王 強,王 娟,李 寧,唐亞萍,楊 濤,王柏柯,楊生保,帕提古麗,余慶輝
(1.新疆農(nóng)業(yè)科學院園藝作物研究所/新疆園藝作物生物技術(shù)與分子育種重點實驗室,烏魯木齊 830091;2. 新疆農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所,烏魯木齊 830091)
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適于番茄葉片蛋白質(zhì)組分析的雙向電泳優(yōu)化體系的建立
王 強1,王 娟2,李 寧1,唐亞萍1,楊 濤1,王柏柯1,楊生保1,帕提古麗1,余慶輝1
(1.新疆農(nóng)業(yè)科學院園藝作物研究所/新疆園藝作物生物技術(shù)與分子育種重點實驗室,烏魯木齊830091;2. 新疆農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所,烏魯木齊830091)
【目的】建立適于番茄葉片蛋白質(zhì)組分析的雙向電泳(2-DE)技術(shù),為開展番茄蛋白質(zhì)組學研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)?!痉椒ā繉Ψ讶~片蛋白質(zhì)提取方法、蛋白質(zhì)裂解液、上樣量、膠條pH范圍等關(guān)鍵步驟進行優(yōu)化?!窘Y(jié)果】采用三氯乙酸/丙酮法提取番茄葉片總蛋白質(zhì),含有7 mol/L尿素,2 mol/L硫脲,4% CHAPS,30 mmol/L Tris-HCl(pH 8.0)裂解緩沖液,上樣量為100 mg,以pH 4~7、18 cm的IPG 膠條在12%SDS-PAGE凝膠濃度下進行雙向電泳,得到了蛋白點均勻分布、低峰度蛋白點較為清晰,蛋白點數(shù)目多且分辨率高的2-DE圖譜。【結(jié)論】建立了一套適于番茄葉片蛋白質(zhì)分析的雙向電泳技術(shù)體系,為下一步在蛋白組學水平上分析番茄逆境脅迫等相關(guān)蛋白提供了技術(shù)支持。
番茄葉片;蛋白質(zhì)組;雙向電泳(2-DE)
【研究意義】蛋白質(zhì)組學是后基因組時代研究生物學功能的重要組學,雙向電泳技術(shù)(2- DE) 已經(jīng)成為了蛋白組學研究的核心技術(shù)之一,而雙向電泳技術(shù)涉及的環(huán)節(jié)較多,樣品制備中植物組織中存在影響雙向電泳的物質(zhì)(如核酸、多糖和脂類等生物大分子以及鹽類) 會阻塞凝膠孔徑,鹽濃度過高會使等電聚焦的電壓降低,甚至損壞IPG 膠條[1]。其次植物組織中含有的色素、酚、多糖等代謝產(chǎn)物也會對后續(xù)蛋白質(zhì)的分離和鑒定造成影響[2]。除了樣品制備外,上樣量的大小、蛋白質(zhì)裂解的配方、IPG膠條的選擇等都會對雙向電泳的產(chǎn)生影響。任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都無法得到分辨率高的凝膠圖譜。因此,建立一套分辨率高的雙向電泳體系是成功開展番茄蛋白質(zhì)組學分析的基礎(chǔ)?!厩叭搜芯窟M展】近年來,雙向電泳技術(shù)廣泛應(yīng)用于植物等方面的研究,由于不同研究作物的蛋白質(zhì)組成千差萬別,套用常規(guī)試驗程序有可能得不到滿意結(jié)果[3]。番茄不同器官蛋白質(zhì)組學方面的研究有一些報道,如葉片[4-5]、根[6]和果實[7]等,由于雙向電泳涉及的環(huán)節(jié)較多,植物組織中代謝產(chǎn)物、材料的多樣性及不同器官所含蛋白種類及數(shù)量等也不相同,往往對電泳結(jié)果影響較大?!颈狙芯壳腥朦c】國內(nèi)外研究番茄蛋白質(zhì)組學的研究報道還很有限。利用雙向電泳技術(shù),比較番茄葉片總蛋白質(zhì)的提取方法、蛋白質(zhì)裂解液、上樣量、IPG膠條等進一步的優(yōu)化。【擬解決的關(guān)鍵問題】探索出一套適于番茄葉片的雙向電泳技術(shù),以期得到蛋白質(zhì)點數(shù)目多,背景清晰,條紋較少,拖尾現(xiàn)象不明顯的電泳圖譜,為開展番茄蛋白質(zhì)組學研究提供技術(shù)支撐。
