楊樹干旱脅迫應(yīng)答蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)展

金鑫+戴紹軍

摘要 楊樹是主要的經(jīng)濟(jì)樹種，也是林木基因工程的重要模式植物。干旱脅迫是限制楊樹生長的主要因素之一，研究楊樹響應(yīng)干旱脅迫的分子機(jī)制具有重要意義。近年來，隨著楊樹基因組測序工作的完成，高通量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在楊樹干旱應(yīng)答機(jī)理研究中被廣泛應(yīng)用。本文整合分析了已經(jīng)報(bào)道的參與楊樹葉片和形成層干旱脅迫應(yīng)答的78種非冗余蛋白質(zhì)的信息，為深入揭示楊樹干旱脅迫響應(yīng)的分子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制提供了新的線索。

關(guān)鍵詞 楊樹；干旱脅迫；應(yīng)答機(jī)制；蛋白質(zhì)組學(xué)

中圖分類號(hào) S792.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）12-0138-02

Abstract Populus spp.is one of the main economic tree species，and is also an important model plant for genetic engineering.Drought stress is one of the main factors limiting poplar growth，and it is very important to study the drought stress-responsive molecular mechanism in poplar.In recent years，with the accomplishment of the poplar genome sequencing，high-throughput proteomics has been widely applied into the investigation of drought-responsive mechanism in poplar.In this paper，the 78 drought-responsive protein in poplar leaves and cambium were analyzed integratively，which provided new clues for understanding the regulatory mechanism of the drought-responsive networks in Populus spp..

Key words Populus spp.；drought stress；responsive mechanism；proteomics

楊樹（Populus spp.）在我國主要分布于東北、西北、華北和西南等地，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。干旱脅迫造成楊樹水分缺失、氣孔關(guān)閉、滲透調(diào)節(jié)失衡，從而造成活性氧（ROS）大量積累，嚴(yán)重?fù)p傷細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致楊樹生物量降低甚至無法正常生長[1]。研究楊樹干旱脅迫應(yīng)答的分子機(jī)制，篩選抗旱、優(yōu)質(zhì)的楊樹品種具有重要意義。人們利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)分析了楊樹葉片和形成層在干旱脅迫應(yīng)答過程中259種蛋白質(zhì)豐度變化特征，通過整理后對(duì)其中78種變化特征顯著的非冗余蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，系統(tǒng)揭示了楊樹應(yīng)對(duì)干旱脅迫的多種調(diào)節(jié)機(jī)制。本文整合分析了這些蛋白質(zhì)表達(dá)模式揭示的楊樹干旱脅迫應(yīng)答的重要信號(hào)與代謝途徑，為深入研究楊樹干旱脅迫應(yīng)答的分子機(jī)制提供了重要信息。

1 脅迫防御相關(guān)蛋白質(zhì)

干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致ROS在植物細(xì)胞不同區(qū)室中大量積累。過量ROS會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)、DNA與脂質(zhì)等發(fā)生氧化損傷?？箟难徇^氧化物酶1（APX1）參與調(diào)控細(xì)胞內(nèi)H2O2的水平，這一過程與形成層的木質(zhì)化進(jìn)程相關(guān)[2]。蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫12 d后的歐洲山楊×銀白楊形成層中APX1豐度下調(diào)，將導(dǎo)致形成層細(xì)胞中的H2O2水平升高，從而促進(jìn)木質(zhì)部形成，使細(xì)胞壁厚度增加，防止水分流失[2]。此外，過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶（GST）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）在清除H2O2過程中也具有重要作用。蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下歐洲山楊×銀白楊葉片中的CAT[2]、青楊葉片中GPX[3-4]、康定楊和青楊葉片中的GST豐度都上調(diào)[3]，這將有助于ROS的清除。

