張紅亮，王道文，張正斌

(1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北石家莊 050021； 2.中國科學(xué)院大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100049； 3.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所/植物細(xì)胞與染色體工程國家重點實驗室，北京 100101)

?

利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)揭示小麥抗旱分子機(jī)制的研究進(jìn)展

張紅亮1,2，王道文3，張正斌1

(1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北石家莊 050021； 2.中國科學(xué)院大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100049； 3.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所/植物細(xì)胞與染色體工程國家重點實驗室，北京 100101)

干旱是影響小麥種植區(qū)域分布、產(chǎn)量和品質(zhì)的最嚴(yán)重的非生物脅迫因素之一。隨著氣候變暖、淡水資源日益短缺，干旱對小麥的影響呈現(xiàn)加重趨勢。當(dāng)前，轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組技術(shù)已經(jīng)成為研究小麥抗旱分子機(jī)制的常規(guī)和可靠工具，利用這兩種技術(shù)已在不同小麥品種和小麥野生近緣種中鑒定出了大量參與小麥抗旱分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的基因和蛋白質(zhì)。本文簡要介紹了近年來利用轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)獲得的對小麥響應(yīng)干旱分子機(jī)制的認(rèn)識，指出了存在的主要問題，并展望了未來發(fā)展趨勢，對應(yīng)用已有的研究成果改良小麥抗旱性及進(jìn)一步應(yīng)用轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)更好地揭示小麥抗旱分子機(jī)理具有參考意義。

轉(zhuǎn)錄組；蛋白質(zhì)組；小麥；抗旱機(jī)制

在過去小麥育種實踐中，通常將重點放在產(chǎn)量的提高和品質(zhì)的改良等方面。近年來，隨著氣候變暖及淡水資源短缺日益嚴(yán)重，干旱對小麥生產(chǎn)的不良影響呈現(xiàn)加重趨勢，對我國乃至世界糧食安全造成嚴(yán)重威脅。因此，闡明小麥抗旱分子機(jī)理，培育抗旱小麥新品種，成為亟待解決的問題。在傳統(tǒng)的小麥抗旱遺傳改良實踐中，一般通過不同抗旱能力小麥品種間有性雜交進(jìn)行抗旱性的改良。這種方式雖然對提高小麥抗旱性起到了很大的推動作用，但存在重要缺陷。一是由于種間生殖隔離的限制，不利于利用小麥近緣或遠(yuǎn)緣種蘊(yùn)含的優(yōu)異基因或QTLs資源對小麥進(jìn)行抗旱遺傳改良；二是通過有性雜交進(jìn)行抗旱相關(guān)基因轉(zhuǎn)移易受不良基因連鎖的影響，如要擺脫不良基因連鎖的影響則必須對多世代、大規(guī)模的遺傳分離群體進(jìn)行檢測；三是利用有性雜交轉(zhuǎn)移基因的成功與否一般需要依據(jù)表觀變異或生物測定來判斷，檢出效率易受環(huán)境因素的影響。上述缺陷在很大程度上限制了常規(guī)育種手段在小麥抗旱遺傳改良中的應(yīng)用。

小麥抗旱性是非常復(fù)雜的數(shù)量性狀，涉及很多基因、microRNAs的調(diào)控以及激素、離子、代謝物等含量的變化[1]。植物可以感受外部環(huán)境脅迫信號(如干旱、高溫、鹽脅迫等)，對它們作出響應(yīng)以避免脅迫對其自身造成傷害[2]。同時，植物對脅迫的響應(yīng)是一個動態(tài)變化過程，可劃分為不同階段，即預(yù)警階段、適應(yīng)階段和抵抗階段。當(dāng)脅迫持續(xù)時間很長或脅迫程度很嚴(yán)重時，還會出現(xiàn)衰老死亡階段。脅迫因子去除后，植物會從脅迫條件下恢復(fù)并建立新的動態(tài)平衡，即恢復(fù)階段[3-5]。干旱可誘導(dǎo)植物發(fā)生三種存在相互作用的變化[6-9]：改變基因的表達(dá)(上調(diào)、下調(diào)、共表達(dá))；改變蛋白質(zhì)的合成、轉(zhuǎn)運(yùn)與降解；改變代謝途徑，導(dǎo)致代謝物的變化。這些變化綜合調(diào)控植物對干旱脅迫的抗性。

隨著DNA測序和生物信息學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、表型組學(xué)等組學(xué)手段逐步被用于解析植物抗旱分子機(jī)制。這類研究的優(yōu)勢在于能夠?qū)χ参锏哪骋惶囟ㄆ鞴?、組織中的全部基因表達(dá)情況或蛋白、代謝物的含量進(jìn)行準(zhǔn)確高效的鑒定，可以從整體了解特定器官或組織對干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制，鑒定出參與干旱信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因、蛋白、代謝物等。組學(xué)數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)育種的整合還可以定位新的抗旱數(shù)量性狀位點(QTLs)，加快植物耐旱性改良進(jìn)度[10-11]。本文對近年來利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)對小麥響應(yīng)干旱分子機(jī)制的認(rèn)識進(jìn)行了簡要介紹，指出了存在的主要問題，并展望了未來發(fā)展趨勢，為利用組學(xué)手段進(jìn)一步揭示小麥抗旱分子機(jī)理提供參考。

1 轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)在小麥抗旱研究中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)錄組學(xué)是指對某一器官或組織在某種特定條件(如干旱)下其全部RNA轉(zhuǎn)錄本豐度的研究，這是目前研究基因組水平變化最常用和最直接的方式。目前進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析常用的方式有兩種：一是基因芯片(Gene chip)雜交，二是轉(zhuǎn)錄組測序(RNA-seq)?；蛐酒?，又名DNA微列陣(Microarray)，是由大量DNA或寡聚核苷酸探針密集排列所形成的探針陣列，其基本原理是通過雜交檢測信號，可以實現(xiàn)基因轉(zhuǎn)錄信息的大規(guī)模檢測[12-13]。

