全 文 :书核 农 学 报 2011,25(3):0405 ~ 0415
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2010-09-17 接受日期:2010-12-08
基金项目:国家 863 项目(2008AA7035020E),国家科技支撑计划重点项目(2008BAD97B02)
作者简介:王 巍(1981-),女,辽宁抚顺人,博士生,研究方向为空间生物学。Tel:0411-84723633-831;E-mail:wangwei_vivian1021@ yahoo. com. cn
通讯作者:孙野青(1959-),女,黑龙江哈尔滨人,博士,教授,研究方向为环境系统生物学。Tel:0411-84725675;E-mail:yqsun@ hit. edu. cn
文章编号:1000-8551(2011)03-0405-11
空间诱变水稻多蘖矮突变体不同分蘖期蛋白质组研究
王 巍1 魏力军1 王俊敏2 徐建龙3 孙野青1,4
(1. 哈尔滨工业大学生命科学与工程系,黑龙江 哈尔滨 150001;2. 浙江省农业科学院作物与核技术应用研究所,浙江 杭州 310021;
3. 中国农业科学院作物科学研究所,北京 100081;4. 大连海事大学环境系统生物学研究所,辽宁 大连 116026)
摘 要:JB-1 返回式卫星搭载水稻(Oryza sativa L.)丙 95 - 503 干种子,地面种植后筛选出多蘖矮杆突变
体 R955。利用荧光差异显示双向电泳(2-D DIGE)对突变体播种后第 14 天(未发生分蘖)、第 21 天(分
蘖起始)、第 55 天(最高分蘖期)3 个营养生长期叶片总蛋白进行分离及定量分析(未搭载植株为对
照),检测到在各发育时期共有 97 个蛋白点发生差异表达,经串联质谱鉴定后得到 59 个独特的蛋白。
功能分析发现能量代谢、光合作用、蛋白代谢、氮元素同化、氨基酸代谢以及胁迫应答等过程均参与了突
变体的分蘖发育。对差异蛋白在不同时期相对表达量的 K-均值聚类分析显示不同功能蛋白表现不同
表达模式。两因素差分析(Two-way ANOVA)筛选出 S-类核糖核酸酶可能与水稻分蘖性状直接关联。
关键词:水稻;多蘖矮;空间诱变;蛋白质组;S-类核糖核酸酶
COMPARATIVE PROTEOMIC ANALYSIS OF A HIGH-TILLERING DWARF MUTANT
INDUCED BY SPACEFLIGHT AT DIFFERENT TILLERING STAGES
WANG Wei1 WEI Li-jun1 WANG Jun-min2 XU Jian-long3 SUN Ye-qing1,4
(1. Department of Life Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin,Heilongjiang 150001;
2. Institute of Crop and Nuclear Technology Utilization,Zhejiang Academy of Agricultural Sciences,Hangzhou,Zhejiang 310021;
3. Institute of Crop Sciences,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081;
4. Institute of Environmental Systems Biology,Dalian Maritime University,Dalian,Liaoning 116026)
Abstract:To investigate changes of proteins during rice tiller development,a comparative proteomic analysis between a
high-tillering dwarf mutant R955 induced by spaceflight and its ground control was performed at three developmental
stages during the vegetative growth,i. e. at days 14 (no tiller appearance),21(initial tillering)and 55 (maximum
tillering)after sowing. Analysis of the protein spots on two-dimensional fluorescence difference gel electrophoresis 2-D
DIGE images revealed 97 proteins that were differentially expressed at the three stages. Among them,59 unique proteins
were successfully identified by mass spectrometry. Through functional and quantitative analysis of proteomic data,it was
found that biological processes including energy pathway,photosynthesis,protein metabolism,nitrogen assimilation,
amino acid metabolism and stimulus response were mainly involved in tiller development in mutant plant. K-means
clustering revealed that proteins regulated at different stages tended to be involved in different biological processes. Two-
way analysis of variance (Two-way ANOVA)showed that S-like was diratly correlated RNase with the high-tillering
ability.
