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Analysis of differential expression of proteins in replanting disease of Pseudostellaria heterophylla

太子参连作障碍蛋白差异表达分析



全 文 :书太子参连作障碍蛋白差异表达分析
林茂兹1,2,张志兴1,林争春1,尤垂怀1,曾令杰1,林文雄1
(1.福建农林大学农业生态研究所,福建 福州350002;2.福建师范大学福清分校,福建 福清350300)
摘要:为探明太子参连作障碍分子机理,本研究采用差异蛋白质组学方法研究了不同种植制度下(连作、轮作)太子
参叶片蛋白质的差异表达。结果表明,不同种植制度下太子参叶片中共有27个差异表达蛋白质点,经生物信息学
查询到24个蛋白质。差异蛋白质功能分析结果表明,连作导致太子参叶片中与植物衰老或病害相关的5个蛋白
表达量全部上调;与植物抗性相关的5个蛋白(磷脂氢谷胱苷肽过氧化物酶、植物性丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶、钙
依赖蛋白激酶、查尔酮合成酶和硫氧还相关蛋白)表达量上调,4个蛋白(细胞壁富含甘氨酸蛋白、SKP1同源蛋白、
锌指蛋白和成熟酶K)表达量下调;与光合作用相关的2个蛋白(Rubisco大亚基和细胞色素b6)表达量下调,2个蛋
白(核酮糖二磷酸碳酸酵素小链c和细胞色素b6/f复合体亚基VI)表达量上调;与能量代谢相关的蔗糖-UDP葡
萄糖基转移酶和与细胞分裂相关的NFY5表达量均下调,而蛋白酶1型β亚基、ATP合成酶β亚基、细胞分裂素
组氨酸磷光体转移蛋白4和NAD依赖3磷酸甘油醛脱氢酶表达量均上调。这说明太子参连作导致叶片致病性或
衰老相关蛋白表达量上调,是太子参连作病害频发和提前退黄的主要原因,同时连作导致抗性相关蛋白以及能量
代谢和细胞分裂相关蛋白紊乱(或降低或上调),是太子参连作障碍的结果在蛋白质水平的表现,连作还导致重要
的光合相关蛋白表达量下调,是连作太子参光合作用能力下降的分子基础。
关键词:太子参;连作障碍;差异蛋白质;分子机理
中图分类号:Q945.7;S567.5+3  文献标识码:A  文章编号:10045759(2010)06019711
  太子参(犘狊犲狌犱狅狊狋犲犾犾犪狉犻犪犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪)别名孩儿参、童参,是石竹科草本植物,性平,味甘、微苦,归脾、肺经,
益气健脾,生津润肺,常用于脾虚体倦,食欲不振,病后虚弱,气阴不足,自汗口渴,肺燥干咳。作为补益药物,太子
参是常用大宗中药材,在我国福建、安徽、江苏、贵州、山东等省份人工栽培面积较大。福建柘荣太子参为道地药
材,种植面积和产量均居全国之首。目前有关太子参资源分布[1]、资源特性[2]、化学成分[36]、药理作用[7]、栽培管
理[8,9]、病害防治[10]、光合作用特性[11]等方面的研究已有报道。
太子参有较严重的连作障碍现象。连作障碍属于化感作用研究范畴。化感作用现象包括他感和自毒2个方
面。他感作用,如巨桉(犈狌犮犪犾狔狆狋狌狊犵狉犪狀犱犻狊)对紫花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)的化感作用[12],苍耳(犡犪狀狋犺犻狌犿
狊犻犫犻狉犻犮狌犿)对小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)、高粱(犛狅狉犵犺狌狉狀狏狌犾犵犪狉犲)、黄瓜(犆狌犮狌犿犻狊狊犪狋犻狏狌狊)、油菜(犅狉犪狊狊犻犮犪
犮犪犿狆犲狊狋狉犻狊)和萝卜(犚犪狆犺犪狀狌狊狊犪狋犻狏狌狊)的化感作用[13],圆叶决明(犆犺犪犿犪犲犮狉犻狊狋犪狉狅狋狌狀犱犻犳狅犾犻犪cv.Wynn)和羽叶
决明(犆.狀犻犮狋犻狋犪狀狊)分别对百喜草(犘犪狊狆犪犾狌犿狀狅狋犪狋狌犿)的化感作用[14]。太子参连作障碍属于化感作用的另一个
方面———自毒作用。研究结果表明,大田连作导致太子参地上部分病害严重且提前枯黄,最终产量下降为对照试
验(水旱轮作)的1/3以下,而太子参药材品质指标(人参皂苷Rb1和多糖含量)均比对照试验(水旱轮作)的显著
下降,盆栽模拟试验结果也表明,进入4月后,太子参连作与水旱轮作相比,叶片数量明显减少,叶片面积明显减
小,病害更严重且叶片提前枯黄,在生长旺盛期(4月上旬测定)光合速率、叶绿素含量、相应的荧光动力学参数均