Xue等[14]利用包含大約16 000條小麥表達(dá)序列標(biāo)簽(ESTs)的基因芯片篩選高蒸騰效率和低蒸騰效率基因型雜交后代中差異表達(dá)基因，共發(fā)現(xiàn)93個在高、低蒸騰效率的株系間表達(dá)有差異的基因，其中五分之一顯著響應(yīng)干旱脅迫；與生長相關(guān)的部分調(diào)節(jié)基因，在干旱脅迫時下調(diào)表達(dá)。此外，這些基因在高蒸騰效率的株系中表達(dá)量顯著高于低蒸騰效率株系，推測這些基因可能與高蒸騰效率株系生物量的產(chǎn)生有關(guān)。Mohammadi等[15]利用寡聚核苷酸芯片從一個耐干旱普通小麥品種中分析根響應(yīng)水分脅迫的轉(zhuǎn)錄組變化，發(fā)現(xiàn)大部分受脫水誘導(dǎo)的基因(如編碼滲透保護(hù)劑、水溶性物質(zhì)、蛋白酶、糖基轉(zhuǎn)移酶/水解酶、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)組分等蛋白的基因)與先前報道的其他物種在滲透脅迫條件下表現(xiàn)相似；與天冬酰胺、海藻糖、寡肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、離子結(jié)合蛋白、γ-氨基丁酸合成有關(guān)的基因上調(diào)表達(dá)；與谷胱甘肽、硫和部分氨基酸代謝相關(guān)的基因下調(diào)表達(dá)。此外，還發(fā)現(xiàn)了一個新的受脫水誘導(dǎo)的AP2/ERF類型轉(zhuǎn)錄因子，預(yù)測其是一個轉(zhuǎn)錄抑制子。Xue等[16]用cDNA芯片研究干旱條件下普通小麥葉片中參與碳水化合物代謝的基因表達(dá)變化情況，發(fā)現(xiàn)在長時間干旱脅迫處理下，參與卡爾文循環(huán)的大多數(shù)葉綠體中酶的編碼基因表達(dá)量顯著下調(diào)，但胞質(zhì)和液泡中參與葡萄糖、果糖和果聚糖合成酶基因在脅迫處理的葉片中上調(diào)表達(dá)。進(jìn)一步分析表明，參與碳固定、己糖和果聚糖積累的關(guān)鍵酶基因協(xié)同調(diào)控碳水化合物的代謝，這對于小麥適應(yīng)干旱脅迫至關(guān)重要。Mohammadi等[17]利用包含大約17 000條寡聚核苷酸探針的芯片研究小麥品種“Opata”根響應(yīng)水分脅迫的轉(zhuǎn)錄組變化，結(jié)果共鑒定出394個變化超過1.5倍的轉(zhuǎn)錄本，其中，190個轉(zhuǎn)錄本上調(diào)表達(dá)，204個下調(diào)表達(dá)。同時，發(fā)現(xiàn)多個編碼葡聚糖酶和類型III過氧化物酶的基因顯著響應(yīng)水分脅迫。Secěnji等[18]用cDNA芯片對兩個水分利用效率不同且均經(jīng)為期4周的中度水分脅迫的普通小麥品種 Plainsman V(耐旱)和 Kobomugi(旱敏感)分蘗期根部進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Plainsman V有773個轉(zhuǎn)錄本上調(diào)和879個轉(zhuǎn)錄本下調(diào)，Kobomugi有448個轉(zhuǎn)錄本上調(diào)和507個轉(zhuǎn)錄本下調(diào)，其中，在兩個材料中均上調(diào)表達(dá)的轉(zhuǎn)錄本有207個，均下調(diào)表達(dá)的轉(zhuǎn)錄本有205個；差異表達(dá)基因的功能主要集中在運(yùn)輸、蛋白質(zhì)代謝、滲透保護(hù)物質(zhì)合成、細(xì)胞壁合成等方面，氧化還原酶、過氧化物酶和細(xì)胞壁相關(guān)的基因僅在Plainsman V中差異表達(dá)，與脅迫和防御相關(guān)的基因在Kobomugi中誘導(dǎo)表達(dá)更加明顯。Naydenov等[19]對普通小麥中國春吸脹作用后萌發(fā)的胚胎用0.3 mol·L-1甘露醇處理3 d，研究其線粒體轉(zhuǎn)錄組的變化，共發(fā)現(xiàn)23個差異表達(dá)基因，其中，cob、ccmFn、MnSOD和AOX上調(diào)表達(dá)， nad6、 atp4和 atp9下調(diào)表達(dá)。

Affymetrix商用化小麥芯片(Wheat Affymetrix GeneChip@)的問世，使得以芯片為工具進(jìn)行小麥干旱脅迫下轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究更加普遍。 該芯片包含61 127個探針組，覆蓋了小麥42條染色體的55 052個轉(zhuǎn)錄本。序列信息來源于GenBank和EST數(shù)據(jù)庫。迄今為止，已經(jīng)有很多用小麥基因組芯片進(jìn)行小麥響應(yīng)干旱脅迫轉(zhuǎn)錄組變化的研究。Li 等[20]對耐旱小麥品種洛旱2號和干旱敏感品種中國春幼苗根部經(jīng)20% PEG6000處理6 h后的轉(zhuǎn)錄組變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)洛旱2號有1 593個轉(zhuǎn)錄本上調(diào)，2 238個轉(zhuǎn)錄本下調(diào)；中國春有1 404個轉(zhuǎn)錄本上調(diào)，1 493個轉(zhuǎn)錄本下調(diào)；在兩個品種中均上調(diào)的轉(zhuǎn)錄本有569個，均下調(diào)的有424個。對差異表達(dá)基因進(jìn)行GO富集分析，發(fā)現(xiàn)與非生物脅迫刺激、有機(jī)酸合成、脂代謝等相關(guān)的生物學(xué)過程顯著富集。Alessio 等[21]對低水分利用效率硬粒小麥品種Ofanto和高水分利用效率硬粒小麥品種Cappelli在孕穗期停止灌溉至土壤含水量降至12.5%，對葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，在Ofanto葉片中鑒定出707個差異表達(dá)基因；在Cappelli中鑒定出248個差異表達(dá)基因；在兩個品種中均存在的差異表達(dá)基因有44個。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，干旱誘導(dǎo)了Ofanto中很多已知的與干旱相關(guān)的基因表達(dá)，而Cappelli能夠持續(xù)表達(dá)幾個在Ofanto中受干旱誘導(dǎo)表達(dá)的基因。Dante 等[22]對一個普通小麥品種和其衍生的長穗偃麥草7DL易位系在抽穗前期開始干旱處理，發(fā)現(xiàn)部分與根發(fā)育相關(guān)的基因在對照株系和易位系間差異表達(dá)，如側(cè)根發(fā)育負(fù)調(diào)節(jié)基因 KNAT3、 E2F和 SERK1等，這可以解釋易位系具有更強(qiáng)的水分脅迫適應(yīng)性和更高的根、葉片生物量。Tamar 等[23]對耐旱野生二粒小麥品種Y12-3和干旱敏感品種A24-39在花序出現(xiàn)期停止?jié)菜? d，分析其旗葉轉(zhuǎn)錄組變化，在Y12-3中有3 184個轉(zhuǎn)錄本上調(diào)，1 478個轉(zhuǎn)錄本下調(diào)；在A24-39中有1 688個轉(zhuǎn)錄本上調(diào)，1 738個轉(zhuǎn)錄本下調(diào)；其中1 336個轉(zhuǎn)錄本在兩個品種中均上調(diào)，860個均下調(diào)。對差異表達(dá)基因進(jìn)行GO富集分析，發(fā)現(xiàn)多種與調(diào)控和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的生物學(xué)過程顯著富集，特別是在Y12-3中。Srirama 等[24]對處于灌漿期的硬紅冬麥品種TAM111和TAM112在干旱條件下旗葉轉(zhuǎn)錄組變化進(jìn)行分析，在TAM111發(fā)現(xiàn)2 131個差異表達(dá)基因，在TAM112中發(fā)現(xiàn)3 197個差異表達(dá)基因，兩個品種共有的差異表達(dá)基因數(shù)目為1 657個。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，兩個品種間與光合、碳水化合物代謝、激素代謝和其他脫水響應(yīng)相關(guān)的轉(zhuǎn)錄本受到差異調(diào)控。Dimah 等[25]對耐旱硬質(zhì)小麥品種 Cham1和干旱敏感硬質(zhì)小麥品種Lahn及以兩者為親本的重組自交系RIL2219在開花期進(jìn)行干旱處理，分析旗葉轉(zhuǎn)錄組變化，發(fā)現(xiàn)在3個材料間差異表達(dá)基因數(shù)目和表達(dá)模式各不相同，參與調(diào)控的差異表達(dá)基因數(shù)目較多。Aprile 等[26]對中國春及其缺失系5AL-10和硬質(zhì)小麥品種Creso在開花期進(jìn)行中度和重度干旱處理，分析其穎片和旗葉轉(zhuǎn)錄組變化，發(fā)現(xiàn)共有3 056個差異表達(dá)基因。與中國春相比，一些干旱響應(yīng)基因在Creso和5AL-10缺失系中的表達(dá)量低甚至不表達(dá)，說明3種基因型小麥不同的基因組結(jié)構(gòu)可能影響植物對脅迫的適應(yīng)能力。Ergen等[27]對耐旱野生二粒小麥品種TR39477和干旱敏感野生二粒小麥品種TTD-22苗期葉片與根在干旱條件下轉(zhuǎn)錄組變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)共有9 587個轉(zhuǎn)錄本差異表達(dá)。依賴ABA的轉(zhuǎn)錄因子基因在耐旱材料中的誘導(dǎo)比在旱敏感材料更為迅速。此外還發(fā)現(xiàn)在普通小麥形成過程中，根組織中部分響應(yīng)脫水的基因網(wǎng)絡(luò)可能發(fā)生了缺失。