1.1材 料
供試番茄材料為M82,于2014 年 4 月種植于新疆農(nóng)業(yè)科學院安寧渠綜合試驗基地,幼苗4片真葉時取樣,置于-80℃冰箱備用。實驗所用的載體兩性電解質(zhì)、線性18 cm pH 3~10、pH 4~7 IPG膠條、礦物油均購于美國Bio-Rad公司。其它試劑均為國產(chǎn)分析純。
1.2方 法
1.2.1蛋白質(zhì)提取
采用以下三種方法提取番茄葉片總蛋白并對提取效果進行比較。
三氯乙酸/丙酮沉淀法參照Gallardo等[8]并略作修改。取番茄葉片1 g在液氮中研磨成粉末,轉(zhuǎn)移至離心管中,加入-20℃預(yù)冷的丙酮4 mL(含10%三氯乙酸和0.07%β-巰基乙醇) 充分渦旋,-20℃靜置過夜,在4℃低溫離心機12 000 r/min,離心 30 min,棄上清,留沉淀;然后加80%丙酮4 mL (含0.07% β-巰基乙醇)去除色素及雜質(zhì),12 000 r/min,4℃低溫離心30 min,棄上清,留沉淀。再加入100%丙酮(含0.07%β-巰基乙醇),-20℃冷藏30 min。然后4°C,12 000 r/min離心30 min,棄上清,洗滌步驟重復(fù)2~3次,直到有機相成無色,將所得蛋白沉淀置于-20℃冷凍成干粉,在-80℃保存?zhèn)溆谩?/p>
飽和酚/甲醇醋酸銨法參照Mireille等[9]并略作修改。取番茄葉片 1 g 及少量的 PVP放入提前預(yù)冷的研缽中,在液氮中研磨成粉末,然后轉(zhuǎn)至離心管,加入3~4倍體積蛋白質(zhì)提取緩沖液( pH 8.0,0.50 mmol/L Tris-HCl,700 mmol/L 蔗糖,5 mmol/L EDTA-Na2,0.1% 蛋白酶抑制劑)充分混勻。在12 000 r/min,4℃低溫離心機上離心 3 min,吸取上清液轉(zhuǎn)入另一離心管中,向管中加 1.2 倍體積的水飽和酚充分混勻,12 000 r/min 離心20 min,取上清液加3倍體積 0.1 mol/L 乙酸銨/甲醇,-20℃過夜,然后12 000 r/min離心20 min,收集沉淀; 再用乙酸銨/甲醇洗滌 1 次,依次再用預(yù)冷的甲醇洗滌 2 次,80%丙酮洗滌 1 次,最后將沉淀在-20℃冷凍干燥,得到粉末狀蛋白放入-80℃保存?zhèn)溆谩?/p>
二硫蘇糖醇/丙酮法參照王紅等[10]并略作修改。取 1 g 番茄葉片,液氮中研磨成粉末,轉(zhuǎn)移至離心管中,加入 5 mL 2%二硫蘇糖醇的水溶液,在 4℃ 下12 000 r/min離心 30 min,取上清液,棄沉淀;上清液加4倍體積的冷丙酮,放于-20℃冰箱過夜。之后 4℃下 12 000 r/min 離心 30 min,沉淀用80%丙酮溶液清洗 2~3 次;最后沉淀在-20℃冷凍干燥,放入-80℃冰箱備用。
1.2.2蛋白質(zhì)定量
測定蛋白質(zhì)濃度參考 Bradford[11]的方法,稱取蛋白質(zhì)沉淀,以10 mg 蛋白加入200 μL 蛋白質(zhì)裂解液復(fù)溶,在冰浴超聲波中處理15 min,取出后在4℃搖床搖勻30 min,然后在4℃, 12 000 r/min 離心 30 min,取上清液,即為蛋白樣品。采用的蛋白裂解液如下:
蛋白裂解液Ⅰ:7 mol/L尿素,2 mol/L硫脲,2% CHAPS,2% SB3-10;
蛋白裂解液Ⅱ:7 mol/L尿素,2 mol/L硫脲,4% CHAPS,30 mmol/L Tris-HCl(pH 8.0);
蛋白裂解液Ⅲ:0.05 mol/L NaCl,0.1 mol/L Tris-HCl;
1.2.3單向SDS-PAGE凝膠電泳
將濃度為12%的分離膠注入玻璃板夾層中,用去離子水封膠面,待分離膠聚合后,配制濃度為4%濃縮膠,倒去分離膠表面的去離子水,灌入濃縮膠,插入點樣梳,待濃縮膠聚合后,在電泳槽中加入電泳緩沖液,拔去上樣梳點樣,蛋白上樣量為20 μL。加樣完畢開始電泳,起始電壓為80 V,待溴酚藍線到達分離膠時把電壓提高到120 V。當溴酚藍指示劑達到分離膠底部時停止電泳。
1.2.4第一向等電聚焦
采用Protean IEF cell等電聚焦系統(tǒng)。將提取的番茄蛋白樣品加裂解液至總體積為500 μL,均勻加入上樣IPG 膠條槽,將IPG膠條保護膜揭掉,IPG 膠條與膠條槽正負極一致,放在加有蛋白上樣液的IPG 膠條槽內(nèi),然后在膠面上加2~3 mL礦物油,置于等電聚焦儀上,聚焦條件為20℃。運行參數(shù):50 V水化12 h,250 V,30 min;500 V,1 h;1 000 V,30 min;4 000 V穩(wěn)壓聚焦,總電壓時間積達到20 000 Vh時結(jié)束電泳。
1.2.5第二SDS-PAGE凝膠電泳
等一向等電聚焦結(jié)束后,將IPG 膠條從膠條槽中取出,放入濾紙上吸取膠條表面的礦物油,然后將膠面朝上的IPG 膠條放于5 mL 膠條平衡緩沖液 I[6 mol /L尿素,20%甘油,0.375 mol /L Tris-HCl (pH 8.8),2% SDS,2%DTT]中在脫色搖床上緩慢搖蕩平衡15 min,再將IPG 膠條放入濾紙上吸取膠條表面的溶液,再轉(zhuǎn)入5 mL 膠條平衡緩沖液 II [6 mol/ L尿素,2.5%碘乙酰胺,20%甘油,0.375 mol /L Tris-HCl (pH 8.8),2%SDS]中在脫色搖床上緩慢搖蕩平衡15 min。使用Mini Protein 3垂直電泳儀,將平衡完畢的IPG膠條轉(zhuǎn)移到提前預(yù)制的12%SDS-PAGE 凝膠上,使IPG膠條與凝膠表面充分接觸,用低熔點瓊脂糖封膠,在120 V 電壓下進行電泳,待溴酚藍移至電泳槽凝膠底部時停止電泳。
1.2.6蛋白質(zhì)染色與圖像分析
第二SDS-PAGE凝膠電泳結(jié)束后,采用改良的考馬斯亮藍染色法[12],固定、致敏、染色、脫色至凝膠背景清晰為止,脫色后的凝膠在GE Healthcare凝膠掃描儀上掃描獲取圖像;用PDQuest8.0軟件進行蛋白點檢測及圖像分析。
2.1不同方法提取番茄葉片總蛋白質(zhì)比較
二硫蘇糖醇/丙酮法、飽和酚/甲醇醋酸銨法、改良的三氯乙酸/丙酮法分別提取番茄葉片蛋白質(zhì)樣品并通過單向SDS-PAGE凝膠電泳進行檢測,結(jié)果表明,利用二硫蘇糖醇/丙酮法提取蛋白質(zhì)含量較豐富,條帶較多,蛋白經(jīng)多次洗脫后呈黃色色素,最終難以消除。(泳道1~3);飽和酚/甲醇醋酸銨法所提取的蛋白質(zhì)含量少,且條帶較少不清晰(泳道4~6);而利用三氯乙酸/丙酮法所提取蛋白質(zhì)含量豐富,條帶數(shù)量最多(泳道7~9);因此,研究認為三氯乙酸/丙酮法是較為理想的番茄葉片蛋白質(zhì)的提取方法。圖1
2.2蛋白質(zhì)裂解液選擇