Key words:rice;tillering dwarf;space mutation;proteome;S-like RNase
504
核 农 学 报 25 卷
空间环境能引起植物种子产生突变[1,2]。这种突
变在形态学、细胞学、染色体水平、表观遗传学水平、基
因和蛋白表达水平均被发现[3 ~ 9]。在农作物育种中,
种子空间搭载是潜在的诱变资源,同时为突变表型相
关基因功能研究提供线索。
特早熟晚粳丙 95 - 503 水稻干种子搭载于 1996
年发射的 JB-1 返回式卫星。经过 15d 的空间飞行及 4
代选育,鉴定出 1 株多蘖矮突变体 R955,该突变株与
地面对照相比植株矮小但有较高的分蘖能力[10]。水
稻分蘖是决定谷物产量的重要农艺性状,在单子叶植
物中分蘖也是研究分枝的模型系统,迄今已经发现了
控制分蘖发育的几个重要基因[11 ~ 13]。初步遗传分析
发现,多蘖矮 R955 的矮杆基因与其他多蘖矮源基因
不等位[10]。我们利用 AFLP 发现,R955 的基因组突变
率达到了 0. 4%,表明基因组突变可能参与了分蘖表
型的改变[6],其分蘖机制可能与其他多蘖矮不同。
蛋白质是生命活动的承担者,直接体现生物的性
状[14]。尽管水稻分蘖在形态学、组织学及基因层面存
在着大量的研究[15,16],但水稻分蘖相关功能蛋白变化
研究仍属空白。为了系统地认识水稻分蘖发育过程中
蛋白表达的改变,并寻找与分蘖性状直接相关的蛋白
分子,本文以 R955 及对照株系不同分蘖发育时期叶
片组织为材料,进行了定量蛋白质组学研究。
1 材料与方法
1. 1 材料及取样
以空间诱变水稻(Oryza sativa L.)多蘖矮突变体
R955 及其对照丙 95 - 503 植株为材料,在营养生长的
3 个发育时期即播种后第 14 天(无分蘖发生)、播种后
第 21 天(植株茎基部开始产生第 1 个分蘖 - 分蘖初
始)、播种后第 55 天(可观察到最高分蘖数 - 最高分
蘖期)分别提取叶片组织。
1. 2 方法
1. 2. 1 总蛋白提取 蛋白质提取方法参考文献
[17]。蛋白溶解于裂解液(8mol /L 尿素,4% (W /V)
CHAPS,30mmol /L Tris),选用 Bradford 法 (Bradford
Assay,Bio-Rad)测定蛋白质浓度。
1. 2. 2 DIGE 试验设计及荧光标记蛋白 采用荧光差
异显示双向电泳(DIGE)技术进行蛋白分离与定量(见
图 1)。R955 和对照植株在每个时期均设置了 3 次样
品重复和 2 次正反荧光标记重复。用荧光染料
CyDyesTM(GE)标记蛋白,36 个样品等量混匀后作为
“内参”用 Cy2 标记,突变体及对照样品分别用 Cy3 和
Cy5 标记,每 400pmol 荧光染料标记 50μg 蛋白。标记
后将相同胶内样品混合,用含有两性电解质(pH 4 ~
7)的 65mmol /L DTT 还原,加裂解液定容到终体积
300μl。
1. 2. 3 双向电泳 标记后样品于 IPG 胶条(pH 4 ~
7,17cm,Bio-Rad)中黑暗水化 12h。采用等电聚焦电
泳系统(Protean IEF Cell,Bio-Rad)20℃等电聚焦,设
定程序为 250V 0. 5h 除盐,1000V 1h 除盐,10000V 4h
升压,电压时间积 60000Vh 电泳。聚焦后,在平衡液
I、II 中各平衡 15min,平衡液 I 包括 50mmol /L Tris-
HCl,6mol /L 尿素,20% (V /V)甘油,2% (W /V)SDS,
2%(W /V)DTT;平衡液 II 包括 50mmol /L Tris-HCl,
6mol /L 尿素,20% (V /V)甘油,2% (W /V)SDS,
2. 5%(W /V)碘乙酰胺。平衡后胶条转移到 12. 5%聚
丙烯酰胺凝胶上方,1%低熔点琼脂糖封胶,选用多板
电泳槽系统(Protean II xi Multi-Cell,Bio-Rad)电泳,起
始电流 10mA /胶 0. 5h,样品浓缩一条线后加大至电流
60mA /胶 5h。电泳后用 Typhoon Trio + (GE)扫描凝
胶,每个荧光标记物对应的激发波长为 Cy2(488nm),
Cy3(532nm),Cy5(633nm)。共扫描 18 块凝胶。
1. 2. 4 蛋白点匹配、差异分析、K-均值聚类和两因素
方差分析 利用 DeCyderTM V6. 50 软件(GE)对 18 块
胶进行蛋白点匹配及定量分析(54 个凝胶图像),突变
体与对照相比平均相对表达量超过 1. 2 倍(T-检验,n
= 6,P < 0. 05)的蛋白点为差异蛋白。采用 CLUSTER
V3. 0 软件对突变体在 3 个时期的相对平均表达量进
行 K -均值聚类,基于欧式距离相似性计算,对数据重
心进行搜索,初始聚类数(K)设定为 5 ~ 20,进行 100
次运行。DeCyder 软件进行两因素方差分析(Two way-
ANOVA),图谱可按株系分 2 组(突变体和对照,n =
18),按发育时期分 3 组(播种后第 14、21 和 55 天,n =
12),按不同发育时期及株系分 6 组 (播种后第 14 天
对照、第 21 天对照、第 55 天对照,播种后第 14 天突变
体、第 21 天突变体、第 55 天突变体,n = 6),比较各组
间平均值差异显著性(P < 0. 05),分析株系和发育时
期对蛋白表达影响的交互作用。
1. 2. 5 质谱分析,数据库搜索和蛋白功能搜索 蛋白
点胶内酶切参见文献[18]的方法。质谱分析通过 ABI
4800 Proteomics Analyzer MALDI-TOF /TOF 系统进行,
GPS Explorer 2. 0 软件分析。利用 MASCOT 程序对
PMF 和 MS /MS 进行数据库搜索,数据库为 NCBInr。
将已鉴定蛋白质按照其数据库编码利用 Gene Ontology
数据库进行 Biological Process 搜索以确定其生物功
能。
604
3 期 空间诱变水稻多蘖矮突变体不同分蘖期蛋白质组研究
图 1 2-D DIGE 试验设计
Fig. 1 Experimental design of 2-D DIGE
C:对照;M:突变体
C:control;M:mutant
2 结果与分析
2. 1 突变体 R955 与对照的性状表现比较
突变体 R955 的植株形态明显不同于对照丙 95 -
503,表现植株较矮小,株高仅 56cm 左右,单株有效穗
数多达 68 个,而对照株高达到 90cm,单株有效穗数仅
14 个[10]。3 个取样时期植株的发育状态如图 2,播种
后第 14 天,对照发育至三叶期,突变体 R955 为二叶
期,比对照滞后 1 叶;播种后第 21 天,对照为三叶一心