小麥基因組龐大而復(fù)雜，缺少精細(xì)的基因組圖譜，限制了利用RNA-seq研究小麥對干旱的分子調(diào)控機(jī)制。目前，只有少數(shù)利用該技術(shù)探究小麥在干旱脅迫條件下轉(zhuǎn)錄組學(xué)變化的報道。Liu等[28]利用該技術(shù)對普通小麥品種TAM107苗期葉片在20% PEG6000干旱脅迫、40 ℃高溫?zé)崦{迫以及二者共同脅迫分別處理1 h和6 h后的轉(zhuǎn)錄組變化情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，有上千個基因響應(yīng)以上3種脅迫，其中部分基因受2種或3種脅迫的共同誘導(dǎo)；從109 786個基因中鑒定出4 375個編碼轉(zhuǎn)錄因子的基因，其中，1 328個響應(yīng)脅迫處理；對以熱激轉(zhuǎn)錄因子(HSFs)和脫水響應(yīng)元件結(jié)合蛋白(DREBs)為中心的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)它們同時參與3種脅迫的調(diào)控，這表明小麥對熱脅迫和干旱脅迫的響應(yīng)存在交叉途徑；利用高通量RNA-seq獲得的數(shù)據(jù)，結(jié)合IWGSC數(shù)據(jù)庫中根據(jù)小麥染色體信息鑒定出的同源SNPs，實現(xiàn)了對來自小麥A、B、D三個亞基因組同源基因的區(qū)分與表達(dá)水平的定量分析。發(fā)現(xiàn)約68.4%來自A、B、D亞基因組的同源基因均參與了對干旱脅迫、熱脅迫或2種組合脅迫的響應(yīng)，并且位于亞基因組上的三個同源基因受脅迫誘導(dǎo)后表達(dá)模式不同。這可以在一定程度解釋普通小麥比四倍體小麥具有更強(qiáng)適應(yīng)能力及更廣泛分布范圍。為進(jìn)一步驗證該結(jié)果，用特異性引物qRT-PCR方法檢測了9個受脅迫誘導(dǎo)的差異表達(dá)基因在缺體四體系中的表達(dá)情況，用于說明進(jìn)行qRT-PCR的引物可有效區(qū)分來自A、B、D亞基因組的同源基因，qRT-PCR獲得的A、B、D亞基因組上的同源基因表達(dá)結(jié)果與RNA-seq數(shù)據(jù)相一致。

2 轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究小麥抗旱的不足與未來研究重點

不同轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究選取的器官、組織不同，處理方式、脅迫起始和持續(xù)時間以及脅迫程度各不相同，因此獲得的結(jié)果存在很大差異。相當(dāng)多的研究使用高分子量糖類，例如由聚乙二醇(PEG6000、PEG8000)、 甘露糖(Mannose)等配成的不同濃度溶液，在室內(nèi)模擬干旱脅迫。盡管這些處理均能降低植物組織水勢，但其對植物轉(zhuǎn)錄組的影響與田間自然干旱有很大不同。一項研究分別使用濾紙、甘露醇以及低水分含量土壤三種不同方式降低植物組織水勢，同時進(jìn)行三個獨立的芯片雜交實驗，發(fā)現(xiàn)三種處理方式誘導(dǎo)的差異表達(dá)基因中僅有1%是共同的[29]。

以實現(xiàn)在最適生長環(huán)境下獲得最高產(chǎn)量為目的的馴化和人工選擇導(dǎo)致了現(xiàn)代栽培小麥品種遺傳多樣性減少，對環(huán)境脅迫耐受性也逐步降低[30]。而一些小麥祖先種如野生二粒小麥、粗山羊草等保留了進(jìn)化適應(yīng)的特性，具有很強(qiáng)的抗旱能力[31-34]。因此，充分挖掘、利用這些野生種質(zhì)資源中的優(yōu)異基因或QTLs，并通過傳統(tǒng)雜交育種、分子標(biāo)記輔助育種、轉(zhuǎn)基因等方式導(dǎo)入到現(xiàn)代小麥品種中，將有助于提高現(xiàn)代小麥品種的遺傳多樣性，有效改良小麥的抗旱能力[31]。此外，與普通小麥相比，小麥祖先種倍性較低，基因組相對較小和簡單，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析也較為容易。當(dāng)前運(yùn)用基因芯片雜交或RNA-seq技術(shù)研究小麥野生近緣種在干旱脅迫下的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究較少，未來應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)用這些手段解析野生種質(zhì)資源耐干旱的分子機(jī)理，以便發(fā)現(xiàn)在普通小麥人工馴化和現(xiàn)代育種進(jìn)程中丟失的耐旱基因及優(yōu)異等位變異。

當(dāng)前的研究利用比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)方式居多，如比較對照組和處理組在干旱脅迫條件下轉(zhuǎn)錄組差異，耐旱性不同的兩種或多種基因型對干旱脅迫轉(zhuǎn)錄組響應(yīng)的差異，來篩選和鑒定與脅迫相關(guān)的基因或者生物學(xué)過程、代謝通路等。由于小麥抗旱機(jī)制的復(fù)雜性和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的高通量，幾乎每個研究都能篩選到成百上千的差異表達(dá)基因。但是目前對篩選出的差異表達(dá)基因進(jìn)行后續(xù)功能驗證的研究很少。因此，構(gòu)建基因共表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，從眾多候選基因中選取關(guān)鍵調(diào)控基因，進(jìn)行功能驗證并應(yīng)用于育種實踐可能成為今后研究的重點內(nèi)容。