蛋白質(zhì)裂解液直接影響蛋白質(zhì)樣品中各種蛋白質(zhì)能否充分溶解,并是其能否在2-DE凝膠上分離出來的關(guān)鍵因素[13]。蛋白樣品制備,應(yīng)盡可能的避免蛋白質(zhì)的降解與損失,保證蛋白樣品最大程度的溶解,因此選擇合適的裂解液也十分重要[14]。SDS-PAGE分析結(jié)果顯示,三種裂解液對蛋白質(zhì)樣品的溶解效果差異明顯。不同蛋白質(zhì)提取方法在三種裂解液配方溶解后,通過單向SDS-PAGE凝膠電泳看出裂解液I、II對蛋白質(zhì)樣品的溶解效果較好,但裂解液II在不同方法提取樣品中蛋白裂解效果好于裂解液I,蛋白質(zhì)條帶范圍較為廣泛。裂解液III在三氯乙酸/丙酮提取法、飽和酚/甲醇醋酸銨提取法中蛋白條帶模糊不清,在二硫蘇糖醇/丙酮法提取蛋白中顯示蛋白條帶較弱,范圍內(nèi)的條帶較少。圖2
注:1~3:二硫蘇糖醇/丙酮法;4~6:飽和酚/甲醇醋酸銨法;7~9:改良的三氯乙酸/丙酮法
Note:1-3:DTT- acetone method;4-6:Phenol-methanol-ammonium acetate method;7-9:modified TCA- acetone method
圖1三種方法提取番茄葉片總蛋白SDS-PAGE分析
Fig.1SDS-PAGE pattern of tomato levers proteins extracted by three sample preparation methods
飽和酚/甲醇醋酸銨法 二硫蘇糖醇/丙酮法 三氯乙酸/丙酮法
注:1、4、7為裂解液I;2、5、8為裂解液II;3、6、9為裂解液III
Note:1,4,7 for lysis buffer I;2,5,8 for lysis buffer II;3,6,9 for lysis buffer III
圖2 不同裂解液配方和方法提取蛋白溶解效果
Fig.2 Different lysis buffer formula of dissolution effect in different methods to extract protein
2.3上樣量對2-DE圖譜的影響
等電聚焦的上樣量多少直接影響到聚焦的效果及雙向電泳的分辨率,上樣量過少,低豐度蛋白不容易檢出,上樣量太多,高豐度蛋白的斑點掩蓋低豐度蛋白點,而且鹽離子越多,等電聚焦時電壓的上升受到干擾,直接影響聚焦效果[15]。采用18 cm IPG(pH 3~10)膠條、12%SDS-PAGE濃度、改良考馬斯亮藍染色后的2-DE圖譜可以看出,不同濃度蛋白質(zhì)上樣量對2-DE圖譜分辨率有明顯的影響,當番茄葉片蛋白質(zhì)的上樣量為75 mg時(圖3A), 蛋白質(zhì)點雖然無拖尾現(xiàn)象,但2-DE圖譜上只檢出了約343個蛋白質(zhì)點,而且低豐度蛋白檢出數(shù)量很少。上樣量為100 mg時(圖3B),蛋白點呈圓點型,形態(tài)好,幾乎無拖尾現(xiàn)象,蛋白質(zhì)點數(shù)量約為757個蛋白質(zhì)點。上樣量為125 mg時(圖3C),高豐度蛋白質(zhì)之間重疊現(xiàn)象嚴重,與其臨近的低豐度蛋白質(zhì)點有很多被覆蓋,條紋較多,同時也出現(xiàn)較多蛋白質(zhì)點拖尾的現(xiàn)象。據(jù)此認為,適合于番茄葉片蛋白質(zhì)雙向電泳的最佳上樣量為100 mg。圖3
注:18 cm,pH 3~10,12%SDS-PAGE,改良的考馬斯亮藍染色;A.上樣量為75 mg;B.上樣量為100 mg;C.上樣量為125 mg
Note:18 cm,pH 3-10,12%SDS-PAGE,modified coomassie R-250 staining;A.75 mg;B.100 mg;C.125 mg
圖3不同上樣量番茄葉片蛋白質(zhì)2-DE圖譜
Fig.3The effect of different protein-loading amounts on 2-DE map of tomato leaf protein