显著下降。太子参连作障碍现象已被试验证明是极严重的,其分子机理尚需深入研究,以期为太子参连作障碍的
克服提供理论依据。
近年来,差异蛋白质组学应用于植物或作物科学相关的分子机制研究日益增多,且从分子水平较好地解释了
植物/作物自身遗传表达或对环境响应的分子机理。如被应用于水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)低温胁迫和金属胁迫响应
第19卷 第6期
Vol.19,No.6
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
197-207
2010年12月
 收稿日期:20100204;改回日期:20100316
基金项目:国家自然科学基金(30772729)和福建省自然科学基金(2008J0051)资助。
作者简介:林茂兹(1976),男,福建仙游人,讲师,在读博士。Email:dragonlmz@163.com
通讯作者。Email:wenxiong181@163.com
的研究[1517],被应用于不同水稻的叶片和谷壳差异蛋白研究[18],再如水稻苗期,灌浆期叶片蛋白质的差异表
达[1922],为水稻高产的分子机理提供了充分的试验证据。此外,差异蛋白质组学技术在玉米(犣犲犪犿犪狔狊)[23],小
麦[24],大豆(犌犾狔犮犻狀犲犿犪狓)[25]等作物中也都有过较好的应用。
太子参盆栽模拟连作发生的连作障碍现象与大田连作产生的大田连作现象相同,而盆栽试验可控性强,能尽
量减少大田试验中的一些意想不到的外界干扰。本研究对盆栽模拟连作与模拟轮作条件下太子参叶片蛋白质分
别进行提取,用2D电泳技术进行分离,再用 MDLDI-TOF/MS对差异蛋白质点进行分析鉴定,试图从分子水
平为太子参连作障碍机理提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
太子参品种为柘参2号,购自福建省柘荣县太子参GAP(GoodAgriculturalPractices)基地。
1.2 试验设计
1.2.1 盆栽试验 盆栽试验在福建农林大学农业生态研究所田间网室中进行。盆栽试验设2个处理,每个处理
重复4次。2个处理分别为“水旱”模拟轮作(太子参-水稻轮作)和“旱-旱”模拟连作(太子参-太子参连作),
盆栽种植顺序和相应的时间见表1。所有的种植时节均按照农业生产季节设定。种植土壤的基本理化指标:总
氮2.47g/kg,碱性氮28.1mg/kg,全磷1.22g/kg,有效磷119.7mg/kg,全钾1.08g/kg,有效钾372.4mg/kg,
pH值5.7。土壤充分混匀后,分装于陶瓷盆中(直径45cm,高40cm),每盆土壤35kg。将柘参2号种苗植于盆
内,每盆10株(图1),共8盆。太子参种植期间,定期定量浇水,并人工去除盆中杂草。太子参成熟收获后,用于
种植的8盆土壤混匀后平均分为2组,其中,第1组土壤平均分装于8个塑料桶中,每桶均匀地播5株水稻,定期
定量浇水,待水稻成熟收获后,将土壤再次混匀并装回原来的4个花盆内,用于种植太子参,作为太子参的“水-
旱”模拟轮作;第2组土壤平均分装于原来的4个花盆内,待“水-旱”模拟轮作处理的水稻收获后,同期再次种植
太子参,作为太子参的“旱-旱”模拟连作。第2次种植太子参前每盆土壤中加入10gNH4NO3 和10gK2HPO4
·3H2O,并将盆中上层土壤(约10cm深)反复搅拌均匀,作为底肥,以减少土壤经过不同的耕作方式产生的养分
差异。模拟“水-旱”轮作记录为Tr1,模拟“旱-旱”连作记录为Tr2。
表1 太子参盆栽试验种植顺序
犜犪犫犾犲1 犆狉狅狆狆犻狀犵狊犲狇狌犲狀犮犲犻狀狆狅狋犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋狅犳犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪
处理
Treatment
日期Date(年.月.日Year.month.day)
2007.11.22-2008.7.1 2008.7.18-2008.10.30 2008.11.30-2009.7.1
“旱-旱”模拟连作Replanting 种植太子参犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪planting 土壤休闲Falow 种植太子参 Tr2犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪replantingTr2
“水-旱”模拟轮作Rotation 种植太子参犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪planting 土壤种植水稻Riceplanting 种植太子参 Tr1犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪plantingTr1
1.2.2 取样 2009年4月17日,在盆栽种植太子参
图1 太子参种植模式图
犉犻犵.1 犆狉狅狆狆犻狀犵狆犪狋狋犲狉狀狅犳犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪
的生长旺盛期,分别从Tr1和Tr2中剪取3片新鲜的
太子参倒二叶片(共约2g),液氮速冻,用于叶片蛋白
质提取分析,3次重复。
1.2.3 叶片蛋白质样品提取与制备 取样后,太子参
叶片立即放入预冷并加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮的研
钵中研磨成均匀粉末,研磨过程中不断加入液氮以保
持样品中蛋白稳定性,研磨后样品加入预冷的10%三
氯乙酸/丙酮溶液(含0.07%β巯基乙醇),混匀,放置于-20℃过夜后,在4℃、15000r/min下离心30min,去上
清液,沉淀用预冷的80%丙酮(含0.07%β巯基乙醇)重悬,在4℃、15000r/min下离心30min,重复3次,至上
清液呈无色。沉淀真空干燥后制成蛋白干粉。得到的干粉加入适量蛋白质裂解液{8mol/L尿素,4%3[3(胆
891 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.6
酰胺丙基)]二甲氨基丙磺酸内盐(CHAPS),40mmol/LTris,65mmol/L二硫苏糖醇},用超声清洗器于25℃以
下水浴超声30min,25℃、15000r/min离心15min,弃沉淀,上清为蛋白质样品溶液,用牛血清蛋白作标准曲线,
以考马斯亮蓝法测定样品浓度后,用作电泳样品。
1.2.4 双向电泳与凝胶成像 电泳采用优化的方法[21,22,26],第一向采用人工制备的胶条,蛋白样品上样量为
160μg,聚焦条件:200,300,400,500,600V各30min;800V16.5h;1000V4h。第二向用十二烷基磺酸钠-
聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE):胶条置于平衡缓冲液(60mmol/LTrisHCl,pH6.8,2%SDS,5%β巯基
乙醇,10%甘油,0.05%溴酚蓝)平衡5min,平衡后的胶条放置于制好的第二向SDS胶上,并轻压使胶条与SDS
胶面充分结合,用加有少量溴酚蓝1%琼脂糖封顶,进行二向电泳,二向电泳参数为:10mA/板,约8h。
电泳结束后,SDS-PAGE胶在固定液(甲醇50%、冰醋酸5%)中固定30min,双蒸水冲洗3次放置过夜以
降低背景颜色,于增敏液(乙醇30%、硫代硫酸钠0.2%、醋酸钠6.8%)中反应30min,双蒸水冲洗3次,每次5
min,用硝酸银染色液(硝酸银2.5%、甲醛0.4%)室温反应20min,双蒸水冲洗2次,每次1min,加显色液(碳酸
钠2.5%、甲醛0.2%)显色,用5%冰醋酸终止显色,双蒸水冲洗3次,每次5min,用保鲜膜密封4℃保存。
银染后的凝胶用ImageScanner扫描仪扫描,利用Imagemaster5.0凝胶图像分析软件对其进行分析。
1.2.5 MALDI-TOF/MS分析 从2D电泳的凝胶上分别切下差异蛋白质点,送中山大学蛋白质组学研究中
心进行 MALDI-TOF/MS分析。质谱结果用 MASCOT软件检索,对表观等电点(PI)及分子量未做要求;设置
肽片段分子量最大容许误差为1.2Da,种属分类选择绿色植物[Viridiplantae(greenplants)],不完全裂解位点为
1个,碘乙酰胺处理,分别交换 MSDB、SwissProt和NCBInr数据库链进行查询。
2 结果与分析
2.1 盆栽模拟轮作与连作太子参叶片蛋白质图谱的构建与差异比较
模拟水旱轮作和连作太子参叶片蛋白质,分别经过双向电泳分离,凝胶扫描后,得到2张图谱。通过Im
ageMaster5.0软件分析,在PI从3.5~10.0和分子量为14~116kD的范围中,手工除去杂点后,当差异达到
1.5倍时即认为具有显著性,据此检测出27个蛋白点在水旱轮作和连作条件下,表达量有显著差异,分别标记为
1~27(图2),从凝胶上分别挖取差异蛋白质点,进行 MALDI-TOF/MS鉴定分析。
图2 模拟水旱轮作与连作太子参叶片蛋白质双向凝胶电泳图谱