選擇性剪切(可變剪切)是指一個mRNA前體通過不同的剪接方式(選擇不同的剪切位點組合)產(chǎn)生不同mRNA分子的過程。選擇性剪切和RNA加工屬于轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的一部分，能夠影響mRNA的穩(wěn)定性，改變編碼蛋白的含量、活性和穩(wěn)定性。干旱脅迫可以通過改變剪切因子蛋白如富含絲氨酸/精氨酸的剪切因子或多聚嘧啶序列結(jié)合蛋白的表達(dá)和剪切模式控制其他基因的剪切[35-36]。已有證據(jù)表明RNA結(jié)合/穩(wěn)定蛋白能夠提高植物的抗旱性[37]。目前，有關(guān)選擇性剪切對植物轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的影響以及在干旱脅迫下如何變化的研究仍處于起步階段。脯氨酸是一種重要的滲透調(diào)節(jié)劑，植物在受到干旱脅迫時會大量積累脯氨酸。脯氨酸合成的關(guān)鍵酶是Δ1-二氫吡咯-5-羧酸合成酶，催化脯氨酸合成的第一步反應(yīng)，該酶由 P5CS1基因編碼。 P5CS1基因mRNA前體的選擇性剪切能夠影響Δ1-二氫吡咯-5-羧酸合成酶含量，有助于植物適應(yīng)不同的氣候[38]。目前也發(fā)現(xiàn)其他一些與干旱有關(guān)的基因也存在選擇性剪切。當(dāng)然，還有很多尚未發(fā)現(xiàn)的存在選擇性剪切的潛在基因。例如，編碼小麥脫水響應(yīng)元件結(jié)合蛋白的 DREB2基因有三種轉(zhuǎn)錄本類型，其中兩種受到干旱或鹽脅迫的差異調(diào)控[39]。因此，系統(tǒng)研究在干旱脅迫下剪切因子的表達(dá)及其如何影響轉(zhuǎn)錄譜和最終植物的表型可能會成為今后在轉(zhuǎn)錄水平上研究小麥應(yīng)對干旱脅迫的一個重要內(nèi)容。

3 蛋白質(zhì)組學(xué)在小麥抗旱研究中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，直接參與了干旱脅迫相關(guān)的眾多生物學(xué)過程[40]。蛋白質(zhì)組指由一個基因組或一個細(xì)胞、組織表達(dá)的所有蛋白質(zhì)[41-42]。蛋白質(zhì)組學(xué)本質(zhì)上指的是大規(guī)模研究蛋白質(zhì)的特征，包括蛋白質(zhì)表達(dá)水平、翻譯后修飾、蛋白與蛋白相互作用等，由此獲得在蛋白質(zhì)水平上對于目標(biāo)性狀整體而全面的認(rèn)識。由于可變剪切、RNA編輯、蛋白翻譯后修飾的存在，許多基因可以表達(dá)出多種不同的蛋白質(zhì)。對于一個物種來說，其蛋白質(zhì)數(shù)目可能會多于其基因數(shù)目[41, 43]。因此，蛋白質(zhì)組的復(fù)雜度要比基因組的復(fù)雜度高得多。與轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)相比，蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)與表型關(guān)系更為緊密[2, 44]。