期,突变体开始长出第 1 个分蘖,显然突变体分蘖发生
早于对照;播种后第 55 天,突变体与对照的分蘖差异
最为明显,株高差异也随着分蘖发育而逐渐增大,分蘖
与株高呈负相关。
图 2 突变体 R955 与对照株的形态表现
Fig. 2 Morphology of mutant R955 and control plants
2. 2 蛋白点的分离
利用 TCA /丙酮沉淀提取蛋白,进行 DIGE 荧光标
记,凝胶中可检测到蛋白点数大约为 2500 个左右,以
播种后第 14 天 DIGE 图谱为例(图 3)。经过点的匹配
和差异分析,检测到突变体中共有 97 个蛋白点在至少
1 个时期发生差异表达(图 3,表 1)。
2. 3 差异表达蛋白点的鉴定及功能分析
差异表达蛋白点中有 93 个被成功鉴定,其中 74
个点通过 PMF 鉴定,19 个点通过 MS /MS 鉴定(表 1)。
93 个 蛋 白 点 代 表 59 个 独 特 的 蛋 白 质 (unique
protein)。其中 16 个蛋白点(点 14 ~ 27、35、43)在图
谱中观测到的分子量要小于实际分子量,应为相应完
整蛋白分子的降解产物,其中 87. 5%为 Rubisco 大亚
基的降解片段,植物中 Rubisco 蛋白一般处于过量表
达的状态,在完整分子与降解片段间存在着动态的平
衡[19]。这种现象在 Rakwal 的蛋白质组研究中也被发
现[20]。
已鉴定出的蛋白质分属 16 类生物功能,包括能量
代谢、光合作用、蛋白代谢、核酸代谢、氨基酸代谢、磷
元素代谢、卟啉合成、硫元素同化、氮元素同化、细胞壁
形成、细胞凋亡、胁迫应答、信号转导、细胞氧化还原、
种子成熟和未知功能(图 4),其中光合作用相关以及
蛋白代谢相关蛋白质变化最为明显。这些功能蛋白可
能参与了突变体水稻的分蘖形成,提示水稻分蘖发育
是一个复杂的、多分子协同参与的过程。
2. 4 不同功能蛋白在突变体分蘖发育过程中的表达
模式
为进一步研究 R955 在分蘖过程中不同功能蛋白
的表达模式,对 77 个差异蛋白点(不包括降解产物及
未知蛋白点)在 3 个时期的相对表达变化进行了 K-均
值聚类分析。得到 12 组聚类结果(图 5,表 1)。在突
变体中,A、B 组蛋白在未发生分蘖时(播种后第 14
天)出现显著差异表达,在分蘖初始(播种后第 21 天)
立即回复;C、D 组蛋白在未发生分蘖时出现差异表达
并延续到分蘖初始,达最高分蘖(播种后第 55 天)回
复;E、F 组蛋白在 3 个时期均出现差异表达;G 组蛋白
在未发生分蘖和最高分蘖期发生差异表达。上述 7 组
共包括 58 个蛋白点,大部分参与能量代谢和光合作用
(表 1),共同特点是在 R955 未发生分蘖时均出现剧烈
差异表达。H、I 组包括 4 个蛋白点,只在分蘖初始时
出现差异表达,其中50% (硝酸盐还原酶 - 点76,苯
704
核 农 学 报 25 卷
图 3 2-D DIGE 图谱
Fig. 3 2-D DIGE images
A:播种后第 14 天蛋白荧光叠加图谱;B:内参胶图谱(97 个差异表达蛋白用箭头标记)
A:Merged fluorescence images of proteins at 14 days after sowing;B:internal standard image(97 differentially expressed proteins were
marked by arrows)
表 1 差异表达蛋白质谱鉴定结果
Table 1 Differentially expressed proteins identified by MS or MS /MS
蛋白
编号
protein
No.
注册号码
accession
No.
蛋白名称
protein name
分子量
MW
(T /O)a
平均变化倍数
average -fold change
14db 21d 55d
得分
score
匹配
多肽数
match
覆盖率
coverage
rate
(%)
聚类
分组
clustering
set
能量代谢
energy pathway
1 Q7XDC8
Cytoplasmic malate dehydrogenase,胞质苹果酸脱氢
酶
35. 6 /42. 9 - 1. 30 - 1. 27 c - 1. 04 76 21 32 D
2 O22490
Cytochrome c oxidase subunit 6b-1,细胞色素 C 氧
化酶复合物 6b-1
19. 3 /33. 9 - 3. 67 c - 1. 22 - 1. 35 53 37 25 B
3 AAA84588 ATP synthase β subunit ATP 合成酶 β 亚基 54. 0 /52. 6 1. 92 c - 1. 02 1. 11 213 33 67 A
4 NP_039390
ATP synthase CF1 β chain,CF1 ATP 合成酶复合体
β 亚基
54. 0 /39. 4 1. 96 c 1. 20 1. 27 c 116 17 43 E
5 XP_467812
Putative H(+ )-transporting ATP synthase,质子通
道 ATP 合成酶
26. 2 /27. 7 1. 54 c 1. 38 1. 16 67 6 23 C
6 AAM12321
ATPase α subunit,3-partial,ATP 酶 α 亚基 3’端
片段
29. 3 /28. 9 - 1. 11 1. 28 c 1. 28 99 14 40 J
光合作用
photosynthesis
7 Q6H748
Putative chlorophyll a / b-binding protein type III
precursor,叶绿素 a / b 结合蛋白 III 前体
29. 2 /27. 4 - 1. 30 c - 1. 16 1. 03 122 24 31 B
8 Q6Z3V7
Putative photosystem I reaction center subunit IV,
光系统 I 反应中心 IV
15. 5 /21. 8 2. 31 c - 1. 17 - 1. 18 69 22 12 A
9 gi | 3885886
Rieske Fe-S precursor protein,Rieske 铁-硫蛋白
前体
23. 9 /21. 4 - 1. 60 - 1. 24 c 1. 08 121 10 57 D
10 CAG34174 Rubisco large subunit,Rubisco 大亚基 52. 9 /53. 2 1. 78 c 1. 33 c 1. 06 185 26 51 C
804
3 期 空间诱变水稻多蘖矮突变体不同分蘖期蛋白质组研究
续表
蛋白
编号
spot
No.
