全 文 :食用菌学报2012.19(3):15~20
收稿日期:2012-08-17原稿;2012-09-01修改稿
基金项目:福建省公益类科研专项项目(编号:2011R1022-1)、福建省自然科学基金项目(编号:2012J01108)的部分
研究内容
作者简介:陈美元(1972-),男,1995年毕业于厦门大学,博士,高级工程师,主要从事食用菌遗传育种研究。
E-mail:cmy1972@gmail.com.
文章编号:1005-9873(2012)03-0015-06
双孢蘑菇子实体原基与菇蕾蛋白质表达变化分析
陈美元
(福建省农业科学院食用菌研究所,福建福州350014)
摘 要:为探讨双孢蘑菇(Agaricus bisporus)子实体发育初期的蛋白质表达变化,采用双向电泳(two-
dimensional electrophoresis,2-DE)技术对双孢蘑菇As2796子实体原基与菇蕾的蛋白质组进行分析,发现14
个表达差异明显的蛋白质。经质谱分析(MALDI-TOF/TOF MS)和数据库检索,鉴定到10个差异蛋白质,其
中乙醇氧化酶与醇类代谢相关,磷酸烯醇式丙酮酸水合酶与能量代谢相关,蛋白酶体、5-甲基四氢三谷氨酸-同
型半胱氨酸甲基转移酶、维生素B12不依赖型甲硫氨酸合成酶、1-吡咯琳-5-羧酸脱氢酶、NADP依赖的谷氨酸
脱氢酶与氨基酸或蛋白质代谢直接相关,而 WD40重复蛋白、肌动蛋白、热激蛋白70则与细胞内多种生物过
程有关,在细胞的生长发育分化等过程中起着重要的作用;其余4个仅在双孢蘑菇蛋白质组中鉴定到功能未
知的蛋白质。
关键词:食用菌;蛋白质组;双向电泳;质谱分析;蛋白质鉴定
近年来食用菌生长发育机理研究发展迅速,
取得了许多研究成果。已报道的食用菌发育机
理的研究主要包括:环境条件、培养基质、有益微
生物对食用菌发育的影响、菌丝与子实体营养成
分的变化、发育相关酶学研究以及发育基因研究
等方面[1]。对于双孢蘑菇(Agaricus bisporus)的
研究,主要是其发育及成熟过程中的疏水蛋白基
因hypA[2,3]、子实体原基的超微结构特征[4]、不
同发育阶段的尿素与脲酶含量及脲酶基因的表
达水平[5]等。
蛋 白 质 双 向 电 泳 (two-dimensional
electrophoresis,2-DE)是多年来蛋白质组学研究
的主要方法,在食用菌研究中也得到一定的应
用[6-13]。在食用菌发育机理的蛋白质组学研究方
面,SAKAMOTO等研究了金针菇(Flammulina
velutipes)光照及低温刺激下菌盖形成的差异蛋
白质组[7,8],刘靖宇等应用iTRAQ标记结合二维
液相色谱串联质谱技术对草菇不同生长发育阶
段的差异蛋白质组进行了研究[14,15],其它食用菌
包括双孢蘑菇在这方面的研究未见报道。笔者
应用2-DE技术,对双孢蘑菇子实体原基与菇蕾
蛋白质表达差异进行分析,以期发现与子实体发
育密切相关的蛋白质,为双孢蘑菇子实体发育机
理的研究提供参考。
1 材料与方法
1.1菌株
双孢蘑菇(A.bisporus)杂交菌株As2796由
福建省农业科学院食用菌研究所种质资源与遗
传育种研究室保藏并提供。
1.2试剂
等电聚焦IPG预制胶条、40%丙烯酰胺-甲
叉双丙烯酰胺(37.5∶1)溶液、载体两性电解质
Bio-Lyte为BioRad公司产品;尿素、3-[(3-胆酰
胺丙基)-二乙胺]-丙磺酸(CHAPS)、二硫苏糖醇
(DTT)、十二烷基磺酸钠(SDS)、甘氨酸、四甲基
乙二胺(TEMED)、考马斯亮蓝 G-250为BBI公
司产品;Bradford蛋白质定量试剂盒及其它试剂
均购自上海生工生物工程服务有限公司。
1.3取样
As2796菌株进行常规栽培管理[16]。在子实
体原基(直径约2 mm)阶段和菇蕾(直径约
6mm)阶段进行取样,第一潮和第二潮子实体样
品作为试验重复。
食 用 菌 学 报 第19卷
1.4蛋白质提取
将刚采下的子实体样品去除根部及污物,用
多层无菌滤纸挤去水分,迅速加液氮研磨成粉
末,按菌丝体蛋白质的提取方法进行,具体步骤
同参考文献[12]。
1.5蛋白质定量
按Bradford蛋白质定量试剂盒说明书进行
操作。
1.6双向电泳