普通小麥?zhǔn)钱愒戳扼w，基因組大而且復(fù)雜，重復(fù)序列多。因而從蛋白質(zhì)組出發(fā)研究小麥的抗旱反應(yīng)機(jī)制是一個很好的入手點。在過去的20年間，隨著蛋白質(zhì)分離和相對定量技術(shù)(如2D-DIGE、iTRAQ和MS/MS)的進(jìn)步，高通量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)被越來越多地用于揭示小麥抗旱反應(yīng)的分子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制。Hajheidari等[45]研究了普通小麥春麥品種Arvand、Kelk、Khazar和Afghai籽粒在干旱脅迫下蛋白質(zhì)組的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，共有121個蛋白上調(diào)表達(dá)，主要包括硫氧還蛋白(Trx)、谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶(GST)、蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(PDI)、胚胎后期豐富蛋白(LEA)、過氧化物氧還蛋白(1-Cysperoxiredoxin)、熱激蛋白(sHSP17和HSP70)等，其中57個得到鑒定。Ford等[46]對澳大利亞小麥干旱敏感品種(S) Kukri和耐旱性品種(T) Excalibur、RAC875葉片在干旱條件下蛋白質(zhì)組的變化進(jìn)行了研究，結(jié)果共鑒定出1 299個蛋白，其中與活性氧代謝相關(guān)的蛋白水平上升，與光合和卡爾文循環(huán)相關(guān)蛋白水平下降。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)脫水素(COR410)在耐旱基因型中上升幅度高于干旱敏感基因型。Alvarez等[47]對普通小麥品種Nesser(T)和Opata M85(S)根在干旱和ABA處理條件下蛋白質(zhì)組的變化進(jìn)行了研究，結(jié)果共鑒定出1 656個蛋白，其中805個ABA響應(yīng)蛋白，包括LEA、蛋白磷酸酶PP2C等；HSP70、HSP90、G蛋白、V型ATP酶在耐旱基因型小麥中含量更高；β-細(xì)胞壁松弛蛋白、膜孔蛋白在干旱敏感基因型含量更高。Caruso等[48]研究了硬粒小麥品種Ofanto葉片響應(yīng)干旱脅迫的蛋白質(zhì)組變化，結(jié)果共鑒定出36個蛋白，上調(diào)表達(dá)的有碳酸酐酶、核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶(Rubisco)大亞基；下調(diào)表達(dá)的有Rubisco小亞基、ATP合成酶等。Budak等[49]對硬粒小麥品種Kiziltan(S)和野生二粒小麥系TR3947、TTD22(T) 葉片在持續(xù)9 d不澆水的條件下蛋白質(zhì)組變化進(jìn)行了研究，結(jié)果共鑒定出75個蛋白，其中11個候選蛋白與耐旱性相關(guān)；磷酸丙糖異構(gòu)酶(TPI)、ATP合成酶CF1在耐受基因型小麥中含量更高；β-1, 3-葡聚糖酶、β-1, 4-葡聚糖酶、木葡聚糖轉(zhuǎn)移酶(XET)、甲硫氨酸合成酶在干旱敏感基因型含量更高。Kang等[50]對普通小麥Yumai 34葉片在15% PEG處理條件下蛋白質(zhì)組變化進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)82個差異蛋白，其中76個得到鑒定，上調(diào)的蛋白主要有14-3-3、抗壞血酸過氧化物酶(APX)和GST等。Ye等[51]對普通小麥春麥品種Abbondanza(T)、Qingchun 38(S)在PEG6000處理下蛋白質(zhì)組的變化進(jìn)行了研究，結(jié)果共發(fā)現(xiàn)38個差異蛋白，其中35個得到鑒定，上調(diào)的蛋白有甘油醛-3-磷酸脫氫酶、26S蛋白酶體、V型ATP酶A等，下調(diào)蛋白有Rubisco大小亞基、TPI、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)等。Zhang等[52]對普通小麥品種旱選10號(T)、寧春47(S)苗期葉片在20% PEG6000處理48 h后蛋白質(zhì)組的變化進(jìn)行了研究，分別鑒定出173個(T)和251個(S)磷酸化蛋白，包括信號轉(zhuǎn)導(dǎo)組分(SnRK2 激酶、PP2C、細(xì)胞周期蛋白和鈣調(diào)蛋白2-2)、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(AQP、MSSP2和H+-ATPase)和胚胎后期豐富蛋白(WCOR719、WCOR825和WRAB17)等。Hao等[53]對普通小麥品種旱選10號(T)、中國春(S)的苗期葉片、根及根葉中間部分在20% PEG6000分別處理6、12、 24、48 h和恢復(fù)48 h后的蛋白質(zhì)組變化進(jìn)行了研究，在根中鑒定出122個差異表達(dá)蛋白，在葉片中鑒定出163個差異表達(dá)蛋白，在根葉中間部分鑒定出146個差異表達(dá)蛋白。其中，在根和根葉中間部分鑒定的蛋白主要與細(xì)胞防御和脫毒有關(guān)。在葉片中，3個與光合作用相關(guān)的蛋白含量呈顯著變化，它們分別是Rubisco大亞基、oxygen evolving enhancer protein 2(OEE2)和Rubisco活化酶。經(jīng)干旱處理后，旱選10號的Rubisco大亞基和Rubisco活化酶表達(dá)顯著上調(diào)，而在中國春中這兩個蛋白表達(dá)下調(diào)或不能被檢測到。干旱解除后，旱選10號中Rubisco大亞基和Rubisco活化酶表達(dá)下調(diào)，而OEE2表達(dá)上調(diào)將近4倍；耐旱基因型旱選10號中與脅迫防御相關(guān)的差異表達(dá)蛋白數(shù)目遠(yuǎn)高于干旱敏感型；6個與干旱耐性相關(guān)的熱激蛋白在干旱條件下顯著上調(diào)，旱選10號中HSP60、HSP90等磷酸化水平在干旱脅迫下上升。Peng等[54]對體細(xì)胞雜交小麥Shanrong 3及其親本面包小麥品種Jinan 177苗期葉片和根在18% PEG6000處理24 h后的蛋白質(zhì)組變化進(jìn)行了研究，結(jié)果分別鑒定出93個(根)和65個(葉)差異表達(dá)蛋白；Shanrong 3品種耐旱性的提升主要是由于其對滲透和離子穩(wěn)態(tài)的調(diào)控能力增強(qiáng)，具有有效清除有毒副產(chǎn)物的能力和更好的恢復(fù)生長潛力。Demirevska等[55]對4個田間抗旱能力不同的冬小麥品種Katya、Sadovo、Zlatitza和Miziya在停止?jié)菜? d和恢復(fù)澆水3 d后的蛋白質(zhì)組變化進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)7 d干旱后，水分恢復(fù)3 d不能使Rubisco大亞基含量恢復(fù)至對照水平，特別是對干旱敏感品種Miziya。Kamal等[56]觀察了普通小麥品種 Keumganag 10 d幼苗停止?jié)菜? d后蛋白質(zhì)組的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)9個蛋白上調(diào)表達(dá)，16個蛋白下調(diào)表達(dá)，11個蛋白不受影響。其中，Rubisco大小亞基、氯離子通道蛋白家族、H+-ATP酶上調(diào)；膜蛋白ATP合成酶b亞基和細(xì)胞色素b6-f復(fù)合體下調(diào)表達(dá)。Horvath等[57]對普通小麥春麥品種CY-45和其轉(zhuǎn)基因系T-117、 T-106-3/a、T-128苗期葉片經(jīng)干旱處理后蛋白質(zhì)組的變化進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)受干旱誘導(dǎo)的蛋白分子量集中在15～27 kDa，pH值為6.5～7.5；受脅迫的轉(zhuǎn)基因株系中存在一些類抑制劑蛋白，如α-淀粉酶抑制劑、胰蛋白酶抑制劑CM1前體等，這可以解釋轉(zhuǎn)基因系干旱敏感表型。Jiang等[58]對普通小麥品種Kauz(T)和Janz(S)經(jīng)干旱處理后蛋白質(zhì)組的變化進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)153個差異表達(dá)蛋白，其中122個得到鑒定，這些蛋白主要參與碳水化合物代謝、脫毒、防御和儲藏；兩個品種間一些關(guān)鍵蛋白表達(dá)模式顯著不同，如過氧化氫酶同工酶1、LEA、α-淀粉酶等。從上面的研究結(jié)果中，可以看出以下幾點。

(1) 不同蛋白質(zhì)組學(xué)研究選取的小麥品種、器官、組織不同，處理方式、脅迫起始和持續(xù)時間以及脅迫程度也各不相同，導(dǎo)致鑒定的差異蛋白種類和數(shù)目有很大差異。

(2) 受干旱脅迫誘導(dǎo)的蛋白按功能主要可分為以下幾類：a.參與干旱脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，如蔗糖非酵解型蛋白激酶(SnRK2)、蛋白磷酸酶2C(PP2C)等；b.參與代謝途徑，如參與光合作用的Rubisco大小亞基和細(xì)胞色素b6-f復(fù)合體；c.具有脫毒、防御和儲藏功能的蛋白，如LEA、HSP等。

(3)耐旱性不同的基因型間差異表達(dá)蛋白數(shù)目和種類均有所差異。而蛋白種類的差異可能比數(shù)目的差異在決定抗旱能力強(qiáng)弱上發(fā)揮著更為重要的作用。同時，一些重要蛋白表達(dá)模式的差異也是造成基因型間耐旱性不同的重要原因。

(4) 大部分研究都是基于比較蛋白質(zhì)組學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)耐旱能力顯著差異的基因型之間在蛋白表達(dá)種類和水平等方面的不同，進(jìn)而推測他們抗旱性差異的分子機(jī)理。

4 蛋白質(zhì)組學(xué)在小麥抗旱研究中的不足與未來研究重點

(1)雖然利用蛋白質(zhì)組學(xué)獲得了大量有關(guān)小麥在干旱條件下積累各種保護(hù)蛋白和調(diào)整細(xì)胞代謝的信息。然而，對于一些低表達(dá)量的調(diào)控蛋白，如參與脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)調(diào)控的蛋白還知之甚少。這些蛋白在干旱脅迫初期的脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮重要作用。

(2)盡管從植物樣品中鑒定出了上千種蛋白，但針對某一特定組織、發(fā)育階段和環(huán)境條件下植物蛋白質(zhì)組的完全揭示仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)[59]。另外，隨著蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)的日益增多，從眾多數(shù)據(jù)中挖掘關(guān)鍵蛋白，開發(fā)耐旱蛋白標(biāo)記應(yīng)用于小麥抗旱品種選育已成為一項緊迫的任務(wù)。

