全 文 ：第 38卷第 5期　　　　　　　　　　 　　　　　上海师范大学学报(自然科学版) Vol.38, No.5
2 00 9年 1 0月　　　　　　　　　　 JournalofShanghaiNormalUniversity(NaturalSciences) 2 0 0 9 , Oct.
拟南芥花粉表面蛋白质数据的整合
张　丞 ,王　冠 ,易素华 ,张　森 ,杨仲南＊
(上海师范大学 生命与环境科学学院 , 上海 200234)
摘　要:花粉表面蛋白质参与花粉与柱头的识别 ,在植物繁殖生长过程中起着重要的作用.以
拟南芥为研究对象 ,通过文献和网络资源的查阅收集其他植物的花粉表面蛋白质的信息 ,并利
用同源性分析 ,将其转化为拟南芥的花粉表面蛋白相关信息;并将这些数据和拟南芥中已知及
可能的花粉表面蛋白质数据整合在一起.然后 ,对整合的所有蛋白质进行了功能分类和表达分
析 ,并建立了拟南芥花粉表面蛋白质数据库.这对深入研究花粉与柱头识别的分子机理将有重
要的促进作用.
关键词:拟南芥;花粉表面蛋白质;功能分类;表达分析
中图分类号:Q344+.4　　文献标识码:A　　文章编号:1000-5137(2009)05-0511-05
　　　　　　　　　　
收稿日期:2008-12-12
基金项目:科技部重大科学研究计划(2007CB947600).
作者简介:张　丞(1983-), 男 ,上海师范大学生命与环境科学学院硕士研究生;杨仲南(1965-), 男 , 上海师范大
学生命与环境科学学院教授.
＊通讯作者.
0　引　言
植物授粉过程的顺利进行对植物生殖生长起着至关重要的作用 ,而作为雄配子体的成熟花粉粒的
表面物质 ,尤其是花粉表面蛋白质则是授粉过程能够顺利完成的关键.当成熟花粉粒落在柱头上后 ,首
先与柱头细胞接触 ,而花粉表面蛋白质被认为可能参与了花粉与柱头的黏附 ,花粉细胞与柱头细胞的识
别 ,以及花粉水合 ,萌发等过程 [ 1, 2] .
花粉表面蛋白质除了参与黏附作用之外 ,还有可能参与了花粉的水合作用.大部分植物的花粉粒在
从花药中释放之后都是处于高度失水 ,代谢活动很低的状态.对于拟南芥这样具有干柱头的植物来说 ,
需要特殊的机制来使得花粉粒能够在柱头上吸收水分.干柱头植物的花粉粒通过它们富含脂类物质的
花粉表面与柱头细胞之间形成一个特殊的接触面 ,这个含有花粉表面蛋白质的接触面被认为能够促进
花粉的水合作用 [ 1, 5, 6] .目前有研究表明 ,柱头细胞可通过特殊的渗透机制来运输水分 ,此外 ,位于柱头
细胞表面的水孔蛋白也协助水分从柱头转运到花粉 [ 7 ～ 10] ,这些都对干柱头植物花粉的水合起到重要作
用.但是到底有哪些花粉表面蛋白质参与了水合作用 ,目前也不清楚.此外 ,花粉表面蛋白质还参与了花
粉与柱头蛋白质的信号识别过程 ,直接影响花粉的萌发.2000年 Takayama等人证明甘蓝花粉外衣蛋白
A2(PCP-A2)与 SLR1有相互作用 [ 11] ,进一步证明了花粉表面蛋白质参与了花粉黏附后期的过程 ,同
时也证明了花粉外衣蛋白参与到花粉与柱头识别的过程.
了解花粉表面蛋白质组是为了深入研究花粉与柱头黏附识别的分子机理的基础.目前对于花粉表
面物质的研究成果主要是通过一些蛋白质学方法获得.Mayfield等人发现 10个拟南芥花粉表面蛋白
质.其中包括 GRP家族的蛋白 、脂肪酶 、激酶及钙调蛋白在内 [ 12] .此外 ,在对拟南芥 Columbia野生型成
熟花粉粒的双向电泳及质谱分析中 ,也得到了部分位于花粉表面的蛋白质 [ 13, 14] .而 Dai等人通过对水
稻花粉的双向电泳及一些花粉表面物质分离手段 ,得到了一些水稻花粉表面的蛋白质[ 15] ,这为进一步
了解花粉与柱头的识别过程提供了很重要的物质基础.