犉犻犵.2 犜犺犲2犇犻犿犪犵犲狅犳犾犲犪犳狆狉狅狋犲犻狀狊犻狀犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪狌狀犱犲狉狋犺犲犮犻狉犮狌犿狊狋犪狀犮犲狊狅犳犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪-
犗.狊犪狋犻狏犪-犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪犮狉狅狆狉狅狋犪狋犻狅狀狅狉犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪犮狅狀狋犻狀狌狅狌狊犮狉狅狆狆犻狀犵
左为水旱轮作,右为连作Theleftshowstherotation,therightshowsthecontinuouscropping
991第19卷第6期 草业学报2010年
2.2 模拟连作与水旱轮作太子参叶片蛋白质差异表达分析
27个差异表达的蛋白质点 MALDI-TOF/MS分析后,得到的质谱信息通过 MatrixScience(London,UK)
网站(http://www.matrixscience.com/)提供的 MASCOT软件进行生物信息学查询分析。这27个差异表达的
蛋白质点有3个(2,6,7号)查询分析结果为假想蛋白,其余的24个差异表达蛋白质点查询结果按照蛋白质功能
可以分为4类(表2)。可见太子参连作与轮作相比,与植物衰老或病害相关的蛋白质表达量全部上调。这与生
产实践中发现的太子参连作导致其病害严重、提前退黄等现象相一致。但是植物光合作用相关蛋白、植物抗性相
关蛋白以及与细胞能量、代谢相关的3类蛋白质中,各类蛋白质表达量上调或下调的趋势并不一致。作物生长发
育与其产量形成是一个复杂的生物学过程,除了与作物自身遗传因素有关外,和外界环境因素也有关。太子参生
长过程中可能释放自毒物质到土壤中,导致下茬太子参生长的土壤微环境发生变化,这反过来引起太子参植株体
内的蛋白质表达与非连作条件下的差异产生。
表2 太子参连作与轮作叶片差异蛋白质表达变化
犜犪犫犾犲2 犞犪狉犻犲狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻犪犾犲狓狆狉犲狊狊犲犱狆狉狅狋犲犻狀狊犻狀犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪犾犲犪狏犲狊狌狀犱犲狉狋犺犲犮犻狉犮狌犿狊狋犪狀犮犲狊狅犳
犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪犮狅狀狋犻狀狌狅狌狊犮狉狅狆狆犻狀犵狅狉犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪-犗.狊犪狋犻狏犪-犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪犮狉狅狆狉狅狋犪狋犻狅狀
序号
No.
登录号
Accession
number
蛋白质名称
Proteinname
理论等电点/
分子量
Theoretical
PI/MW (kD)
试验等电点/
分子量
Experimental
PI/MW (kD)
物种来源
Origin
覆盖率
Sequence
coverage
(%)
得分
Score
连作表达结果
Proteinexpress
resultsunder
replanting
1 gi|149391553 磷脂氢谷胱苷肽过氧化物酶
Phospholipidhydroperoxideglu
tathioneperoxidase
9.70/5.768 4.0/15 水稻犗.狊犪狋犻狏犪 67 44 上调
Upregulation
3 gi|118562492 细胞壁 富 含 甘 氨 酸 蛋 白 Cel
walglycinerichprotein
8.93/12.509 4.5/14.4 黄瓜犆.狊犪狋犻狏狌狊 14 58 下调
Downregulation
4 gi|1737169 SKP1(S期相关蛋白激酶1)同
源蛋白 HomologuetoSKP1
4.42/14.718 4.8/14.4 拟南芥
犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪
56 61 下调
Downregulation
5 gi|229613402 细胞色素b6Cytochromeb6 10.99/1.711 5.0/14.4 茜草
犅犲犾狅狀狅狆犺狅狉犪sp.