使用BioRad双向电泳设备,按之前优化的
双孢蘑菇2-DE条件[12]进行。根据笔者之前的研
究结果,双孢蘑菇的蛋白质主要集中在pH5~8
的范围内,因此在本研究中使用pH 5~8、17cm
的BioRad IPG预制胶条进行第一向等电聚焦。
使用胶体考马斯亮蓝对双向电泳后的凝胶进行
染色。使用 UMAX Powerlook 2100XL-USB扫
描仪 对 脱 色 后 的 凝 胶 进 行 扫 描,用 BioRad
PDQuest8.01软件进行分析。
1.7质谱分析、数据库检索
获得的所有差异蛋白质点送上海复旦大学
蛋白质测试中心进行质谱鉴定。先用5800串联
飞行时间质谱仪进行基质辅助激光解吸电离串
联飞行时间质谱分析(MALDI-TOF/TOF MS),
所得结果用 GPS(Applied Biosystems,美国)-
MASCOT(Matrix Science,伦敦,英国)进行数
据库检索,包括 NCBInr (http://blast.ncbi.
nlm.nih.gov/Blast.cgi)真菌库和双孢蘑菇基因
组与蛋白质组数据库(http://genome.jgi-psf.
org/Agabi_varbisH97_2/Agabi_varbisH97_
2.home.html)。
2 结果与分析
2.1子实体原基与菇蕾的差异蛋白分析
提取的双孢蘑菇 As2796子实体原基与菇
蕾总蛋白质经定量和质量检测后进行双向电泳
分析,每胶条的蛋白质上样量为900μg。原基
与菇蕾总蛋白质的双向电泳图谱质量较高,条
纹少,蛋白质点清晰,如图1所示。两者均获得
800个左右的蛋白质点,比较结果显示双孢蘑菇
原基与菇蕾阶段表达的蛋白质无论是种类还是
表达量都相当类似,差异蛋白质点占总蛋白质
点的比例较低。其中14个蛋白质点差异较为
明显,如图2所示。与原基阶段表达的蛋白质
相比,在菇蕾阶段上调表达的有21、33、35,下调
表达的有13、27、47、50、52、54、58、62,不表达
的有17、48、51。
数字与箭头指示差异Numbers and arrows indicate differences
图1 双孢蘑菇As2796子实体原基(A)与菇蕾(B)总蛋白质的2-DE图谱
Fig.1 2-Dimensional electrophoresis of total proteins extracted from the primordium(A)and
button(B)stages of A.bisporus As2796
2.2差异蛋白质点的质谱分析与鉴定
获得 的 14 个差异蛋白质点进行质谱
(MALDI-TOF/TOF MS)分析,获得肽指纹图
谱,并在NCBI数据库与双孢蘑菇蛋白质组数据
库中进行检索。
比对结果有10个蛋白质在 NCBInr真菌库
中均获得了得分(Score)100以上的结果(得分
76以上具有显著性,即置信度大于95%),并成
功鉴定到相应的蛋白质。其余4个蛋白质48、
54、58、62在 NCBInr真菌库中未鉴定到,但在
61
第3期 陈美元:双孢蘑菇子实体原基与菇蕾蛋白质表达变化分析
图2 双孢蘑菇As2796子实体原基(A)与菇蕾(B)14个差异蛋白质点
Fig.2 Fourteen proteins differentialy expressed between the primordium(A)and
buton(B)stages of A.bisporus As2796
双孢蘑菇蛋白质组数据库中有非常高的得分,
说明在该库中已找到匹配的蛋白质序列,但相
应的蛋白质功能未知。这些蛋白质的相关信息
如表1所示。
十个得到鉴定的蛋白质中,与原基相比在菇
蕾中上调表达的三个蛋白质分别是乙醇氧化酶、
蛋白酶体α4亚基和磷酸烯醇式丙酮酸水合酶,
下调表达的蛋白质有 WD40重复蛋白、肌动蛋白
1、热激蛋白70、5-甲基四氢三谷氨酸-同型半胱氨
酸甲基转移酶和1-吡咯琳-5-羧酸脱氢酶,不表达
的蛋白质有NADP依赖的谷氨酸脱氢酶和维生
素B12不依赖型蛋氨酸合成酶。
表1 差异蛋白质的鉴定结果
Table1 Identification of differentialy expressed proteins
序号
No.