2 光合作用相關(guān)蛋白

干旱脅迫將導(dǎo)致楊樹光合作用下降。蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫影響了PSⅠ、PSⅡ和碳固定過程中的一些重要蛋白質(zhì)的豐度。干旱脅迫12 d或復(fù)水7 d的歐洲山楊×銀白楊葉片中的葉綠素a/b結(jié)合蛋3、光捕獲蛋白復(fù)合體Ⅰ Lhca3和復(fù)合體Ⅱ Lhcb1等蛋白質(zhì)的豐度都明顯上調(diào)[2]；此外，干旱脅迫8～45 d或復(fù)水10 d的胡楊葉片放氧復(fù)合體（OEC）[5]和放氧增強(qiáng)子蛋白2（OEE2）的豐度也明顯上調(diào)[2，6-7]。這些蛋白質(zhì)的豐度上調(diào)有助于提高干旱脅迫下的光捕獲能力。干旱脅迫7～45 d的楊樹葉片中的NADP依賴的鐵氧還蛋白（FNR）[2，6，8]和PSⅠ蛋白[8]的豐度卻降低，這暗示著干旱脅迫抑制了FNR催化NADPH的形成，從而影響電子傳遞效率，并干擾了PSⅠ的裝配。干旱脅迫影響了卡爾文循環(huán)，如Rubisco是碳同化的限速酶，其活性受Rubisco活化酶（Rubisco activase）調(diào)控，并且對(duì)干旱等脅迫十分敏感。臭氧和干旱協(xié)同脅迫7～28 d的歐洲山楊×銀白楊葉片、干旱脅迫12 d的歐洲山楊×銀白楊葉片、形成層，以及干旱脅迫45 d的青楊葉片中的Rubisco大亞基的豐度都明顯下降[2，6，8]，干旱脅迫12 d的青楊葉片中的Rubisco小亞基的豐度也降低[6]。這表明，干旱脅迫抑制了楊樹的碳固定過程。

3 碳與能量代謝相關(guān)蛋白質(zhì)

干旱脅迫影響了楊樹體內(nèi)糖類和能量代謝過程[9]。研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下歐洲山楊×銀白楊葉片中的順烏頭酸酶[8]、胡楊葉片中的琥珀酸脫氫酶黃素蛋白亞基[5]的豐度都上調(diào)，這暗示著三羧酸循環(huán)可能受到促進(jìn)，以保證能量供應(yīng)。干旱脅迫下青楊[6]、胡楊[5]、美洲黑楊×歐洲黑楊[7]，以及歐洲山楊×銀白楊[2，8]葉片中的ATP合成酶β亞基豐度都明顯上調(diào)。這表明楊樹在干旱脅迫下通過增加產(chǎn)能來降低脅迫損傷。此外，青楊葉片中乙醇脫氫酶（ADH）的豐度也上調(diào)[6]，這將促進(jìn)糖酵解的進(jìn)行。

4 基礎(chǔ)代謝相關(guān)蛋白質(zhì)

在楊樹應(yīng)答干旱脅迫過程中，以氨基酸代謝為基礎(chǔ)的多種代謝途徑發(fā)揮重要作用。干旱脅迫18 d的美洲黑楊×歐洲黑楊葉片和干旱脅迫28 d歐洲山楊×銀白楊葉片中谷氨酰氨合酶（GS）的豐度明顯下降[7-8]，GS參與脯氨酸合成[10]，也為植物含氮化合物合成提供原料[11]。這表明干旱脅迫影響了楊樹葉片氮代謝和滲透保護(hù)物質(zhì)脯氨酸的合成。此外，干旱處理21～28 d的歐洲山楊×銀白楊和胡楊葉片或復(fù)水10 d后的胡楊葉片中的S-腺苷甲硫氨酸合成酶（SAMS）的豐度降低[5，8]。SAMS能夠催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）合成，也可作為甲基供體參與多種甲基轉(zhuǎn)移反應(yīng)[12]。這也進(jìn)一步表明干旱脅迫影響了楊樹的基礎(chǔ)代謝過程，導(dǎo)致基礎(chǔ)代謝物質(zhì)不足。

5 基因表達(dá)、蛋白質(zhì)翻譯與翻譯后調(diào)控相關(guān)蛋白質(zhì)

干旱脅迫影響了楊樹葉片基因轉(zhuǎn)錄過程。轉(zhuǎn)錄因子BTF3b參與蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞周期調(diào)控[13]，也作為脅迫響應(yīng)蛋白參與脅迫耐受和環(huán)境適應(yīng)[14]。在臭氧、干旱協(xié)同脅迫7 d的歐洲山楊×銀白楊葉片中的BTF3b豐度上升[8]。對(duì)小麥、玉米、番茄的研究證明了BTF3b豐度上調(diào)有助于抵抗干旱脅迫[15-17]。