为了更详细和全面地了解花粉表面蛋白质 ,利用生物信息学的方法 ,预测并整合了模式植物拟南芥
花粉表面蛋白质的信息 ,构建了拟南芥花粉表面蛋白质数据库 ,然后对这些数据进行了功能分析和定位
预测.这些数据将为进一步了解拟南芥的授粉机理提供了良好的信息资源.
1　材料与方法
1.1　花粉表面蛋白质的数据来源
拟南芥已知的 10个花粉表面蛋白质来自于 Mayfield于 2001年发表的文献[ 12] ;其他植物中花粉表
面蛋白质的信息来自于 Swiss-Prot(htp://www.expasy.org/sprot/)和 NCBI(htp://www.ncbi.nlm.
nih.gov/);GO注释为拟南芥花粉表面的蛋白质是从 TIGR(ftp://www.tigr.org/pub/data/)和 TAIR
(www.arabidopsis.org)的数据库中下载获得.所有蛋白质序列是从 Swiss-Prot的蛋白质数据库中下载
获得.
1.2　方　法
1.2.1　其他物种中花粉表面蛋白质平移到拟南芥中的方法
用直系同源法将别的物种的花粉表面蛋白质平移到拟南芥中.直系同源法的划分主要是根据蛋白
质序列的比对来获得结果.在 NCBI数据库中 ,将其他物种中的所有花粉表面蛋白质序列逐一与拟南芥
蛋白质数据库做蛋白质序列比对 ,得到初步的比对结果 ,然后在这些结果中选择 E-value<1×10-10 ,
且覆盖率大于 50%的数据作为其他物种平移到拟南芥中的花粉表面蛋白质 ,在获得所有的平移数据之
后 ,还对这些数据进行了去冗余处理.
1.2.2　拟南芥花粉表面蛋白质数据库中蛋白质的表达分析
通过文献查阅得到数据库中部分基因的表达信息 ,这些蛋白质的表达情况已经通过实验得到验证.
除了这些蛋白质之外 ,将剩余每个蛋白质所对应基因的基因号输入加拿大多伦多大学提供的拟南芥
eFPBrower网页 (htp://www.bar.utoronto.ca/efp/cgi-bin/efpWeb.cgi),网页所显示的此基因的表达
值越高 ,则相应组织的颜色显示越深 ,表示所输入的基因在此组织的表达越强.获得了这些基因芯片所
显示的表达结果 ,并作进一步分析.
2　结　果
2.1　拟南芥中已知花粉表面蛋白质
首先获取了已知的拟南芥花粉表面蛋白质.目前已知的存在于拟南芥花粉表面的蛋白质共有 10
个 [ 4] ,包括了甘氨酸富集蛋白家族成员 ,激酶 ,钙调蛋白还有脂酶 ,它们都存在于拟南芥的花粉外衣之
中.其中甘氨酸富集蛋白(GRP)家族的成员被认为参与了授粉作用 ,目前有研究者发现 ,花粉外衣中含
量最高的一个甘氨酸富集蛋白质 GRP17与花粉掉在柱头之后的水合作用相关.此外 ,对 GRP的结构和
进化上的分析也比较透彻 ,但是对于其作用机理的研究较少.除了 GRP之外 ,存在于拟南芥花粉表面其
他的蛋白质是否参与了花粉与柱头的识别 ,目前还知之甚少.