登录号
Accession No.
蛋白质名称
Protein
物种
Species source
理论
分子量
Mass
理论等
电点
pI
得分
Score
覆盖率
Coverage
13 gi|390603997
WD40重复蛋白
WD40repeat-like protein
皱革菌
Punctularia strigosozonata
54054 6.06 155 46%
17 gi|1051292
NADP依赖的谷氨酸脱氢酶
NADP-dependent glutamate
dehydrogenase
双孢蘑菇Agaricus bisporus 49526 5.76 353 69%
21 gi|390601713 乙醇氧化酶Alcohol oxidase
皱革菌
P.strigosozonata
72336 6.11 117 56%
27 gi|389744223 肌动蛋白1Actin 1 毛韧革菌Stereum hirsutum 41591 5.30 504 82%
33 gi|299752286
蛋白酶体α4亚基
Proteasome subunit alpha type 4
灰拟鬼伞Coprinopsis cinerea 28580 5.99 259 69%
35 gi|392570682
磷酸烯醇式丙酮酸水合酶
Phosphopyruvate hydratase
云芝Trametes versicolor 47052 5.55 222 49%
47 gi|389748948
热激蛋白70
Heat shock protein 70
毛韧革菌S.hirsutum 70649 5.10 415 24%
48 gi|49772 未知蛋白 Unknown protein 双孢蘑菇A.bisporus 55072 6.08 441 33%
50 gi|16986126
5-甲基四氢三谷氨酸
-同型半胱氨酸甲基转移酶
5-Methyltetrahydropteroyltriglutamate
-homocysteine S-methyltransferase
灰拟鬼伞C.cinerea 84548 6.22 101 9%
71
食 用 菌 学 报 第19卷
续表
序号
No.
登录号
Accession No.
蛋白质名称
Protein
物种
Species source
理论
分子量
Mass
理论等
电点
pI
得分
Score
覆盖率
Coverage
51 gi|389747142
VB12不依赖型蛋氨酸合成酶
Cobalamin-independent
methionine synthase
毛韧革菌S.hirsutum 84892 6.18 100 18%
52 gi|1808587
1-吡咯琳-5-羧酸脱氢酶
1-Pyrroline-5-carboxylate
dehydrogenase
双孢蘑菇A.bisporus 59719 8.01 391 39%
54 gi|134651 未知蛋白 Unknown protein 双孢蘑菇A.bisporus 25626 5.93 265 58%
58 gi|54275 未知蛋白 Unknown protein 双孢蘑菇A.bisporus 27116 5.65 564 51%
62 gi|136465 未知蛋白 Unknown protein 双孢蘑菇A.bisporus 17920 5.21 487 44%
3 讨论
本研究通过2-DE比较了双孢蘑菇子实体原
基和菇蕾中表达的蛋白质,发现了14个有明显
差异的蛋白质点,其中10个鉴定到相应的蛋白
质,其余4个仅在双孢蘑菇蛋白质组中鉴定到功
能未知的蛋白质,说明双孢蘑菇蛋白质组中部分
数据可能尚未释放到 NCBI数据库中。鉴定的
10个蛋白质中,乙醇氧化酶与醇类代谢相关,磷
酸烯醇式丙酮酸水合酶与能量代谢相关,蛋白酶
体、5-甲基四氢三谷氨酸-同型半胱氨酸甲基转移
酶、维生素B12不依赖型甲硫氨酸合成酶、1-吡咯
琳-5-羧酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶与氨基酸或蛋白
质代谢直接相关,而 WD40重复蛋白、肌动蛋白、
热激蛋白70则与细胞内多种生物过程有关,在