注册号码
accession
No.
蛋白名称
protein name
分子量
MW
(T /O)a
平均变化倍数
average -fold change
14 db 21 d 155 d
得分
score
匹配
多肽数
match
覆盖率
coverage
rate
(%)
聚类
分组
clustering
se
11 AAS46127 Rubisco large chain,Rubisco 小亚基 52. 9 /52. 9 1. 97 c - 1. 06 - 1. 16 131 24 36 A
12 P0C512 Rubisco large chain,Rubisco 小亚基 52. 9 /52. 9 2. 02 c 1. 20 - 1. 07 190 30 54 A
13 CAG34174 Rubisco large subunit,Rubisco 大亚基 52. 9 /52. 8 1. 54 c 1. 19 1. 26 c 186 31 51 G
14 P12089
Rubisco large chain precursor,Rubisco 大亚基前
体
52. 9 /39. 1 1. 39 1. 12 1. 42 c 110 - d 4 -
15 NP_039391 Rubisco large chain,Rubisco 大亚基 52. 9 /29. 9 1. 36 c 1. 02 - 1. 24 73 15 31 -
16 YP_052757 Rubisco large subunit,Rubisco 大亚基 52. 9 /22. 2 1. 05 1. 26 c 1. 40 83 21 22 -
17 T02958
Rubisco large chain precursor,Rubisco 大亚基前
体
45. 1 /21. 3 1. 34 c 1. 36 c 1. 41 c 67 11 34 -
18 P12089
Rubisco large chain precursor,Rubisco 大亚基前
体
52. 9 /20. 3 1. 79 c 1. 26 c 1. 35 c 153 - d 6 -
19 T02958
Rubisco large chain precursor,Rubisco 大亚基前
体
45. 1 /33. 4 - 3. 92 c 1. 08 1. 22 79 - d 3 -
20 AAS46127 Rubisco large subunit,Rubisco 大亚基 52. 9 /32. 3 - 1. 36 c - 1. 00 - 1. 01 215 36 47 -
21 P12089
Rubisco large chain precursor,Rubisco 大亚基前
体
52. 9 /21. 6 - 1. 64 - 1. 17 - 1. 30 c 95 - d 3 -
22 P12089
Rubisco large chain precursor,Rubisco 大亚基前
体
52. 9 /21. 4 - 1. 22 c - 1. 13 - 1. 04 130 - d 5 -
23 AAS46127 Rubisco large chain,Rubisco 大亚基 52. 9 /20. 8 - 2. 50 c - 1. 08 - 1. 20 73 15 31 -
24 P12089
Rubisco large chain precursor,Rubisco 大亚基前
体
52. 9 /20. 5 1. 07 - 1. 51 c - 1. 07 198 - d 9 -
25 P12089
Rubisco large chain precursor,Rubisco 大亚基前
体
52. 9 /20. 1 - 1. 12 - 1. 07 - 1. 21 c 136 - d 6 -
26 P19163 Rubisco large chain,Rubisco 大亚基 52. 9 /20. 0 - 4. 24 c - 1. 22 - 1. 14 55 - d 2 -
27 P12089
Rubisco large chain precursor,Rubisco 大亚基前
体
52. 9 /17. 4 - 1. 04 1. 05 - 1. 39 c 104 - d 5 -
28 gi | 56966765 Rubisco small subunit,Rubisco 小亚基 19. 5 /19. 8 2. 09 c 1. 42 c 1. 34 65 12 28 E
29 ABA97173 Rubisco small subunit,Rubisco 小亚基 19. 5 /19. 5 2. 24 c 1. 74 c 1. 40 65 8 30 E
30 Q6H6C7
Chloroplast phosphoglycerate kinase,叶绿体磷酸
甘油酸激酶
42. 1 /47. 0 1. 67 c 1. 05 - 1. 10 74 25 31 A
31 gi | 50911777
Phosphoribulokinase precursor,磷酸核酮糖激酶
前体
44. 9 /45. 1 1. 37 c - 1. 01 - 1. 06 109 17 41 A
32 XP_476303 Putative transketolase,转羟乙醛酶 80. 0 /63. 0 1. 37 1. 26 c 1. 29 c 118 20 47 E
33 Q9ZTP5
Ribulose-phosphate 3-epimerase, chloroplast
precursor,3 -磷酸核酮糖异构酶,叶绿体前体
29. 0 /45. 2 - 1. 55 c 1. 28 c 1. 58 c 91 25 18 B
34 Q9ZTP5
Ribulose-phosphate 3-epimerase, chloroplast
precursor,3 -磷酸核酮糖异构酶,叶绿体前体
29. 0 /45. 1 - 2. 80 c 1. 04 1. 11 91 25 18 B
35 Q9ZTP5
Ribulose-phosphate 3-epimerase, chloroplast
precursor,3 -磷酸核酮糖异构酶,叶绿体前体
29. 0 /19. 0 1. 43 1. 36 1. 54 c 54 8 11 -
36 gi | 1778414 Rubisco activase,Rubisco 活化酶 51. 5 /49. 0 2. 12 c 1. 09 1. 31 c 109 21 27 G
37 AAX95286
Rubisco activase large isoform precursor,Rubisco
活化酶大亚型前体
51. 5 /48. 8 2. 14 c - 1. 26 - 1. 03 76 16 32 A
38 P93431 Rubisco activase,Rubisco 活化酶 51. 5 /46. 1 2. 07 c 1. 42 c 1. 16 120 11 33 C
39 P93431 Rubisco activase,Rubisco 活化酶 51. 5 /46. 0 1. 97 c 1. 11 1. 01 134 29 56 A
40 3914603 Rubisco activase,Rubisco 活化酶 51. 5 /43. 5 1. 39 c 1. 04 - 1. 25 127 31 42 A
41 AAC28134 Rubisco activase,Rubisco 活化酶 51. 5 /48. 5 - 2. 04 c - 1. 29 c - 1. 50 c 97 - d 3 F
904
核 农 学 报 25 卷
续表
蛋白
编号
spot
No.