干旱脅迫影響了楊樹葉片或形成層的蛋白質(zhì)合成。真核起始因子（eIF）是蛋白質(zhì)翻譯起始過程中重要成員之一。干旱脅迫86 d的美洲黑楊×歐洲黑楊葉片中的真核翻譯起始因子3亞基B和真核起始因子4A-9的豐度上升[7]。真核延伸因子（eEF）通過催化核糖體上氨基酸鏈的延伸來參與調(diào)控蛋白質(zhì)合成過程。干旱脅迫12 d的歐洲山楊×銀白楊葉片中延伸因子EF-2、脅迫37 d的康定楊和青楊葉片中的延伸因子1-β豐度均上升[2-3]。此外，核糖體蛋白是參與蛋白質(zhì)合成的重要成員之一，康定楊和青楊葉片中的核糖體蛋白L5、核糖體蛋白S3和線粒體60S核糖體蛋白L16的豐度均明顯上升[3，6]。這表明楊樹積極進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，以應(yīng)對(duì)干旱脅迫。

熱激蛋白（HSP）和分子伴侶（CPN）參與蛋白質(zhì)折疊、裝配、轉(zhuǎn)移和降解，在植物抵抗脅迫過程中起到重要的保護(hù)作用[18]。研究發(fā)現(xiàn)，楊樹可以通過調(diào)節(jié)HSP/CPN家族蛋白中的HSP100、HSP90、HSP83、HSP70、HSP68、小熱激蛋白、同源熱激蛋白70和同源細(xì)胞基質(zhì)Ⅱ型smHSP以及多種分子伴侶的豐度水平，保證蛋白質(zhì)的正確折疊，并調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1-3，5-7]。結(jié)果表明，楊樹通過增加HSP家族蛋白、smHSP蛋白和一些CPN的豐度來調(diào)整蛋白質(zhì)的折疊狀態(tài)，從而減輕干旱脅迫對(duì)蛋白質(zhì)造成的影響[18]。

6 跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)與細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白質(zhì)

H+-ATP酶能夠利用ATP水解產(chǎn)生的能量將H+轉(zhuǎn)運(yùn)到膜內(nèi)，形成跨膜H+電化學(xué)勢，為離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)供能。干旱脅迫8～28 d、復(fù)水10 d的歐洲山楊×銀白楊和胡楊葉片中的ATPaseβ亞基，TPaseα亞基豐度都明顯上調(diào)[2，5]，有助于楊樹應(yīng)對(duì)干旱脅迫中的物質(zhì)吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)。干旱脅迫導(dǎo)致楊樹葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)改變，并影響細(xì)胞的分裂與分化。肌動(dòng)蛋白是構(gòu)成細(xì)胞骨架的主要成分，逆境下肌動(dòng)蛋白的動(dòng)態(tài)平衡對(duì)維持細(xì)胞形態(tài)與生長具有重要作用[19]。干旱脅迫8 d和12 d的歐洲山楊×銀白楊形成層中的肌動(dòng)蛋白（Actin）豐度明顯上調(diào)[2]。此外，肌動(dòng)蛋白解聚因子1豐度下調(diào)，這將有利于肌動(dòng)蛋白聚合，從而抵抗干旱脅迫[2]。

7 結(jié)語

蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)揭示的楊樹應(yīng)答干旱脅迫的分子機(jī)制主要為利用抗氧化酶系統(tǒng)等多種防御機(jī)制降低氧化損傷；調(diào)控光合作用、糖類和能量代謝等過程來保持能量供應(yīng)；在轉(zhuǎn)錄、翻譯以及翻譯后水平上調(diào)控干旱響應(yīng)蛋白質(zhì)的表達(dá)與功能；調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài)重塑保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性。這些結(jié)果為進(jìn)一步明確楊樹干旱應(yīng)答的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和楊樹品種選育與栽培實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)。

8 參考文獻(xiàn)

[1] BONHOMME L，MONCLUS R，VINCENT D，et al.Genetic variation and drought response in two Populus× euramericana genotypes through 2-DE proteomic analysis of leaves from field and glasshouse cultivated plants[J].Phytochemistry，2009，70（8）：988-1002.