2.2　收集其他植物花粉表面蛋白质并进行预测
搜集了大部分别的植物花粉表面蛋白质 ,这些数据包括了 4个物种的总共 41个花粉表面蛋白质 ,
其中和拟南芥同为芸苔属的自交不亲和植物甘蓝型油菜 (Brassicanapus)和甘蓝(Brasicaoleracea)分
别有 6个和 3个花粉表面蛋白质 ,这 9个蛋白质包括了 GRP家族成员和激酶 ,以及花粉外衣半胱氨酸
富集蛋白(SCR或 PCP),其中 PCP-A1经研究是与柱头 SRK蛋白相互作用的 ,参与自交不亲合的小分
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子蛋白 ,而最新发现的油菜 BcMF5基因所编码的蛋白缺失则影响了植株的育性.除了芸苔属植物之外 ,
单子叶植物玉米 (Zeamays)和水稻(Oryzasativa)分别有 2个和 30个花粉表面蛋白质可作为预测的
模板[ 4] .玉米的 2个花粉外衣蛋白质分别是木聚糖酶和葡聚糖酶 ,它们可以水解柱头细胞壁以使花粉管
能够进入柱头细胞.而水稻的花粉外衣蛋白质信息是通过对水稻花粉外衣的蛋白质组学分析获得的数
据 ,其中包括了葡聚糖酶 ,焦磷酸化酶 ,延伸因子等蛋白质和一些未知蛋白质[ 15] .在获得了其他植物花
粉表面蛋白质的数据之后 ,选用直系同源法进行预测 ,经过分析处理最后得到 62个预测结果[ 4] .
2.3　收集拟南芥中注释为花粉表面相关的花粉表面蛋白质的数据
搜索了拟南芥全基因组数据库 ,选择了在 GO和 Swissprot中注释为可能位于花粉表面 ,但是并没有
文献支持的蛋白质.结果一共得到 110个数据 ,它们中的大部分为低分子量半胱氨酸富集蛋白(LCR),
也有少数预测显示是存在于花粉外衣中的激酶 [ 4] .
至此 ,构建的拟南芥花粉表面蛋白数据库完成 ,一共整合了 182个蛋白质 ,已知的花粉表面蛋白约
占整个数据库的 5%;通过别的物种预测所得的可能定位于拟南芥花粉表面的蛋白质约占 35%;GO和
Swisprot中注释可能位于花粉表面但没有文献支持的蛋白质约占 60%.
2.4　数据库中的花粉表面蛋白质的功能聚类与表达分析
①细胞生长和分裂相关蛋白质;②防御类蛋白质;③能量代谢相关蛋白质;
④细胞结构 ,细胞骨架类蛋白质;⑤蛋白 ,脂类 ,糖类合成 ,修饰类蛋白质;
⑥环境胁迫相关蛋白质;⑦信号传导相关蛋白质;⑧物质运输类蛋白质;
⑨其他功能的蛋白质;⑩功能未知蛋白质
图 1　拟南芥花粉表面蛋白质数据库的功能分类
在数据库构建完之后 ,根据目前已
有的信息对所有数据进行了功能聚
类 [ 4] .把这些数据分为 10大类 , 分别
是:细胞生长和分裂相关蛋白质 ,防御
类蛋白质 ,能量代谢相关蛋白质 ,蛋白
质 、脂类 、糖类合成 、修饰蛋白质 ,细胞
结构 、细胞骨架类蛋白质 ,环境胁迫相
关蛋白质 ,信号传导相关蛋白质 ,物质
运输类蛋白质 ,其他功能的蛋白质和一
些功能未知的蛋白质(图 1).
在完成功能聚类后 ,又对这些基因
的表达信息进行整合.首先 ,通过查阅
文献得到了 38个已经有明确表达信息
的基因(图 2A),其中 12个在花粉中特
异表达 , 9个在花药中特异表达 , 5个在
花中表达 ,剩余 12个在其他组织中表达
(图 2B).随后 ,利用多伦多大学提供的
eFPBrower网页对剩下的数据进行表达分析 ,得到了 30个基因数据的结果(图 2A):其中有 18个基因
在芯片上显示为花粉和花药中的表达量明显高于别的组织 ,有 4个基因在别的组织中表达高于花粉和
花药 ,还有 8个基因的芯片数据显示没有明显的组织倾向性表达(图 2C).最后 ,发现剩余的 114个基因
的表达产物没有任何的表达信息(图 2A),其中大部分是小分子量半胱氨酸富集蛋白 ,目前对这些蛋白
质的研究很少 ,而且这些蛋白质可能表达丰度较低 ,难以检测.