100 40 下调
Downregulation
8 gi|149392361 核酮糖二磷酸碳酸酵素小链c
Ribulosebisphosphatecarboxyl
asesmalchainc
6.40/8.463 9.0/14.4 水稻犗.狊犪狋犻狏犪 61 65 上调
Upregulation
9 gi|255571415 推测 的 锌 指 蛋 白 Zincfinger
protein,putative
8.92/13.997 5.3/21 蓖麻
犚犻犮犻狀狌狊犮狅犿犿狌狀犻狊
64 60 下调
Downregulation
10 gi|20466492 蔗糖二磷酸尿核苷葡萄糖基转
移酶 SucroseUDP glucosyl
transferase
11.55/10.267 4.3/17 拟南芥
犃.狋犺犪犾犻犪狀犪
11 27 下调
Downregulation
11 gi|255554907 推测的植物性丝氨酸-苏氨酸
蛋白激酶Serinethreoninepro
teinkinase,planttype,putative
5.83/16.371 3.9/25 蓖麻
犚.犮狅犿犿狌狀犻狊
16 22 上调
Upregulation
12 gi|51968454 类似衰老相关蛋白 Similarto
senescenceassociatedprotein
8.86/31.536 4.5/28 拟南芥
犃.狋犺犪犾犻犪狀犪
8 42 上调
Upregulation
13 gi|195611928 蛋白酶1型β亚基 Proteasome
subunitbetatype1
6.73/24.560 4.7/28 玉米犣.犿犪狔狊 4 17 上调
Upregulation
14 gi|62318999 钙依 赖 蛋 白 激 酶 Calciumde
pendentproteinkinase
4.46/11.269 5.0/32 拟南芥
犃.狋犺犪犾犻犪狀犪
11 30 上调
Upregulation
002 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.6
 续表2 Continued
序号
No.
登录号
Accession
number
蛋白质名称
Proteinname
理论等电点/
分子量
Theoretical
PI/MW (kD)
试验等电点/
分子量
Experimental
PI/MW (kD)
物种来源
Origin
覆盖率
Sequence
coverage
(%)
得分
Score
连作表达结果
Proteinexpress
resultsunder
replanting
15 gi|6688903 ATP合成酶β亚基 ATPsyn
thasebetasubunit
5.12/41.972 3.7/45 夹竹桃
犖犲狉犻狌犿狅犾犲犪狀犱犲狉
6 45 上调
Upregulation
16 gi|42565531 Ras 癌 相 关 蛋 白 Rasrelated
protein
5.35/10.746 3.6/45 风信子
犎狔犪犮犻狀狋犺狌狊狅狉犻犲狀狋犪犾犻狊
36 24 上调
Upregulation
17 gi|13518456 细胞 色 素 b6/f复 合 体 Cyto
chromeb6/fcomplexsubunitVI
10.99/3.484 3.5/44 莲花
犔狅狋狌狊犼犪狆狅狀犻犮狌狊
16 37 上调
Upregulation
18 gi|129282345 查尔酮合成酶 Chalcone syn
thase
7.82/7.813 4.4/46 圆锥小麦
犜.狋狌狉犵犻犱狌犿sub
sp.dicoccoides
38 26 上调
Upregulation
19 gi|190898190 硫氧还蛋白相关蛋白 Thiore
doxinrelatedprotein
6.62/29.532 4.5/45 杨树
犘狅狆狌犾狌狊狋狉犲犿狌犾犪
13 13 上调
Upregulation
20 gi|157613744 成熟酶KMaturaseK 6.71/7.432 5.5/42 野桐
犕犪犾犾狅狋狌狊犵犾狅犿犲狉狌犾犪狋狌狊
30 36 下调