2.4膠條范圍對2-DE圖譜的影響
分別采用18 cm,pH 3~10和pH 4~7的IPG膠條,從圖4A可以看出,當使用pH 3~10的膠條進行2-DE電泳時,2-DE凝膠圖譜中的蛋白質(zhì)點大部分集中在酸性端范圍內(nèi),堿性端蛋白質(zhì)點分布極少,且圖中橢圓區(qū)域部分蛋白質(zhì)點豐度低,模糊不清,導(dǎo)致分辨率低。根據(jù)觀察結(jié)果,進一步將2~DE圖譜分為:3≤pH<4、4≤pH<7、7≤pH<10三個區(qū)域,利用PDQuest8.0軟件對各區(qū)域中蛋白質(zhì)點數(shù)檢測,有72%蛋白點穩(wěn)定分布在4 注:A. 18 cm,IPG膠條pH 3~10;B. 18 cm,IPG膠條pH 4~7 Note:A.18 cm,IPG strips of pH 3-10;B. 18 cm,IPG strips of pH 4-7 圖4不同IPG膠條pH范圍下2-DE圖譜 Fig.4The effect of different IPG strips of pH on 2-DE map of tomato leaf protein 番茄葉片組織中含有大量鹽離子、多酚、色素及多糖等次生代謝物[16]。在蛋白質(zhì)提取過程中選擇適宜的蛋白質(zhì)提取方法,除去上述次生代謝等干擾物質(zhì),并減少蛋白質(zhì)的損失和降解[17],是影響2-DE成敗的關(guān)鍵因素。實驗通過比較前人研究結(jié)果,以二硫蘇糖醇/丙酮法、飽和酚/甲醇醋酸銨法、三氯乙酸/丙酮法分別提取番茄葉片蛋白質(zhì),結(jié)果顯示飽和酚/甲醇醋酸銨法所提取的蛋白質(zhì)含量少,且條帶不清晰,可能由于該方法只收集酚相與水相界面層液,丟棄大量沉淀物,導(dǎo)致蛋白樣品在制備過程中損失過多。二硫蘇糖醇/丙酮法提取番茄葉片蛋白含量相對較豐富,條帶較多,蛋白呈黃色色素,經(jīng)多次洗脫后還是難以消除。表明二硫蘇糖醇/丙酮反復(fù)洗滌蛋白質(zhì),雖然可除去鹽離子,但對色素、多糖等雜質(zhì)的去除效果并不理想。實驗中,三氯乙酸/丙酮法在蛋白提取液中加入β-巰基乙醇,通過丙酮沉淀達到有效除去色素、鹽類等干擾物質(zhì),并且減少蛋白酶在提取過程中酶的失活和降解,對去除次生代謝物中雜質(zhì)也有很好效果。 蛋白質(zhì)的溶解影響2-DE蛋白質(zhì)分離,選用合適的裂解液來充分溶解蛋白質(zhì)是蛋白質(zhì)組學研究中的一個重要的技術(shù)因素[18]。實驗結(jié)果顯示裂解液I、II對番茄葉片蛋白質(zhì)樣品的溶解效果較好,表明尿素與硫脲混合有利于增加番茄葉片蛋白質(zhì)樣品的溶解。裂解液II中7 mol/L尿素、2 mol/L硫脲混合4%CHAPS對番茄葉片蛋白質(zhì)的溶解效果最佳,這與相關(guān)文獻結(jié)論相近[19]。因此,裂解液中是否含有尿素、硫脲對番茄葉片蛋白質(zhì)的溶解能力有很大影響。實驗不同配方裂解蛋白質(zhì)樣品的單向SDS-PAGE凝膠表明,采用7 mol/L尿素,2 mol/L硫脲,4% CHAPS,30 mmol/L Tris-HCl (pH 6.8)作為番茄葉片蛋白復(fù)溶的裂解液效果最好。 蛋白上樣量的大小和IPG膠條pH對2-DE凝膠的分辨率有直接影響。上樣量太大易引起蛋白上樣溶液中鹽離子及其它雜質(zhì)含量的提高,導(dǎo)致第一向等電聚焦時蛋白質(zhì)不能有效均勻分布IPG膠條上,并且易發(fā)生蛋白質(zhì)的凝聚和沉淀,在SDS-PAGE凝膠上,易產(chǎn)生“點飽和”現(xiàn)象,使低豐度蛋白易被掩蓋[20],或產(chǎn)生水平和垂直紋理現(xiàn)象[21]。