(3)蛋白質(zhì)翻譯后修飾在調(diào)控蛋白功能方面發(fā)揮著重要作用。磷酸化和去磷酸化是一種常見的蛋白質(zhì)翻譯后修飾形式，一些參與脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的酶的活性受到磷酸化和去磷酸化的調(diào)控，進(jìn)而啟動或關(guān)閉脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。當(dāng)前多數(shù)基于比較蛋白質(zhì)組方法的研究集中在某一植物組織(或者某一特定的亞細(xì)胞組分，如細(xì)胞核、線粒體、質(zhì)體)蛋白質(zhì)含量的變化，而對其翻譯后修飾、蛋白之間相互作用研究較少。隨著研究逐步深入，對脅迫條件下植物蛋白質(zhì)組的研究可能會逐步向翻譯后修飾方向傾斜。開展磷酸化蛋白質(zhì)組、氧化還原蛋白質(zhì)組、蛋白互作等研究有助于全面揭示蛋白的功能，幫助我們更好地理解植物對環(huán)境脅迫的適應(yīng)和脅迫耐性的獲得。

5 蛋白質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄組的聯(lián)系與差異

按中心法則所述，基因表達(dá)的主要環(huán)節(jié)包括轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成。理論上講，從生長條件和狀態(tài)相同的細(xì)胞、組織或器官獲得的轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)之間應(yīng)該具有較高的相關(guān)性。Koh等[60]對油菜在干旱脅迫下20個基因在轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)水平進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)盡管有些基因的轉(zhuǎn)錄本和蛋白的表達(dá)模式不盡相同，二者之間仍存在顯著正相關(guān)。脅迫時間越長，相關(guān)性越明顯，因此在干旱脅迫條件下，大多數(shù)蛋白豐度的改變是由于基因轉(zhuǎn)錄水平的變化造成的，而翻譯后修飾豐富了蛋白的多樣性和功能。Budak等[49]對硬粒小麥品種Kiziltan和野生二粒小麥系TR39477、TTD22(T)進(jìn)行干旱脅迫條件下蛋白質(zhì)組學(xué)分析，同時挑選RuBisCO、錳超氧化物歧化酶(MnSOD)、GST和鐵氧還蛋白-NADP還原酶(FNR)四個蛋白對其mRNA用qRT-PCR定量，發(fā)現(xiàn)在有些品種和脅迫條件下，轉(zhuǎn)錄本的變化和蛋白水平的變化一致，但也有部分轉(zhuǎn)錄本的變化和蛋白水平的變化趨勢相反。比如，RuBisCO轉(zhuǎn)錄本在干旱脅迫處理下的三種基因型中均顯著下調(diào)，但其蛋白含量均上升。GST的mRNA水平在干旱處理的Kiziltan和TTD22基因型中上升，與其蛋白水平的上升一致。然而，在TR39477中則呈現(xiàn)相反的趨勢，轉(zhuǎn)錄本水平下降，蛋白水平上升。Peng等[54]對體細(xì)胞雜交小麥品種Shanrong 3及其親本面包小麥品種Jinan 177 苗期葉片和根用18% PEG6000模擬干旱脅迫進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析，同時用cDNA芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)僅有20個(27.0%)差異表達(dá)蛋白在轉(zhuǎn)錄本與蛋白水平有相關(guān)性，但整體來看，蛋白質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄組之間的相關(guān)性并不強(qiáng)。

上述研究中觀察到的轉(zhuǎn)錄本與其蛋白水平不一致的原因可能包括以下兩點：1、基因的表達(dá)一般受到轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個層面的調(diào)控，而每一個層面的調(diào)控又有多種方式，使得基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制變得非常復(fù)雜。2、因為檢測的時間點不同，可能在蛋白達(dá)到峰值的時候mRNA已經(jīng)降解或者在mRNA達(dá)到峰值的時候蛋白含量還在變化中。因此，將轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)結(jié)合起來分析，才可能有助于更加全面和深入地了解控制植物響應(yīng)干旱脅迫的分子機(jī)理。

6 研究展望

利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)已在小麥中鑒定出一些響應(yīng)干旱脅迫的基因和蛋白質(zhì)，如參與干旱信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的HSFs、DREBs、 TaWRKY16、 (〗TaWRKY17、 TaWRKY24、 TaWRKY19-C、 TaWRKY59、)〗 TaWRKY82、 TaWLIP19、 TaNAC69、 TaMYB33等調(diào)控基因；脫水素、胚胎后期豐富蛋白、水通道蛋白、熱激蛋白、抗氧化劑等起防御作用的功能蛋白。這些基因和蛋白質(zhì)很多已被證實參與了小麥抗旱分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這些信息有助于更加全面系統(tǒng)地揭示小麥復(fù)雜的抗旱機(jī)理。

小麥基因組龐大而復(fù)雜，過去由于缺少必要的基因組信息，限制了利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)手段對其干旱脅迫響應(yīng)機(jī)制的研究。2013年以來，六倍體普通小麥及其二倍體祖先物種烏拉爾圖小麥(Triticumurartu)和粗山羊草(Aegilopstauschii)基因組草圖的相繼發(fā)表[61-65]，為小麥遺傳學(xué)和基因組學(xué)研究提供了比較全面和準(zhǔn)確的參考基因組序列。由于小麥抗旱機(jī)制復(fù)雜性，轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究通常能發(fā)現(xiàn)成百上千差異表達(dá)基因或蛋白質(zhì)。過去研究的思路是通過生物信息學(xué)手段進(jìn)行GO和KEGG富集分析等，發(fā)現(xiàn)與脅迫相關(guān)的生物學(xué)過程、代謝通路等，這部分研究對系統(tǒng)認(rèn)識小麥抗旱機(jī)制發(fā)揮了重要作用。同時，由于先前小麥遺傳轉(zhuǎn)化較為困難，通過轉(zhuǎn)基因方式等分子手段揭示鑒定出的某一基因或蛋白發(fā)揮抗旱功能的研究比較少。隨著小麥遺傳轉(zhuǎn)化體系的不斷優(yōu)化、基因組編輯技術(shù)的興起等技術(shù)手段不斷進(jìn)步，也為鑒定出的候選基因和蛋白的功能驗證提供了便利條件。同時，蛋白分離及定量技術(shù)也在不斷完善?？梢灶A(yù)見，轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)手段將在小麥抗旱研究中得到進(jìn)一步應(yīng)用，為全面和深入揭示小麥抗旱調(diào)控分子網(wǎng)絡(luò)做出重要貢獻(xiàn)。

[1]BUDAK H,HUSSAIN B,KHAN Z,etal.From genetics to functional genomics:Improvement in drought signaling and tolerance in wheat [J].FrontiersinPlantScience,2015,6:1012.

[4]LEVITT J.Responses of Plants to Environmental Stresses [M].New York,USA:Academic Publisher,1980:497.

[5]LARCHER W.Physiological Plant Ecology:Ecophysiology and Stress Physiology of Functional Groups(The 4th Edition) [M].Heidelberg,Germany:Springer Science & Business Media,2003:513.

[6]BATLANG U,BAISAKH N,AMBAVARAM M M R,etal.Phenotypic and physiological evaluation for drought and salinity stress responses in rice [J].RiceProtocols,2013,956:209-225.