[2] DURAND TC，SERGEANT K，RENAUT J，et al.Poplar under drought：comparison of leaf and cambial proteomic responses[J].Journal of proteo-mics，2011，74（8）：1396-1410.

[3] YANG F，WANG Y，MIAO L F.Comparative physiological and proteomic responses to drought stress in two poplar species originating from different altitudes[J].Physiologia Plantarum，2010，139（4）：388-400.

[4] ZHANG S，CHEN F，PENG S，et al.Comparative physiological，ultrast-ructural and proteomic analyses reveal sexual differences in the resp-onses of Populus cathayana under drought stress[J].Proteomics，2010，10（14）：2661-2677.

[5] BOGEAT-TRIBOULOT M B，BROSCHE M，RENAUT J，et al.Grad-ual soil water depletion results in reversible changes of gene expression，protein profiles，ecophysiology and growth performance in Populus eup-hratica，a poplar growing in arid regions[J].Plant Physiology，2007，143（2）：876-892.

[6] XIAO X，YANG F，ZHANG S，et al.Physiological and proteomic respon-ses of two contrasting Populus cathayana populations to drought stress[J].Physiologia Plantarum，2009，136（2）：150-168.

[7] BONHOMME L，MONCLUS R，VINCENT D，et al.Leaf proteome analysis of eight Populus× euramericana genotypes：Genetic variation in drought response and in water-use efficiency involves photosynthesis-related proteins[J].Proteomics，2009，9（17）：4121-4142.

[8] BOHLER S，SERGEANT K，JOLIVET Y，et al.A physiological and pro-teomic study of poplar leaves during ozone exposure combined with mild drought[J].Proteomics，2013，13（10/11）：1737-1754.

[9] RUAN Y L，JIN Y，YANG Y J，et al.Sugar input，metabolism，and signa-ling mediated by invertase：roles in development，yield potential and response to drought and heat[J].Molecular Plant，2010，3（6）：942-955.

[10] ALAM I，SHARMIN S A，KIM K H，et al.Proteome analysis of soyb-ean roots subjected to short-term drought stress[J].Plant and Soil，2010， 333（1/2）：491-505.

[11] YAN S，TANG Z，SU W，et al.Proteomic analysis of salt stress-responsi-ve proteins in rice root[J].Proteomics，2005，5（1）：235-244.

[12] JIANG Y，YANG B，HARRIS N S，et al.Comparative proteomic analysis of NaCl stress-responsive proteins in Arabidopsis roots[J].Journal of ex-perimental botany，2007，58（13）：3591-3607.

[13] FREIRE P F，LABRADOR V，MARTIN J P，et al.Cytotoxic effects in mammalian Vero cells exposed to pentachlorophenol[J].Toxicology，2005，210（1）：37-44.

[14] WANG M C，PENG Z Y，LI C L，et al.Proteomic analysis on a high salt to-lerance introgression strain of Triticum aestivum/Thinopyrum pontic-um[J].Proteomics，2008，8（7）：1470-1489.

[15] KANG G，MA H，LIU G，et al.Silencing of TaBTF3 gene impairs tolera-nce to freezing and drought stresses in wheat[J].Molecular genetics and genomics，2013，288（11）：591-599.

[16] HU X，LU M，LI C，et al.Differential expression of proteins in maize ro-ots in response to abscisic acid and drought[J].Acta Physiologiae Plant-arum，2011，33（6）：2437-2446.

[17] AHSAN N，LEE D G，LEE S H，et al.A proteomic screen and identific-ation of waterlogging-regulated proteins in tomato roots[J].Plant and Soil，2007，295（1/2）：37-51.

[18] WANG W，VINOCUR B，SHOSEYOV O，et al.Role of plant heat-shock proteins and molecular chaperones in the abiotic stress response[J].Trends in Plant Science，2004，9（5）：244-252.

[19] HUBER F，SCHNAUSS J，RONICKE S，et al.Emergent complexity of the cytoskeleton：from single filaments to tissue[J].Adv Phys，2013，62（1）：1-112.