在整个数据库中 ,除了未知功能的小分子量蛋白质之外 ,蛋白质 、脂类 、糖类的合成 ,修饰类蛋白质
占了很大一部分.这类蛋白质可以出现在物质的代谢途径中 ,也可以出现在信号传递的过程中 ,由于花
粉表面除了蛋白质外 ,还有糖类 、脂类 、酚类物质的存在 ,所以与这些物质的合成 ,修饰有关的蛋白质很
有可能间接调控了花粉与柱头的识别过程.在整合的数据库中 ,这类蛋白质共有 34个 ,其中包括了 EXL
(extracelularlipase)家族的 EXL4和 ExL6等已知位于拟南芥花粉表面的蛋白质.
513　第 5期　　　　　　　　　　　　　张　丞 ,王　冠 ,易素华 ,等:拟南芥花粉表面蛋白质数据的整合
A:花粉表面蛋白质数据库中蛋白质表达分析途径的分类;
B:花粉表面蛋白质数据库中通过实验验证其表达部位的蛋白质的数量统计;
C:花粉表面蛋白质数据库中除了实验验证数据之外的 ,通过芯片分析得到的蛋白质的表达部位及数量统计
图 2　花粉表面蛋白表达分析途径的分类及表达部位的分析
3　讨　论
3.1　小分子量花粉表面蛋白质可能参与拟南芥花粉与柱头的识别过程
在分析数据库中花粉表面预测蛋白的过程中 ,发现绝大部分数据是一些分子量小于 10KD的 LCR
蛋白质 [ 4] ,而对于这些拟南芥小分子量蛋白质的结构 ,表达与功能的研究还仅仅停留在预测阶段 ,所以
对于这些蛋白质的深入研究 ,很可能对于揭示花粉表面蛋白质与授粉作用的关系起着推动作用.在油菜
等自交不亲和农作物中发现了一些小分子量蛋白质和授粉过程以及育性有关 ,例如花粉外衣蛋白
PCP-A2被发现和柱头蛋白 SLR1有相互作用 [ 11] .VincentVanoosthuyse等在 2001年曾经研究过 LCR
蛋白质 ,发现它们虽然和油菜 ,甘蓝的 PCP家族和 SCR家族蛋白质序列的相似性不高 ,但是都拥有 8个
高度保守的半胱氨酸 [ 3] .所以认为 LCR蛋白质在结构上可能和油菜 ,甘蓝的 SCR和 PCP家族成员同
源.而且对于某些 LCR成员进行表达试验也发现花中有表达 ,所以有理由相信 LCR蛋白质成员可能对
授粉过程起到一定作用.
3.2　数据库构建完之后的工作展望
通过已有数据和预测数据的整合 ,构建起了拟南芥花粉表面蛋白质数据库 ,其中并不牵涉到生物学
实验方法 ,所以下一步的工作就是利用数据库的信息进行实验.可以通过分子生物学实验来确定数据库
中还没有定位的那些蛋白质的亚细胞定位情况;可以通过反向遗传学方法和分子 ,生化实验对于数据库
中功能尚不清楚 ,但可能定位在花粉或者花药的蛋白进行遗传功能分析 ,还可以对数据库中那些已经被
深入研究 ,但在花粉识别过程中没有研究的蛋白质进行授粉或是萌发实验来确定这些蛋白质是否对授
粉过程具有重要的作用.当然 ,本数据库中可能会含有一些假阳性数据 ,但是它覆盖面广 ,信息量大 ,包
括了各种功能的蛋白质 ,所以对于阐明花粉与柱头识别过程有较大的实际意义.
参考文献:
[ 1] 　EDLUNDAF, SWANSONR, PREUSSD.Pollenandstigmastructureandfunction:theroleofdiversityinpolination
[ J] .PlantCell, 2004, 169(suppl):S84-S97.
[ 2] 　MURPHYDJ.TheextracelularpolencoatinmembersoftheBrassicaceae:composition, biosynthesis, andfunctionsin
polination[ J] .Protoplasma, 2006, 288(1-3):31-39.
[ 3] 　VINCENTV, CHRISTINEM, CHRISTIAND, etal.Twolargearabidpsisthalianagenefamiliesarehomologoustothe
brassicabenesuperfamilythatencodespollencoatproteinsandthemalecomponentoftheself-incompatibilityresponse
514 　　　　　　　　　　　　　　　　　　上海师范大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　 2009年
[ J] .PlantMolBiol, 2001, 46(1):17-34.