注册号码
accession
No.
蛋白名称
protein name
分子量
MW
(T /O)a
平均变化倍数
average -fold change
14 db 21 d 155 d
得分
score
匹配
多肽数
match
覆盖率
coverage
rate
(%)
聚类
分组
clustering
se
42 AAX95285
Rubisco activase small isoform precursor,Rubisco
活化酶小亚型前体
51. 5 /45. 8 2. 04 c - 1. 21 c - 1. 24 c 82 20 45 A
43 P93431 Rubisco activase precursor,Rubisco 活化酶前体 51. 5 /14. 9 - 1. 02 - 1. 21 c 1. 01 133 - d 7 -
蛋白代谢
protein metabolism
44 S35701 Translation elongation factor G,翻译延伸因子 G 83. 9 /67. 0 1. 88 c 1. 10 1. 21 120 24 38 G
45 P29545 Elongation factor 1-β,延伸因子 1-β 23. 8 /32. 7 - 1. 31 c - 1. 01 1. 07 54 6 25 B
46 AAO73241 Putative ribosomal protein S5,核糖体蛋白 S5 35. 0 /38. 5 - 2. 08 c - 1. 20 - 1. 24 43 - d 5 B
47 XP_450482
Putative plastid-specific ribosomal protein 2
precursor,质体特异核糖体蛋白 2 前体
26. 7 /27. 5 - 2. 97 c 1. 10 1. 31 87 12 46 B
48 XP_478772
Putative ribosome recycling factor,核糖体回收因
子
29. 7 /25. 8 - 1. 08 - 1. 48 c 1. 27 78 - d 4 D
49 XP_468773 Putative HSP,热休克蛋白 109. 0 /71. 0 1. 35 c 1. 01 1. 23 40 20 25 G
50 XP_470141
Heat shock protein cognate 70,70kDa 热休克蛋
白
71. 1 /63. 2 1. 28 c 1. 01 1. 25 84 20 27 G
51 XP_463871
Putative dnak-type molecular chaperone Bip,
dnak-型分子伴侣
73. 4 /63. 3 1. 48 c 1. 05 1. 24 146 27 37 A
52 XP_463871
Putative dnak-type molecular chaperone Bip,
dnak-型分子伴侣
73. 4 /62. 9 1. 90 c - 1. 11 - 1. 05 223 8 20 A
53 NP_910308
Putative chaperonin 60 β precursor,60kDa 分子
伴侣 β
64. 1 /57. 1 1. 05 1. 46 c 1. 78 c 89 16 30 J
54 NP_910308
Putative chaperonin 60 β precursor,60kDa 分子
伴侣 β
64. 1 /57. 1 1. 04 1. 33 1. 47 c 151 25 45 J
55 AAB63469 Endosperm lumenal Bip,胚乳腔分子伴侣 73. 5 /63. 6 1. 43 c 1. 03 1. 45 c 114 20 28 G
56 ABA97211
Stromal 70kDa heat shock-related protein,间质
70kD 热休克蛋白
74. 1 /63. 8 - 1. 20 - 1. 33 c - 1. 30 c 79 23 27 K
57 gi | 115463081
Stromal 70kDa heat shock-related protein,间质
70kD 热休克蛋白
74. 1 /63. 5 - 1. 03 - 1. 21 c - 1. 15 60 - d 10 K
58 BAD36074
Putative chaperonin 21 precursor,21kDa 分子伴
侣前体
25. 5 /28. 3 - 1. 37 c - 1. 09 - 1. 07 93 12 50 B
59 NP_912358 α
-crystallin-type heat shock protein,α-晶体热休
克蛋白
17. 4 /21. 1 - 2. 36 c - 1. 73 c - 1. 02 2933 6 34 D
60 AAX85991 Protein-disulfide isomerase,二硫键异构酶 56. 9 /57. 0 1. 12 1. 35 1. 41 c 116 19 37 J
61 ABA97087
Rubisco subunit-binding protein α subunit,
Rubisco 亚基结合蛋白 α
61. 1 /57. 1 1. 18 1. 43 1. 33 c 135 22 46 J
62 P52428 Proteosome subunit α type 1,1 型蛋白酶体 α 29. 6 /35. 1 1. 95 c 1. 05 1. 03 3848 5 24 A
63 NP_917662 Putative cysteine proteinase,半胱氨酸蛋白酶 38. 3 /30. 9 1. 14 - 1. 07 1. 24 c 2075 7 22 L
64 NP_914976
Putative nascent polypeptide associated complex α
chain,新生多肽相关复合物 α 多肽
43. 7 /29. 6 1. 15 - 2. 25 c 1. 08 85 10 44 I
核酸代谢
nucleic acid metabolism
65 ABA91072
Putative retrotransposon protein,逆转录转座子
蛋白
190. 7 /42. 2 1. 09 1. 44 c 1. 13 64 24 17 H
66 gi | 50926800 Reverse transcriptase,逆转录酶 204. 7 /29. 5 - 1. 65 c 1. 07 1. 01 75 12 21 B
氨基酸代谢
amino acid metabolism
014
3 期 空间诱变水稻多蘖矮突变体不同分蘖期蛋白质组研究
续表
蛋白
编号
spot
No.
