù)表1)
差異蛋白質(zhì)組學應(yīng)用于植物或作物科學相關(guān)的分子機制研究日益增多,且從分子水平較好地解釋了植物自身遺傳表達或?qū)Νh(huán)境響應(yīng)的分子機理[8]。本研究運用差異蛋白質(zhì)組學技術(shù)在蛋白質(zhì)水平上初步探討不同養(yǎng)地方式下煙草根系的蛋白表達譜的變化。
通過在冬季進行不同的處理,分別是冬閑,稻草回田,紫云英回田三種養(yǎng)地方式,根系差異蛋白質(zhì)結(jié)果鑒定到了兩個與香氣有關(guān)的蛋白,轉(zhuǎn)酮醇酶(spot2:transketolase)和GDP-甘露糖-3',5'-表異構(gòu)酶(spot13:GDP-mannose 3',5'-epimerase, GME)。轉(zhuǎn)酮醇酶是在戊糖磷酸循環(huán)以及光合成的還原型戊糖磷酸循環(huán)中起著重要作用的酶,在植物光合作用的卡爾文循環(huán)中起著核心作用,它的活性是植物最大光合速率的限制因子,其活性的微小下降即可導致植物生長速度下降、芳香族氨基酸和苯丙氨酸代謝產(chǎn)物的抑制[9]。芳香族氨基酸是煙草香氣的主要物質(zhì),苯丙氨酸代謝途徑是影響煙草香味的主要次生代謝途徑。GDP-甘露糖-3',5'-表異構(gòu)酶可以催化GDP-甘露糖轉(zhuǎn)化為左旋GDP-半乳糖,該反應(yīng)對于高等植物體內(nèi)抗壞血酸的合成是非常重要的[10]。多酚是煙草中的一類重要物質(zhì),在煙草的顏色、香氣、吸味和煙氣安全性方面都有重要影響,而抗壞血酸能夠增強多酚類化合物穩(wěn)定性,抑制其氧化的作用。這兩個酶在稻草回田的養(yǎng)地方式中均上調(diào)表達,而在紫云英回田處理上卻下調(diào)表達,在一定程度上說明稻草回田的烤煙品質(zhì)較好,冬閑的次之,紫云英回田的最差,主要原因可能是在施肥處于相同水平下,紫云英回田處理下田間氮肥較多,不利于煙葉成熟,最后可能影響品質(zhì)。
這三種養(yǎng)地方式下,鑒定到4個與信號轉(zhuǎn)導相關(guān)的蛋白,激酶結(jié)合性蛋白磷酸酶(spot12:kinaseassociated protein phosphatase,KAPP),假定的轉(zhuǎn)座子蛋白(spot36:transposon protein, putative, Mutator subclass),富亮氨酸重復蛋白激酶(spot39:leucine-rich repeat protein kinase-like protein,LRR-RLK), 促 分裂原活化蛋白激酶(spot26:Mitogen-activated protein kinase kinase,MAPK)。激酶結(jié)合性蛋白磷酸酶屬于信號蛋白,擬南芥的KAPP可以通過其自身的FHA域?qū)︻愂荏w蛋白激酶信號路徑進行負調(diào)控,這在植物的發(fā)育中尤為重要[11]。富亮氨酸重復蛋白激酶,參與植物激素信號轉(zhuǎn)導[12]。促分裂原活化蛋白激酶(MAPK) 是生物體內(nèi)信號轉(zhuǎn)導途徑MAPK 級聯(lián)反應(yīng)的重要組分,通過傳遞胞內(nèi)外信號,介導生物及非生物脅迫反應(yīng)、激素反應(yīng)、調(diào)控細胞分化育過程[13],在ABA 的信號轉(zhuǎn)導途徑中MAPK發(fā)揮了重要作用。這些酶的上調(diào),促進煙草的生長發(fā)育,前面三個酶在稻草回田下是上調(diào)表達,而促分裂原活化蛋白激酶在紫云英上是上調(diào)表,在冬閑上,這四個酶均下調(diào)表達。