[ 4] 　张丞.拟南芥花粉表面蛋白数据的整合 [ EB/OL] .htp://shenghuan.shnu.edu.cn/genefunction/zhangchen/拟南芥
花粉表面蛋白数据的整合 , 2009-02-25.
[ 5] 　ELLEMANCJ, DICKINSONH.Pollen-stigmainteractionsinBrassica:structuralreorganisationinthepollengrains
duringhydration[ J] .JCellSci, 1986, 80(1):141-157.
[ 6] 　ELLEMANCJ, FRANKLINV, DICKINSONHG.Pollinationinspecieswithdrystigmas:thenatureoftheearlystigmat-
icresponseandthepathwaytakenbypolentubes[ J] .NewPhytol, 1992, 121(3):413-424.
[ 7] 　DIXITR, RIZZOC, NASRALLAHM, etal.TheBrassicaMIP-MODgeneencodesafunctionalwaterchannelthatisex-
pressedinthestigmaepidermis[ J] .PlantMolBiol, 2001 , 45(1):51-62.
[ 8] 　LOLLESJ, BERLYNGP, ENGSTROMEM.DevelopmentalregulationofcelinteractionsintheArabidopsisfiddlehead
-1 mutant:arolefortheepidermalcellwalandcuticle[ J] .DevBiol, 1997, 189(2):311-321.
[ 9] 　LOLLESJ, HSUW, PRUITTRE.GeneticanalysisoforganfusioninArabidopsisthaliana[ J] .Genetics, 1998, 149
(2):607-619.
[ 10] PRUITTRE, VIELLEJP, PLOENSESE, etal.FIDDLEHEAD, agenerequiredtosuppressepidermalcellinteractions
inArabidopsis, encodesaputativelipidbiosyntheticenzyme[ J] .ProcNatlAcadSci, 2000, 97(3):1311-1316.
[ 11] TAKAYAMASJ, SHIBAH, IWANOM, etal.Thepolendeterminantofself-incompatibilityinBrassicacampestris
[ J] .ProcNatlAcadSci, 2000, 97(4):1920-1925.
[ 12] MAYFIELDJA, FIEBIGA, JOHNSTONESE, etal.GenefamiliesfromtheArabidopsisthalianapollencoatproteome
[ J] .Science, 2001, 292(5526):2482-2485.
[ 13] HOLMES-DAVISR, TANAKACK, VENSELWH, etal.ProteomemappingofmaturepollenofArabidopsisthaliana
[ J] .Protemomics, 2005, 5(18):4864-4884.
[ 14] NOIRD, BRAUTIGAMA, COLBYT, etal.AreferencemapoftheArabidopsisthalianamaturepolenproteome[ J] .
BiochemBiophResCo, 2005, 337(4):1257-1266.
[ 15] DAIS, LIL, CHENT, etal.ProteomicanalysesofOryzasativamaturepolenrevealnovelproteinsassociatedwithpollen
germinationandtubegrowth[ J] .Protemomics, 2006, 6(8):2504-2529.
DataintegrationofpolensurfaceproteinsinArabidopsisthaliana
ZHANGCheng, WANGGuan, YISu-hua, ZHANGSen, YANGZhong-nan＊
(ColegeofLifeandEnvironmentSciences, ShanghaiNormalUniversity, Shanghai200234, China)
Abstract:Pollensurfaceproteinsareinvolvedintherecognitionbetweenpolensandstigma, andplaycrucialrolesinplant
growthandreproduction.Inthispaper, adatabaseofArabidopsispollensurfaceproteinshasbeenconstructed.Polensurface
proteinsinotherplantspecieshavebeencolectedbypaper-readingandweb-searching.Homologyanalysisoftheseproteins
havebeencarriedouttoobtainthecandidatepolensurfaceproteinsinArabidopsis.Thesedatawerethenintegratedwithknown
andputativeArabidopsispolensurface-locatedproteindata.Besides, functionalclassificationandexpressionanalysisofallin-
tergratedproteinshavealsobeenprocessedandadatabaseofarabidopsispollensurfaceproteinshasbeenconstructed.Theinter-
grationofpolensurfaceproteinswilfacilitatethefurtherresearchonmolecularmechanismofpollen-stigmarecognition.
Keywords:Arabidopsisthialina;polensurfaceproteins;functionalclassification;expressionanalysis
(责任编辑:郁　慧)
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