注册号码
accession
No.
蛋白名称
protein name
分子量
MW
(T /O)a
平均变化倍数
average -fold change
14 db 21 d 155 d
得分
score
匹配
多肽数
match
覆盖率
coverage
rate
(%)
聚类
分组
clustering
se
67 XP_466843
Putative phenylalanine ammonia-lyase,苯丙氨酸
氨裂合酶
75. 5 /63. 0 1. 16 1. 38 c 1. 05 822 20 26 H
68 gi | 450549
S-adenosylmethionine synthetase,S-腺苷甲硫氨
酸合成酶
43. 2 /49. 3 1. 35 c - 1. 23 1. 90 c 92 17 34 G
69 P93438
S-adenosylmethionine synthetase 2,S-腺苷甲硫
氨酸合成酶 2
42. 9 /48. 6 1. 61 c 1. 04 1. 22 76 12 36 G
70 XP_469854
Putative aspartate semialdehyde dehydrogenase,
天冬氨酸 -半醛脱氢酶
40. 2 /45. 9 1. 30 1. 28 c 1. 15 63 12 43 C
71 ABA99438 Cysteine synthase A,半胱氨酸合成酶 A 43. 5 /40. 0 1. 46 c 1. 11 1. 15 166 20 81 A
72 NP_196094 ACT domain-containing protein,含 ACT 域蛋白 33. 2 /37. 8 - 1. 58 c - 1. 31 c - 1. 10 87 - d 2 D
磷元素代谢
phosphorus metabolism
73 XP_467983
Putative inorganic pyrophosphatase,无机焦磷酸
酶
31. 8 /34. 2 1. 07 1. 29 c 1. 28 121 16 52 J
卟啉代谢
porphyrin biosynthesis
74 AAO72663
Coproporphyrinogen III oxidase,粪卟啉原氧化酶
III
51. 6 /44. 1 1. 25 c 1. 08 - 1. 05 72 13 44 A
氮元素同化
nitrate assimilation
75 XP_506676
Sulfite reductase,α subunit,亚硫酸盐还原酶 α
亚基
40. 7 /39. 2 2. 16 c 1. 01 1. 17 178 23 50 A
硫元素同化
sulfite assimilation
76 NP_918873
Ferredoxin-nitrite reductase,铁氧化还原蛋白亚
硝酸盐还原酶
66. 1 /60. 1 - 1. 13 1. 26 c 1. 11 86 16 29 H
77 P14655 Putative glutamine synthetase,谷氨酰胺合成酶 46. 6 /47. 0 1. 68 c 1. 16 1. 12 72 31 36 A
78 gi | 38346409 Glutamine synthetase,谷氨酰胺合成酶 46. 6 /46. 6 1. 26 c - 1. 19 - 1. 23 74 29 34 A
79 XP_469970 Glutamate dehydrogenase,谷氨酸脱氢酶 44. 3 /45. 7 1. 15 1. 28 c 1. 21 137 9 30 J
细胞壁形成
cell wall organization
80 BAD27963
Hydroxyproline-rich glycoprotein-like protein,富
含羟基脯氨酸糖蛋白类似蛋白
48. 4 /57. 1 1. 64 c 1. 07 1. 14 69 13 26 A
细胞凋亡
programmed cell death
81 ABA95337
NB-ARC domain-containing protein,含 NB-ARC
域蛋白
117. 4 /44. 4 1. 85 c 1. 24 1. 34 84 22 23 E
胁迫应答
response to stimulus
82 XP_466697
Putative temperature stress-induced lipocalin,温
度胁迫诱导的载脂蛋白
20. 6 /24. 8 1. 56 c 1. 21 1. 17 61 8 37 C
83 AY061961 S-like RNase homologue,S-类核糖核酸酶 28. 4 /29. 1 - 2. 32 c - 1. 35 - 1. 17 69 - d 7 F
84 Q8RYA7 S-like RNase homologue,S-类核糖核酸酶 28. 4 /26. 2 - 2. 32 c - 1. 22 - 1. 12 69 - d 7 F
85 Q8RYA7 S-like RNase homologue,S-类核糖核酸酶 28. 4 /28. 4 - 2. 23 c - 1. 40 - 1. 31 92 - d 4 F
86 AAV43981 Putative chitinase,几丁质酶 33. 7 /32. 3 - 1. 99 c - 1. 02 1. 30 94 16 37 B
87 gi | 50902074
Putative photoreceptor-interacting protein-like
protein,光受体相互作用蛋白类蛋白
78. 8 /29. 0 - 1. 27 - 1. 00 1. 28 c 109 24 31 L
114
核 农 学 报 25 卷
续表
蛋白
编号
spot
No.
注册号码
accession
No.