[7]MOHAMMADI P P,MOIENI A,KOMATSU S.Comparative proteome analysis of drought-sensitive and drought-tolerant rapeseed roots and their hybrid F1line under drought stress [J].AminoAcids,2012,43(5):2137-2152.

[8]BABITA M,MAHESWARI M,RAO L M,etal.Osmotic adjustment,drought tolerance and yield in castor(RicinuscommunisL.) hybrids [J].EnvironmentalandExperimentalBotany,2010,69(3):243-249.

[9]KUMARI S,ROY S,SINGH P,etal.Cyclophilins:proteins in search of function [J].PlantSignaling&Behavior,2013,8(1):e22734.

[10]SHANKER A K,MAHESWARI M,YADAV S K,etal.Drought stress responses in crops [J].Functional&IntegrativeGenomics,2014,14(1):11-22.

[11]LANGRIDGE P,FLEURY D.Making the most of 'omics' for crop breeding [J].TrendsinBiotechnology,2011,29(1):33-40.

[12]RAMSAY G.DNA chips:state-of-the art [J].NatureBiotechnology,1998,16:40-44.

[13]CHEE M,YANG R,HUBBELL E,etal.Accessing genetic information with high-density DNA arrays [J].Science,1996,274(5287):610-614.

[14]XUE G P,MCINTYRE C L,CHAPMAN S,etal.Differential gene expression of wheat progeny with contrasting levels of transpiration efficiency [J].PlantMolecularBiology,2006,61(6):863-881.

[15]MOHAMMADI M,KAV N N V,DEYHOLOS M K.Transcriptional profiling of hexaploid wheat(TriticumaestivumL.) roots identifies novel,dehydration-responsive genes [J].Plant,Cell&Environment,2007,30(5):630-645.

[16]XUE G P,MCINTYRE C L,GLASSOP D,etal.Use of expression analysis to dissect alterations in carbohydrate metabolism in wheat leaves during drought stress [J].PlantMolecularBiology,2008,67(3):197-214.

[17]MOHAMMADI M,KAV N N V,DEYHOLOS M K.Transcript expression profile of water-limited roots of hexaploid wheat(Triticumaestivum'Opata') [J].Genome,2008,51(5):357-367.

[18]SEENJI M,LENDVAI,MISKOLCZI P,etal.Differences in root functions during long-term drought adaptation:comparison of active gene sets of two wheat genotypes [J].PlantBiology,2010,12(6):871-882.

[19]NAYDENOV N G,KHANAM S,SINIAUSKAYA M,etal.Profiling of mitochondrial transcriptome in germinating wheat embryos and seedlings subjected to cold,salinity and osmotic stresses [J].Genes&GeneticSystems,2010,85(1):31-42.

[20]LI Y C,MENG F R,ZHANG C Y,etal.Comparative analysis of water stress-responsive transcriptomes in drought-susceptible and tolerant wheat(TriticumaestivumL.) [J].JournalofPlantBiology,2012,55(5):349-360.

[21]APRILE A,HAVLICKOVA L,PANNA R,etal.Different stress responsive strategies to drought and heat in two durum wheat cultivars with contrasting water use efficiency [J].BMCGenomics,2013,14(1):1.

[22]PLACIDO D F,CAMPBELL M T,FOLSOM J J,etal.Introgression of novel traits from a wild wheat relative improves drought adaptation in wheat [J].PlantPhysiology,2013,161(4):1806-1819.

[23]KRUGMAN T,CHAGUéV,PELEG Z,etal.Multilevel regulation and signalling processes associated with adaptation to terminal drought in wild emmer wheat [J].Functional&IntegrativeGenomics,2010,10(2):167-186.

[24]REDDY S K,LIU S,RUDD J C,etal.Physiology and transcriptomics of water-deficit stress responses in wheat cultivars TAM 111 and TAM 112 [J].JournalofPlantPhysiology,2014,171(14):1289-1298.

[25]HABASH D Z,BAUDO M,HINDLE M,etal.Systems responses to progressive water stress in durum wheat [J].PloSOne,2014,9(9):e108431.

[26]APRILE A,MASTRANGELO A M,DE LEONARDIS A M,etal.Transcriptional profiling in response to terminal drought stress reveals differential responses along the wheat genome [J].BMCGenomics,2009,10(1):279.

[27]ERGEN N Z,THIMMAPURAM J,BOHNERT H J,etal.Transcriptome pathways unique to dehydration tolerant relatives of modern wheat [J].Functional&IntegrativeGenomics,2009,9(3):377-396.

[28]LIU Z,XIN M,QIN J,etal.Temporal transcriptome profiling reveals expression partitioning of homeologous genes contributing to heat and drought acclimation in wheat(TriticumaestivumL.) [J].BMCPlantBiology,2015,15(1):152.

[29]BRAY E A.Genes commonly regulated by water-deficit stress inArabidopsisthaliana[J].JournalofExperimentalBotany,2004,55(407):2331-2341.

[30]NEVO E,HENRY R J.Genomic diversity in nature and domestication [J].PlantDiversityandEvolution:GenotypicandPhenotypicVariationinHigherPlants,2005:287-315.

[31]NEVO E,CHEN G.Drought and salt tolerances in wild relatives for wheat and barley improvement [J].Plant,Cell&Environment,2010,33(4):670-685.

[32]NEVO E,BEILES A,GUTTERMAN Y,etal.Genetic resources of wild cereals in Israel and vicinity.II.Phenotypic variation within and between populations of wild barley,Hordeumspontaneum[J].Euphytica,1984,33(3):737-756.

[33]PELEG Z,FAHIMA T,ABBO S,etal.Genetic diversity for drought resistance in wild emmer wheat and its ecogeographical associations [J].Plant,Cell&Environment,2005,28(2):176-191.

[34]PELEG Z V I,SARANGA Y,KRUGMAN T,etal.Allelic diversity associated with aridity gradient in wild emmer wheat populations [J].Plant,Cell&Environment,2008,31(1):39-49.

[35]RüHL C,STAUFFER E,KAHLES A,etal.Polypyrimidine tract binding protein homologs fromArabidopsisare key regulators of alternative splicing with implications in fundamental developmental processes [J].ThePlantCell,2012,24(11):4360-4375.

[36]IIDA K,GO M.Survey of conserved alternative splicing events of mRNAs encoding SR proteins in land plants [J].MolecularBiologyandEvolution,2006,23(5):1085-1094.

[37]ISSHIKI M,TSUMOTO A,SHIMAMOTO K.The serine/arginine-rich protein family in rice plays important roles in constitutive and alternative splicing of pre-mRNA [J].ThePlantCell,2006,18(1):146-158.

[38]CASTIGLIONI P,WARNER D,BENSEN R J,etal.Bacterial RNA chaperones confer abiotic stress tolerance in plants and improved grain yield in maize under water-limited conditions [J].PlantPhysiology,2008,147(2):446-455.

[39] VERSLUES P E,GOVINAL B B,RAVI K,etal.Drought Tolerance Mechanisms and Their Molecular Basis in Plant Abiotic Stress(The Second Edition) [M].Hoboken,NJ:John Wiley & Sons,Inc,2013:16-46.