與物質(zhì)運輸相關(guān)的蛋白有2個,Rab3 GTP激活蛋白催化亞基(spot10:Rab3 GTPase-activating protein catalytic subunit),細胞內(nèi)囊泡運輸?shù)鞍譙ly1(spot35:Vesicle trafficking protein Sly1 (Sec1 family)(ISS)),這兩個蛋白均在細胞囊泡起作用,前者是細胞囊泡轉(zhuǎn)運途徑的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,同時參與細胞信號轉(zhuǎn)導,后者在細胞內(nèi)囊泡參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體之間的運輸,兩者在紫云英上均上調(diào)表達,細胞內(nèi)囊泡運輸?shù)鞍譙ly1在稻草回田處理也是上調(diào)表達,促進代謝順利進行,促進煙草的生長。
與蛋白質(zhì)代謝相關(guān)蛋白3個,天冬氨酸蛋白酶家族蛋白(spot14:Aspartyl protease family protein),E3泛素蛋白連接酶BAH1(spot18:E3 ubiquitin-protein ligase BAH1),水解酶包含域蛋白(spot7:alpha/betahydrolase domain-containing protein)。植物天冬氨酸蛋白酶主要參與植物蛋白的加工、降解過程,在植物衰老、脅迫應(yīng)激反應(yīng)、程序性細胞死亡和細胞繁殖等方面起作用[14]。蛋白質(zhì)的泛素化作為真核生物蛋白質(zhì)降解的重要機制對許多重要的生物進程如細胞周期、基因轉(zhuǎn)錄和細胞信號轉(zhuǎn)導等是至關(guān)重要的,E3泛素連接酶負責確定蛋白質(zhì)泛素化的特異性,識別靶蛋白底物,并在引發(fā)26S的蛋白酶體降解蛋白質(zhì)的過程中起極其重要的作用[15-16]。天冬氨酸蛋白酶家族蛋白和E3泛素蛋白連接酶BAH1在稻草回田上調(diào)表達,E3泛素蛋白連接酶BAH1和水解酶包含域蛋白在紫云英上是上調(diào)表達,在一定程度上均維持了煙葉的正常生長,而在冬閑上這三個酶均下調(diào)表達,冬閑下生長較弱。
稻草回田處理下,鑒定到烤煙根系轉(zhuǎn)酮醇酶、GDP-甘露糖-3',5'-表異構(gòu)酶、乙酰輔酶A合成酶、β-糖苷酶、激酶結(jié)合性蛋白磷酸酶(KAPP),假定的轉(zhuǎn)座子蛋白,富亮氨酸重復蛋白激酶、細胞內(nèi)囊泡運輸?shù)鞍譙ly1、天冬氨酸蛋白酶家族蛋白,E3泛素蛋白連接酶BAH1、線粒體內(nèi)膜移位酶亞基Tim13等蛋白,涉及煙草香氣的形成、能量轉(zhuǎn)化、信號轉(zhuǎn)導、物質(zhì)運輸、代謝等多種途徑,在稻草回田下均上調(diào)表達,有此可以看出稻草回田處理為煙草的生長提供了相對穩(wěn)定的環(huán)境,促進根系生長,進而促進煙草生長,有助于提高煙草的產(chǎn)量和品質(zhì),提高經(jīng)濟效益,為福建清香型煙葉的發(fā)展提供了較佳的耕作措施。在施肥處于相同水平下,紫云英回田處理下田間氮肥較多,與生長相關(guān)的蛋白大部分上調(diào)表達,煙草生長旺盛,鑒定到涉及煙草香氣形成相關(guān)的轉(zhuǎn)酮醇酶、GDP-甘露糖-3',5'-表異構(gòu)酶下調(diào)表達,而此時煙草正處于旺長后期即成熟初期,結(jié)合大田長勢,健壯濃綠,不利于煙葉后期落黃成熟,進而影響烤煙品質(zhì)。對于紫云英處理,在控制相同氮肥水平即減少紫云英回田的量或者減少氮肥的施用,有待后續(xù)實驗進一步探討。
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