蛋白名称
protein name
分子量
MW
(T /O)a
平均变化倍数
average -fold change
14 db 21 d 155 d
得分
score
匹配
多肽数
match
覆盖率
coverage
rate
(%)
聚类
分组
clustering
se
信号转导
signal transduction
88 XP_483800
Putative C2 domain-containing protein,含 C2 域
蛋白
123. 1 /37. 5 - 5. 12 c 1. 13 1. 17 87 - d 5 B
细胞氧化还原
cell redox homeostasis
89 Q6YZA9 Germin-like protein,Germin 类似蛋白 23. 7 /23. 7 - 1. 25 c - 1. 06 1. 25 90 31 17 L
90 NP_922478 Putative GST,谷胱甘肽-s-转移酶 26. 6 /29. 7 - 1. 07 - 1. 07 1. 26 c 499 5 25 L
91 P93407
Putative SOD (Cu-Zn),chloroplast precursor,叶
绿体(铜 -锌)超氧化物歧化酶前体
21. 3 /20. 8 - 1. 94 c - 1. 44 c - 1. 40 89 6 57 F
92 XP_483791
SOD (Cu-Zn),chloroplast,叶绿体(铜 - 锌)超
氧化物歧化酶
21. 3 /20. 3 - 1. 09 1. 19 1. 27 c 594 4 20 L
种子成熟
seed maturation
93 CAA45400 19kDa globulin precursor,19kDa 球蛋白前体 21. 1 /25. 0 1. 01 - 1. 08 1. 34 c 268 5 25 L
未知功能
unknown
94 gi | 50934469 Putative SHOOT1 protein,SHOOT1 蛋白 37. 5 /38. 0 1. 39 c - 1. 01 1. 28 c 91 17 21 -
95 gi | 51964072
Predicted OSJNBb0006J22. 16 gene product,预
测的 OSJNBb0006J22. 16 基因表达产物
45. 2 /49. 1 1. 42 - 1. 19 1. 27 c 87 24 30 -
96 gi | 50937689 Hypothetical protein,未知蛋白 17. 4 /47. 1 1. 10 - 1. 00 1. 26 c 65 35 20 -
97 ABB46649 Putative uncharacterized protein,未知蛋白 24. 5 /20. 8 - 1. 96 c - 1. 31 c - 1. 32 1444 4 21 -
注:a:T -理论分子量,O -图谱观测分子量(kDa);b:3 个取样时期即播种后第 14 天,第 21 天,第 55 天;c:T 检验差异显著(P < 0. 05);d:串联质谱鉴定
Note:a:molecular weight with Theoretical (T)and Observed (O)values(kDa);b:three sampling time points:14 days,21days and 55 days after sowing;c
significantly changed (students’t-test P < 0. 05);d:proteins were identified by MS /MS
图 4 差异表达蛋白功能分类
Fig. 4 Functional classification of
differentially expressed proteins
丙氨酸脱氨酶 - 点 67)分别参与氮元素同化和氨基
酸代谢过程。J、K 组包括 9 个蛋白点,在分蘖初始时
出现差异表达并保持到最高分蘖期,其中参与蛋白质
折叠的分子伴侣蛋白占了大多数(分子伴侣 60 β -点
53、54,二硫键异构酶 - 点 60,Rubisco 结合蛋白 α-点
61);L 组包括 6 个蛋白点,只在最高分蘖期发生上调
表达,其中包括参与胁迫应答的 3 个氧化还原酶
(Germin 类似蛋白 - 点 89,超氧化物歧化酶 - 点 92,
谷胱甘肽转移酶 -点 90)。通过 K-均值聚类分析可发
现在 R955 分蘖发育过程中不同功能蛋白表现不同表
达模式,各分蘖阶段有不同功能蛋白分子参与调节。
2. 5 R955 分蘖性状相关蛋白分子筛选
R955 与对照株分蘖能力的差异是随着分蘖发育的
进行而逐渐增加的,这种差异可被认为是株系和发育时
期两种因素具有显著的交互作用效应。因此,可以对差
异蛋白质在 2 株系不同发育时期的表达数据进行两因
214
3 期 空间诱变水稻多蘖矮突变体不同分蘖期蛋白质组研究
图 5 差异蛋白点 K-均值聚类分析
Fig. 5 K-means cluster of differentially
changed proteins in R955
素方差分析,筛选在两种因素间出现显著交互作用的蛋
白分子,它们可能与突变体的分蘖性状直接相关。
选取经 K-均值聚类分析得到的可能参与分蘖的
初始与维持(H、I、J 和 K 组)以及在 3 阶段都发生差异
表达(E、F 组)的共 24 个蛋白点相对表达数据进行两
因素方差分析。结果发现,6 个蛋白点(3 个独特的蛋
白质)在株系和发育时期出现显著交互作用(表 2),其
中分子伴侣 60 β(点 53、54)以及 S-类核糖核酸酶(S-
like RNase,点 83、84、85)在 2-D 图谱中各蛋白点间表
达模式是一致的(表 2 斜体,图 6),可能与 R955 的分
蘖性状相关联,值得进一步关注。
3 讨论
本研究利用空间诱变多蘖矮突变体对水稻分蘖发
表 2 两因素方差分析
Table 2 Two-way ANOVA analysis
聚类组
K-means
cluster
set
蛋白编码
protein
No.
蛋白名称
protein name
两因素方差分析
two-way ANOVA
株系
strain
发育期
development
stage
交互作用
interaction
E 4 ATP synthase CF1 β chain *** *** *
28 Rubisco small subunit *** *** nsa
29 Rubisco small subunit *** *** ns
32 Putative transketolase *** *** ns
81 NB-ARC domain containing protein *** * ns
F 41 Rubisco activase *** ns ns
83 S-like RNase homologue *** *** *
84 S-like RNase homologue *** *** **
85 S-like RNase homologue *** *** *
91 Putative SOD (Cu-Zn),chloroplast precursor ** ** ns
H 65 Putative retrotransposon protein * *** ns
67 Putative phenylalanine ammonia-lyase ns *** ns
76 Ferredoxin-nitrite reductase ns ** ns
I 64 Putative nascent polypeptide associated complex α chain * ** ns
J 6 ATPase α subunit,3-partial ns ns ns
53 Putative chaperonin 60 β precursor ** *** *
54 Putative chaperonin 60 β precursor *** *** *
60 Protein disulfide isomerase *** *** ns
61 Rubisco subunit binding-protein α subunit *** *** ns
73 Putative inorganic pyrophosphatase ** * ns
79 Glutamate dehydrogenase * * ns
92 SOD (Cu-Zn),chloroplast ns *** ns
K 56 Stromal 70 kDa heat shock-related protein *** *** ns
57 Stromal 70 kDa heat shock-related protein ns ** ns
注:* 0. 05 水平显著性;**0. 01 水平显著性;***0. 001 水平显著性;ns 不显著。
Note:* significant differences at P < 0. 05;**significant differences at P < 0. 01;***significant differences at P < 0. 001;a:ns means no significant.