细胞的生长发育分化等过程中起着非常重要的
作用。
乙醇氧化酶是乙醇和甲醇代谢的关键酶,其
活性严格受碳源调节[17]。蛋白酶体是多亚基组
成的蛋白酶复合体,具有依赖 ATP的蛋白水解
活性,是蛋白质合成与分解代谢中的重要酶
类[18]。磷酸烯醇式丙酮酸水合酶也称烯醇化酶,
该酶在糖酵解作用中催化2-磷酸甘油酸生成高
能磷酸分子磷酸烯醇式丙酮酸,生成 ATP以及
丙酮酸,放出大量的能量,它与生物体的生长控
制、缺氧耐受等过程有关。本研究中这三类酶在
菇蕾中表达上调,说明菇蕾中相关的醇类代谢、
蛋白质代谢和能量代谢趋于活跃,子实体的发育
生长速度开始加快。
WD40重复蛋白是蛋白互作的一个位点,是
由许多结构相关、功能不同的蛋白组成的大家
族。这类蛋白在多种生物过程中扮演了非常重
要的角色,如细胞信号转导、蛋白转运、细胞骨架
组装和解聚、RNA加工、DNA修饰及转录、细胞
分裂、细胞运动、胞浆移动、细胞凋亡、光信号转
导、花序的发育以及分生组织的形成等[19-21]。其
在原基中含量比菇蕾中高,暗示该蛋白在双孢蘑
菇原基形成中可能起着重要的作用。
肌动蛋白是真核生物细胞骨架的重要成分,
在控制细胞分裂、细胞生长和形态以及细胞内运
输等方面扮演重要角色。胡开辉等在斑玉蕈
(Hypsizygus marmoreus)菌丝体低温胁迫下鉴
定到两个上调表达的肌动蛋白,推测可能是低温
诱导斑玉蕈菌丝体细胞内微管解聚,进而引起细
胞形态的变化,促进了细胞的分化发育,利于原
基的形成[10]。本研究中原基的肌动蛋白含量较
高,也可能是双孢蘑菇在菌索扭结成原基阶段细
胞内微管解聚,引进细胞形态的系列变化,促进
了原基的形成。而在菇蕾阶段细胞已开始快速
生长,肌动蛋白重新聚合成微管,游离的蛋白减
少,因此表达量下调。
5-甲基四氢三谷氨酸-同型半胱氨酸甲基转
移酶参与甲硫氨酸的合成[22],维生素B12不依赖
型甲硫氨酸合成酶亦可催化同型半胱氨酸复甲
基为甲硫氨酸。甲硫氨酸在细胞代谢中占据重
要位置,联系着蛋白质合成、甲基转移、多胺和乙
烯的合成等过程,为生物体内的甲基化反应和多
胺、乙烯的合成提供中间产物[23-25]。多胺是近年
来研究较多的一种植物生长发育调节物质,是生
物体代谢过程中产生的一类具有较高生物活性
的低分子量脂肪族含氮碱,在植物细胞内参与了
诸多生长发育相关的生命活动[26];乙烯也是一种
81
第3期 陈美元:双孢蘑菇子实体原基与菇蕾蛋白质表达变化分析
重要的植物生长调节剂,绝大多数植物以甲硫氨
酸为乙烯生物合成的前体物质,在合成过程中,
其中的一个中间产物S-腺苷甲硫氨酸(SAM)分
解生成甲硫腺苷(MTA)和1-氨基环丙烷-1-羧酸
(ACC),前者可再生成甲硫氨酸,后者在ACC合
成酶的催化下形成乙烯。张大飞等认为双孢蘑
菇可能也具有乙烯合成的 ACC途径,覆土中
ACC脱氨酶产生菌利用 ACC,消除了双孢蘑菇
菌丝合成高浓度乙烯对子实体形成和发育的抑
制作用可能是双孢蘑菇覆土出菇的原因[27]。本
研究中这两种甲硫氨酸合成相关的酶在原基中
均上调而在菇蕾中均下调表达,可能决定不同阶
段细胞中甲硫氨酸的含量,从而影响细胞内多胺
和乙烯的生成和积累,因此这两种酶在双孢蘑菇
子实体的形成和发育中的作用,值得进一步
探讨。
1-吡咯琳-5-羧酸脱氢酶(P5CDH)参与了谷
氨酸、精氨酸和脯氨酸代谢。脯氨酸是一种重
要的渗透保护物质,在植物细胞适应各种胁迫
过程中起重要作用。在代谢降解过程中它首先
被脯 氨 酸 脱 氢 酶 氧 化 成 1-吡 咯 琳-5-羧 酸
(P5C),然 后 在 P5CDH 的 作 用 下 生 成 谷 氨
酸[28]。在渗透胁迫时,脯氨酸氧化降解过程受
抑制,导致其含量增长;而一旦胁迫解除时(即
渗透胁迫后恢复供水),其氧化过程被诱导,导
致其含量下降。本研究中P5CDH在原基中含
量高而在菇蕾中含量降低,推测可能与原基扭
结前喷的重水有关,而在菇蕾采样阶段环境中
含水量降低,细胞下调表达P5CDH,积累更多
的脯氨酸以应对水分不足。
本研究初步获得了双孢蘑菇子实体发育初
期表达量变化的14个蛋白质,这些蛋白质变化
有的可能与子实体形成及发育密切相关,有的可
能只是应对环境因素如水分等的改变。下一步
将对这些蛋白质在子实体发育其它阶段的表达
