植物学报特邀综述 | 植物质膜蛋白质组的逆境应答研究进展

植物质膜蛋白质组的逆境应答研究进展

摘要 质膜作为原生质体与外界环境的屏障, 除了维持正常的细胞内稳态和营养状况, 还参与感知和应答各种环境胁迫。近年来, 植物质膜蛋白质组学研究为深入分析植物应答不同生物和非生物胁迫的分子机制提供了重要信息, 已经报道了模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)等10种植物质膜应对生物胁迫(白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)感染)与非生物胁迫(冷、盐、水淹、渗透、高pH值、 Fe缺乏及过量、氮素、脱落酸、壳聚糖和壳寡糖)过程的蛋白质丰度模式变化。通过整合分析植物质膜响应逆境的蛋白质组学研究结果, 揭示了质膜在植物应答逆境胁迫过程中的重要作用。植物通过调节转运蛋白、通道蛋白及膜泡运输相关蛋白的丰度变化促进细胞内外的信号传递、物质交换与运输; 同时利用膜相关的G蛋白、 Ca2+信号、磷酸肌醇信号途径及BR信号途径等多种信号通路, 通过蛋白质可逆磷酸化作用感知和传递胁迫信号, 调节植物抵御胁迫。研究结果为从蛋白质水平认识质膜逆境应答分子调控机制提供了新线索。

质膜(plasma membrane, PM)是细胞原生质体与外界进行物质交换和信息交流的基础, 对完成细胞间的各种代谢活动及以细胞分裂与分化为基础的生长发育过程均具重要作用。对植物细胞而言, 物质跨PM运输是细胞壁生长与代谢的基础, PM与细胞壁一起成为细胞应答外界环境的屏障(Mongrandet al., 2010)。质膜与细胞内膜系统和各种细胞器膜构成了细胞内外信号分子、离子、激素以及其它代谢物等进行交换的媒介, 对细胞生长以及环境应答至关重要(Yadeta et al., 2013)。在PM磷脂双分子层上, 以各种形式分布的蛋白质(整合蛋白、外周蛋白和膜锚定蛋白等)是PM行使功能的基础。它们在构成PM基本结构、感知与转导信号、细胞内外物质运输以及防御胁迫等方面都发挥重要作用。因此, 深入解析植物PM蛋白质的组成、分布与功能对认识细胞信号与代谢活动的分子机制具有重要意义。

多数PM蛋白质疏水性强, 很难被高通量、大规模地解离和鉴定, 这给研究PM蛋白质组成模式带来了困难。由于双向电泳与质谱结合的方法对鉴定疏水性、低丰度和碱性蛋白有一定的局限性, Nouri和Komatsu (2010)利用液相色谱与质谱联用互补分析, 高通量地鉴定到了多种PM蛋白。近年来, 质膜蛋白质分离技术不断完善, 高通量蛋白质组学研究平台逐步建立, 这为大规模研究植物PM蛋白质组成与功能奠定了良好的基础。Alexandersson等(2004)利用水两相系统(aqueoust wo-phase system)分离了拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶片PM, 并使用梯度SDS-PAGE结合液相色谱-电喷雾电离质谱联用技术, 鉴定到238种PM相关蛋白质。这些蛋白质主要参与跨膜转运、信号转导、膜泡运输以及胁迫响应等代谢过程。此外, Peskan等(2000)根据PM微区(包括鞘脂和固醇等)在4°C下不溶于非离子型去垢剂(如TritonX-100)的特点, 利用梯度离心技术获得了PM微区组分。PM微区作为细胞膜支架, 参与多种重要的细胞活动, 如膜运输、信号转导、胞吞和胞吐途径等。使用温和的方法(如弱去污剂翻转PM囊泡或反复冻融PM重悬液)可打开PM微区的囊泡, 获得PM表面可溶性蛋白, 利用相对剧烈的方法(如碱性条件洗脱或者有机溶剂萃取)则可将PM外在蛋白与整合蛋白分开(Han et al., 2010)。

蛋白质组学研究发现的植物质膜蛋白质参与的胁迫应答途径

近年来, 关于植物PM逆境 （生物胁迫，如白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xoo)感染以及非生物胁迫，如冷、盐、水淹、渗透、高pH值、Fe缺乏及过量、脱落酸、壳聚糖和壳寡糖)应答蛋白质组学研究已有大量报道。拟南芥(Kawamuraand Uemura, 2003; Minami et al., 2009; Li et al., 2012a)、水稻(Oryza sativa) (Chen et al., 2007a, 2007b; Malakshah et al., 2007; Hashimoto et al., 2009; Cheng et al., 2009)、大豆(Glycine max) (Komatsu et al., 2009; Nouriand Komatsu, 2010)、玉米(Zea mays) (Hopff et al., 2013)、豌豆(Pisum sativum) (Meisrimler et al., 2011)、黑麦(Secale cereale) (Takahashi et al., 2013)、燕麦(Avena sativa) (Takahashi et al., 2013)、海蓬子(Salicornia europaea) (Nie et al., 2015)、杜氏盐藻(Dunaliella salina) (Katz et al., 2007)及集胞藻属(Synechocystis)植物(Huang et al., 2006; Zhang et al., 2009)幼苗、叶片、根和下胚轴等器官, 以及单细胞PM在应答上述各种胁迫过程中的丰度差异蛋白质见表1。我们整合分析了上述10种植物中参与各种逆境应答过程的723种PM蛋白质, 利用PSI以及PHI-BLAST分析(http://www.ncbi.nlm.nih. gov/BLAST/), 对其中89种推测的蛋白质(Predicted/hypothetical/putative proteins)进行了注释; 同时, 我们根据TMHMM2.0服务器(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM)跨膜结构域预测的结果, 将这些蛋白质分为具有跨膜结构域的整合蛋白(486种) (附表1)和膜相关蛋白(包括外周蛋白、膜锚定蛋白以及其它未检测到跨膜结构域的蛋白质) (237种)两类(附表2)。在此基础上, 通过分析不同物种中蛋白质的同源性与功能, 将这些蛋白质整理为非冗余的整合蛋白(100种) (附表3)和膜相关蛋白(70种) (附表4)。这些蛋白质丰度的动态变化为认识逆境应答过程中PM参与的跨膜转运、信号转导、细胞骨架动态、细胞壁重塑及胁迫防御等生物学事件的分子调控机制提供了新线索。

注：因篇幅有限，只节选了部分内容。论文全文链接：

http://www.chinbullbotany.com/CN/10.11983/CBB16001