[40]EGAWA C,KOBAYASHI F,ISHIBASHI M,etal.Differential regulation of transcript accumulation and alternative splicing of a DREB2 homolog under abiotic stress conditions in common wheat [J].Genes&GeneticSystems,2006,81(2):77-91.

[41]GOOLEY A A,HUGHES G,HUMPHERY-SMITH I,etal.From proteins to proteomes:Large scale protein identification by two-dimensional electrophoresis and amino acid analysis [J].Biotechnology,1996,14(6):1.

[42]WASINGER V C,CORDWELL S J,CERPA-POLJAK A,etal.Progress with gene-product mapping of the Mollicutes:Mycoplasmagenitalium[J].Electrophoresis,1995,16(1):1090-1094.

[43]WILKINS M R,SANCHEZ J C,GOOLEY A A,etal.Progress with proteome projects:why all proteins expressed by a genome should be identified and how to do it [J].BiotechnologyandGeneticEngineeringReviews,1996,13(1):19-50.

[45]HAJHEIDARI M,EIVAZI A,BUCHANAN B B,etal.Proteomics uncovers a role for redox in drought tolerance in wheat [J].JournalofProteomeResearch,2007,6(4):1451-1460.

[46]FORD K L,CASSIN A,BACIC A.Quantitative proteomic analysis of wheat cultivars with differing drought stress tolerance [J].FrontiersinPlantSciences,2011,2:44.

[47]ALVAREZ S,CHOUDHURY S R,PANDEY S.Comparative quantitative proteomics analysis of the ABA response of roots of drought-sensitive and drought-tolerant wheat varieties identifies proteomic signatures of drought adaptability [J].JournalofProteomeResearch,2014,13(3):1688-1701.

[48]CARUSO G,CAVALIERE C,FOGLIA P,etal.Analysis of drought responsive proteins in wheat(Triticumdurum) by 2D-PAGE and MALDI-TOF mass spectrometry [J].PlantScience,2009,177(6):570-576.

[49]BUDAK H,AKPINAR B A,UNVER T,etal.Proteome changes in wild and modern wheat leaves upon drought stress by two-dimensional electrophoresis and nanoLC-ESI-MS/MS [J].PlantMolecularBiology,2013,83(1-2):89-103.

[50]KABG G,LI G,XU W,etal.Proteomics reveals the effects of salicylic acid on growth and tolerance to subsequent drought stress in wheat [J].JournalofProteomeResearch,2012,11(12):6066-6079.

[51]YE J,WANG S,ZHANG F,etal.Proteomic analysis of leaves of different wheat genotypes subjected to PEG6000 stress and rewatering [J].PlantOmics,2013,6(4):286.

[52]ZHANG M,LV D,GE P,etal.Phosphoproteome analysis reveals new drought response and defense mechanisms of seedling leaves in bread wheat(TriticumaestivumL.) [J].JournalofProteomics,2014,109:290-308.

[53]HAO P,ZHU J,GU A,etal.An integrative proteome analysis of different seedling organs in tolerant and sensitive wheat cultivars under drought stress and recovery [J].Proteomics,2015,15(9):1544-1563.

[54]PENG Z,WANG M,LI F,etal.A proteomic study of the response to salinity and drought stress in an introgression strain of bread wheat [J].Molecular&CellularProteomics,2009,8(12):2676-2686.

[55]DEMIREVSKA K,ZASHEVA D,DIMITROV R,etal.Drought stress effects on Rubisco in wheat:changes in the Rubisco large subunit [J].ActaPhysiologiaePlantarum,2009,31(6):1129-1138.

[56]KAMAL A H M,CHO K,CHOI J S,etal.Patterns of protein expression in water-stressed wheat chloroplasts [J].BiologiaPlantarum,2013,57(2):305-312.

[57]HORVATH-SZANICS E,SZABO Z,JANAKY T,etal.Proteomics as an emergent tool for identification of stress-induced proteins in control and genetically modified wheat lines [J].Chromatographia,2006,63(13):S143-S147.

[58]JIANG S S,LIANG X N,LI X,etal.Wheat drought-responsive grain proteome analysis by linear and nonlinear 2-DE and MALDI-TOF mass spectrometry [J].InternationalJournalofMolecularSciences,2012,13(12):16065-16083.

[60]KOH J,CHEN G,YOO M J,etal.Comparative proteomic analysis ofBrassicanapusin response to drought stress [J].JournalofProteomeResearch,2015,14(8):3068-3081.

[61]BRENCHLEY R,SPANNAGL M,PFEIFER M,etal.Analysis of the bread wheat genome using whole genome shotgun sequencing [J].Nature,2012,491(7426):705-710.

[62]MAYER K F X,ROGERS J,DOLEEL J,etal.A chromosome-based draft sequence of the hexaploid bread wheat(Triticumaestivum) genome [J].Science,2014,345(6194):1251788.

[63]CHOULET F,ALBERTI A,THEIL S,etal.Structural and functional partitioning of bread wheat chromosome 3B [J].Science,2014,345(6194):1249721.

[64]LING H Q,ZHAO S,LIU D,etal.Draft genome of the wheat A-genome progenitorTriticumurartu[J].Nature,2013,496(7443):87-90.

[65]JIA J,ZHAO S,KONG X,etal.Aegilopstauschiidraft genome sequence reveals a gene repertoire for wheat adaptation [J].Nature,2013,496(7443):91-95.

Progress and Prospects in the Research on Wheat Drought Response and Resistance Mechanisms Using Transcriptomic and Proteomic Approaches

ZHANG Hongliang1,2, WANG Daowen3, ZHANG Zhengbin1

(1.Center of Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences,Shijiazhuang, Hebei 050021, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3.State Key Laboratory of Plant Cell and Chromosome Engineering, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

Drought is one of the most serious abiotic stresses negatively affecting wheat distribution, yield and quality. With the exacerbation of global warming and the growing shortage of fresh water, the adverse effects of drought on wheat production are becoming more and more severe. Currently, the transcriptomic and proteomic approaches have become common and reliable tools in studying the mechanisms of wheat resistance to drought and many genes and proteins involved in the molecular regulatory networks of wheat response and resistance to drought have been identified in different wheat varieties and its wild relatives. This paper briefly reviews the main general findings in the research on the molecular mechanisms underlying wheat response and resistance to drought using transcriptomic and proteomic approaches. The limitations of current research and the tendency of such studies in the future are also discussed，which may be helpful to utilize the existed research findings for the improvement of wheat drought resistance and may aid more effective investigations of the mechanisms involved in wheat response and resistance to drought stress by using transcriptomic and proteomic approaches.

Transcriptome; Proteome; Wheat; Drought response and resistance mechanism

時間：2016-07-07

2016-03-03

2016-04-15

中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(A類)(XD080310703)

E-mail：hongliangzhang@genetics.ac.cn

張正斌(E-mail:zzb@sjziam.ac.cn)

S512.1；S330

A

1009-1041(2016)07-0878-10

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160707.1530.016.html