情况进行探讨,克隆部分蛋白质基因并进行荧光
定量PCR验证等,以期为双孢蘑菇子实体发育机
制的研究奠定基础。
参考文献
[1]马艳弘,张福元.食用菌发育机理研究进展[J].宁夏
农学院学报,2004,25(3):63-67.
[2]DE GROOT PW,SCHAAP PJ,SONNENBERG AS
et al.The Agaricus bisporus hypA gene encodes a
hydrophobin and specificaly accumulates in peel
tissue of mushroom caps during fruit body
development[J].J Mol Biol,1996,257(5):
1008-1018.
[3]DE GROOT PW,SCHAAP PJ,VAN GRIENSVEN
LJ et al.Isolation of developmentaly regulated genes
from the edible mushroom Agaricus bisporus[J].
Microbiology,1997,143(6):1993-2001.
[4]李荣春.双孢蘑菇子实体原基形成的超微结构研
究[J].云南农业大学学报,2001,16(4):277-279.
[5]WAGEMAKER MJ,EASTWOOD DC,VAN DER
DRIFT C,et al.Expression of the urease gene of
Agaricus bisporus:a tool for studying fruit body
formation and post-harvest development[J].Appl
Microbiol Biotechnol,2006,96(4):486-492.
[6]SAKAMOTO Y,ANDO A,TAMAI Y,et al.
Differential protein expression in the fruiting
dikaryon and the non-fruiting monokaryon of
Flammulina velutipes[J].Mycol Res,2001,105
(2):177-182.
[7]SAKAMOTO Y,ANDO A,TAMAI Y,et al.
Protein expressions during fruit body induction of
Flammulinavelutipes under reduced temperature
[J].Mycol Res,2002,106(2):222-227.
[8]SAKAMOTO Y,ANDO A,TAMAI Y,et al.
Pileus differentiation and pileus-specific protein
expression in Flam mulina velutipes[J].Fungal Gen
Biol,2007,44:14-24.
[9]HORIE K,RAKWAL R,HIRANO M,et al.
Proteomics of two cultivated mushrooms Sparassis
crispaand Hericium erinaceumprovides insight into
their numerous functional protein components and
diversity[J].J Proteome Res,2008,7(5):
1819-1835.
[10]胡开辉,黄桂英,颜松,等.斑玉蕈低温胁迫下菌丝
体酶活变化及差异蛋白质组学研究[J].菌物学报,
2009,28(4):584-590.
[11]陆兆明,徐祯,王珂,等.双孢蘑菇耐温差异蛋白质
组学研究[J].厦门大学学报(自然科学版),2010,
48(4):590-593.
[12]陈美元,王泽生,廖剑华,等.双孢蘑菇基质降解能
力退化的差异蛋白质组学分析[J].菌物学报,
2011,30(3):508-513.
[13]王瑞霞,唐利华,杨慧,等.蛋白质组学研究概况及其
在食用菌研究中的应用[J].食用菌学报,2010,17
(4):70-73.