上樣量過低,較低豐度的蛋白點有可能無法檢測,進而影響對2-DE凝膠圖譜蛋白點的準確識別。另外,要對2-DE凝膠進行差異蛋白圖譜比較,尤其是低豐度蛋白點,在2-DE凝膠圖譜上達到可識別與分辨,需要選擇適宜的IPG膠條。研究首先釆用pH 3~10的IPG膠條對番茄葉片蛋白質(zhì)樣品2-DE凝膠分離,結(jié)果顯示大部分蛋白點集中在酸性端范圍內(nèi)少數(shù)蛋白點之間相互緊密相連,甚至重疊,個別高分度蛋白點周圍的低豐度蛋白點被覆蓋,導(dǎo)致低豐度蛋白點模糊不清不易區(qū)分。用pH 4~7的IPG膠條進行2-DE分離,極大地提高了此區(qū)域蛋白點的分辨率,通過2-DE凝膠圖譜比較分析,獲得的2-DE圖譜背景清晰,檢測到的蛋白點數(shù)增多且分辨率高。 以三氯乙酸/丙酮法提取番茄葉片蛋白質(zhì),選擇蛋白質(zhì)裂解液為[7 mol/L尿素,2 mol/L硫脲,4%CHAPS,30 mmol/L Tris-HCl(pH 8.0)]溶解,上樣量為100 mg,18 cm、pH 4~7的IPG膠條更適合番茄葉片總蛋白質(zhì)2-DE的分離,經(jīng)PDQuest8.0軟件統(tǒng)計分析,可在2-DE圖譜上分辨出947個蛋白點,蛋白點清晰呈圓形,分布均勻、檢測到的蛋白點數(shù)增多且低峰度蛋白較為清晰,分辨率高,優(yōu)化后的體系更適合于番茄葉片蛋白質(zhì)組雙向電泳的分析。 References) [1] 郭堯君. 蛋白質(zhì)電泳實驗技術(shù)[M].北京:科學出版社,2005:215-224. 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Under pH 4-7,18 cm IPG strip and 12% concentrations of the SDS-AGE gel. The protein spots we got were evenly distributed and the low protein kurtosis were clearer,with more numbers of protein and higher resolution two-dimensional electrophoresis. 【Conclusion】 This established experiment is sui tomato leaves;proteomic;two-dimensional electrophoresis(2-DE) 10.6048/j.issn.1001-4330.2016.04.004 2015-11-17 新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金項目(2014211B035) 王強(1983-),男,甘肅人,副研究員,研究方向為蔬菜栽培生理與逆境脅迫,(E-mail)wangqiang201004@sina.com 余慶輝(1970-),男,廣東人,研究員,研究方向為加工番茄新品種選育和栽培,(E-mail)tomato-yu@xaas.ac.cn S188;S641.2 A 1001-4330(2016)04-0610-073 討 論
4 結(jié) 論
Table for the tomato leaf protein analysis system of two-dimensional electrophoresis,which might provide technical support for the next step proteomics level analysis of tomato stress conditions and other related proteins.