314
核 农 学 报 25 卷
图 6 利用两因素方差分析筛选在株系和发育时期
之间出现显著交互作用的蛋白
Fig. 6 Proteins showing significant interaction
effects between strains and development stages screened
out by two-way ANOVA
育过程蛋白质组表达进行了研究。通过聚类分析发
现,在 R955 分蘖发育过程中不同的功能蛋白表现不
同的表达模式,各阶段有不同功能蛋白分子参与调节。
二元方差分析筛选出了可能与分蘖性状直接相关联的
蛋白分子。
突变体中参与能量代谢和光合作用的蛋白主要在
第 1 阶段发生差异表达,此时突变体与对照植株均处
于苗期生长,未发生分蘖。有研究表明[21]水稻苗期叶
片发育过程中光合作用等功能蛋白变化十分显著。在
播种后第 14 天对照发育至三叶期,而突变体为二叶
期,同化作用存在差异。
参与氮元素同化和氨基酸代谢过程的蛋白仅在分
蘖初始时出现上调表达,硝酸盐还原酶将硝酸盐中氮
元素转化为氨基氮,后者参与氨基酸的代谢过程。很
多研究表明[22],氮元素水平与植物分蘖能力呈高度正
相关,在低氮环境下植物的分蘖会提前结束。本研究
在蛋白表达层面进一步验证了增强的氮元素同化和氨
基酸代谢过程参与了 R955 分蘖发育的启动。
参与蛋白质代谢的 4 个分子伴侣蛋白在分蘖初始
时表达增强并保持到最高分蘖期,这与突变体的分蘖
性状变化相一致。R955 的高分蘖能力意味着更多的
叶片蛋白被合成,参与蛋白合成的翻译延伸因子 G(点
44)表达量也确实发生上调变化,而分子伴侣能够协
助新生蛋白质折叠和构象建立,进一步参与了 R955
分蘖的发育。其中分子伴侣 60 β(点 53、54)的表达数
据经两因素方差分析发现存在株系与发育时期的显著
性交互作用,可能与分蘖性状相关联。有研究发
现[23],拟南芥中过量表达分子伴侣 70 基因(HSC70-1
OE)能够减弱根尖及茎尖的分生能力从而引起植株的
矮化。本研究中,分子伴侣 60 β 蛋白在 R955 中与对
照相比在分蘖过程中过量表达(图 6),推测该蛋白可
能与 R955 的矮化有关。与对照相比 R955 的株高随
着分蘖增强逐渐变矮,而分蘖数与株高呈负相关的现
象在多个多蘖矮杆突变体以及栽培水稻品种中被发
现[11,24,25],这就解释了分子伴侣 60 β 蛋白被两因素方
差分析筛选出的原因。
参与胁迫应答的蛋白在 R955 最高分蘖期表达上
调,此阶段水稻分蘖结束,植物准备由营养生长进入生
殖生长,叶片开始衰老。在此阶段,叶绿体中的活性氧
自由基开始增多,氧化压力逐渐递增[26],而如超氧化
物歧化酶(SOD)等抗氧化酶系统表达的增强可能会延
迟叶片衰老[27]。这一结果进而解释了 R955 从播种到
见穗天数(71d)比对照(66d)要长的现象[11]。
两因素方差分析还发现,3 个蛋白点(点 83、84、
85)的表达数据存在显著交互作用,可能与分蘖性状
直接关联,质谱鉴定结果均为 S-类核糖核酸酶(S-Like
RNase)。在植物中,核糖核酸酶类蛋白分为 2 个家
族:S-核糖核酸酶(S-RNases)和 S-类核糖核酸酶(S-
like RNases)。S-核糖核酸酶由 S-基因编码,参与植物
自交不亲和并具有核糖核酸酶活性[28],而 S-类核糖核
酸酶由于在 S-基因保守区序列缺少编码组氨酸的碱
基不具有核糖核酸酶活性[29]。本文中发现的 3 个蛋
白点属于后者。很多研究表明,S-类核糖核酸酶在各
种胁迫下被诱导表达,如拟南芥的磷缺乏胁迫[30]、烟
草的损伤及真菌胁迫[31,32]、水稻的干旱胁迫[33]等。S-
类核糖核酸酶的基因表达变化也在其他多蘖矮水稻中
被发现[34]:水稻突变体 ext37 由野生型 JX89 通过甲基
磺酸乙酯(EMS)突变得到。ext37 的平均分蘖数为 21
而野生型 JX89 为 7,ext37 的平均株高(33cm)也矮于
野生型(89cm);研究者对突变体和野生型进行了基因
差异表达分析,发现核糖核酸酶基因在突变体三叶期
以及孕穗期出现了强烈的下调表达。本研究中 S-类
核糖核酸酶在 R955 的 3 个发育时期均出现了强烈的
下调表达(图 6),进一步指出该蛋白与水稻的分蘖生
长可能有直接的关联。目前暂无核糖核酸酶蛋白控制
植物分蘖的相关研究,本研究的结果也许会为水稻分
蘖机制的研究提供新的见解。
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(责任编辑 王媛媛)
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