[14]刘靖宇,江玉姬,谢宝贵,等.iTRAQ结合2DLC-
MS/MS技术在草菇不同生长发育时期蛋白质组分
91
食 用 菌 学 报 第19卷
析中的应用[J].微生物学通报,2012,39(6):
853-864.
[15]刘靖宇,江玉姬,谢宝贵,等.应用iTRAQ结合2D
LC-MS/MS技术分析草菇同核和异核菌丝蛋白质
组[J].食用菌学报,2012,19(1):1-6.
[16]王泽生.双孢蘑菇杂交新菌株 As2796的种性及其
栽培技术要点[J],食用菌,1993,15(5):9-10.
[17]SAKAI Y,TANI Y.Cloning and sequencing of the
alcohol oxidase-encoding gene (AOD1)from the
formaldehyde-producing asporogenous methylo-
trophic yeast,Candida boidinii S2[J].Gene,
1992,114:67-73.
[18]SCHAUER TM,NESPER M,KEHL M,et al.
Proteosomes from Dictyostelium discoideum:
characterization of structure and function[J].J.
Struct.Biol.,1993,111:135-147.
[19]VAN DER VOORN L,PLOEGH HL.The WD-40
repeat[J].FEBS Lett,1992,307:131-134.
[20]SMITH TF,GAITATZES C,SAXENA K,et al.
The WD repeat:a common architecture for diverse
functions[J].Trends Biochem Sci,1999,24:
181-185.
[21]VAN NOCKER S,LUDWIG P.The WD-repeat
protein superfamily in Arabidopsis:conservation
and divergence in structure and function[J].BMC
Genomics,2003,4:1-11.
[22]NOHZADEH MS,HABIBI RM,HEIDARI M,
et al. Proteomics reveals new salt responsive
proteins associated with rice plasma membrane[J].
Biosci Biotechnol Biochem,2007,71(9):2144-2154.
[23]COSSINS EA,CHEN L.Folates and one-carbon
metabolism in plants and fungi[J]. Phyto-
chemistry,1997,45:437-452.
[24]ZAREMBINSKI TI,THEOLOGIS A.Ethylene
biosynthesis and action:a case of conservation[J].
Plant MoL Biol,1994,26:1579-1597.
[25]GALSTON AW, KAUR-SAWHNEY R,
ALTABELLA T.etal.Plant polyamines in
reproductive activity and response to abiotic stress
[J].Bot Acta,1997,110:197-207.
[26]王庆莲.苹果多胺和脯氨酸合成代谢相关基因的功
能鉴定[D].泰安:山东农业大学,2009.
[27]张大飞,戚元成,高玉千,等.双孢蘑菇覆土出菇机
理初步探讨[J].食用菌,2010,32(1):9-11.
[28]KIYOSUE T,YOSHIBA Y,YAMAGUCHI-
SHINOZAKI K,et al.Nuclear gene encoding
mitochondrial proline dehydrogenase,an enzyme
involved in proline metabolism,is upregulated by
proline but downregulated by dehydration in
Arabidopsis thaliana[J].Plant Cel,1996,8(8):
1323-1335.
Differential Expression of Proteins Duringthe Primordium
and Button Stages of Agaricus bisporus As2796
CHEN Meiyuan
(Institute of Edible Fungi,Fujian Academy of Agricultural Sciences,Fuzhou,Fujian 350014,China)
Abstract:Two-dimensional electrophoresis(2-DE)revealed fourteen proteins to be differentialy expressed
when the primordium and button stages of Agaricus bisporus As2796fruit body formation were compared.
MALDI-TOF/TOF MS analysis and database searches successfuly identified ten proteins as folows:alcohol
oxidase, phosphopyruvate hydratase, 5-methyltetrahydropteroyltriglutamate-homocysteine S-methyl-
transferase,cobalamin-independent methionine synthase,1-pyrroline-5-carboxylate dehydrogenase,NADP-
dependent glutamate dehydrogenase,WD40repeat protein,proteasome subunit alpha type 4,actin 1and
heat shock protein 70.The remaining four proteins have been designated as unknown proteins in the
A.bisporus proteome database.
Key words:Edible fungus;proteome;2-DE;MALDI-TOF/TOF MS;protein identification
[本文编辑] 王瑞霞
02