Downregulation
21 gi|226374325 核酮糖1,5二磷酸大亚基Ribu
lose1,5bisphosphatecarboxyl
ase/oxygenaselargesubunit
7.96/2.5 5.7/42 仙人掌
犗狆狌狀狋犻犪犱犻犾犾犲狀犻犻
21 20 下调
Downregulation
22 gi|15227134 细胞核因子Y亚基5NFYB5 6.44/18.282 6.1/42 拟南芥
犃.狋犺犪犾犻犪狀犪
15 52 下调
Downregulation
23 gi|62177361 类似枯萎相关受体激酶Senes
cencerelatedreceptorlikekinase
9.62/1.374 7.4/41 大豆
犌.犿犪狓
83 12 上调
Upregulation
24 gi|118341283 致病性相关蛋白PRprotein 4.66/4.156 7.9/41 青椒
犆犪狆狊犻犮狌犿犪狀狀狌狌犿
35 12 上调
Upregulation
25 gi|226875185 细胞分裂素组氨酸磷光体转移
蛋白4Cytokininhistidinephos
photransferprotein4
10.91/4.063 6.5/46 葡萄
犞犻狋犻狊狏犻狀犻犳犲狉犪
54 13 上调
Upregulation
26 gi|229365674 NAD(尼克酰胺腺嘌呤二核苷
酸)依赖3磷酸甘油醛脱氢酶
NADdependentglyceraldehyde
3phosphatedehydrogenase
5.09/5.535 7.4/46 松
犘犻狀狌狊犮犪狀犪狉犻犲狀狊犻狊
28 31 上调
Upregulation
27 gi|194704458 Ras相关蛋白 RHN1Rasrelat
edproteinRHN1
7.71/13.705 4.65/17 玉米犣.犿犪狔狊 12 19 上调
Upregulation
 MW:Molecularweight.
3 讨论
3.1 太子参连作障碍与光合作用相关蛋白
核酮糖1,5二磷酸羧化酶/加氧酶(ribulose1,5biphosphatecarboxylase/oxygenase),简称为Rubisco[27],
它是植物光合同化二氧化碳的关键酶,催化核酮糖1,5二磷酸与二氧化碳反应,经过产生不稳定的六碳中间物,
再裂解成2个分子的3磷酸甘油酸。该酶既能催化二氧化碳与核酮糖1,5二磷酸加成,也能催化核酮糖1,5二
磷酸与氧气反应,因此也称为加氧酶。该酶由8个大亚基和8个小亚基组成,是一个复杂的多聚体,其中大亚基
102第19卷第6期 草业学报2010年
是酶的催化单位,能结合底物(二氧化碳和核酮糖1,5二磷酸)和 Mg2+,小亚基是调节酶活性的单位。该酶以3
种形式存在,其中有活性的为ECM 型,另2种为无活性的E型,或经氨甲酰化的EC型。由于无活性的E型
Rubisco与底物核酮糖1,5二磷酸更容易结合,所以核酮糖1,5二磷酸既是该酶催化反应的底物,也是该酶活性
的强抑制剂。Rubisco的激活酶可以与无活性的E型Rubisco结合,并且在消耗ATP的反应中将核酮糖1,5二
磷酸从活性部位释放。本研究结果表明,太子参连作导致Rubisco大亚基表达量下调,将引起太子参光合速率下
降,这能从分子机理上解释连作导致太子参光合速率下降的研究结果。本研究结果还表明太子参连作叶片中核
酮糖二磷酸碳酸酵素小链c的表达量上调。这可能与它参与Rubisco酶活性的调节有关。
细胞色素b6f复合物在电子传递中将光系统Ⅰ和光系统Ⅱ联结在一起。由光系统Ⅱ进行光反应产生的还原
型氢醌(PQBH2)是一种可移动的脂溶性分子,从D1蛋白上解离下来后,电子从PQBH2 经过细胞色素b6f复合物
传递到质体蓝素,最终到达光系统Ⅰ的P700+,从而将其还原。细胞色素b6f复合物含有一个细胞色素b6、一个
Fe-S和一个细胞色素f(c型细胞色素),它们都是电子载体[28]。本研究结果表明太子参连作与轮作相比,细胞
色素b6 表达量下调,但是细胞色素b6f的亚基(细胞色素f)表达量上调。这说明太子参连作导致光合系统受到
了破坏。类似于“限速酶”理论或“限制性因子”理论,细胞色素b6 表达量下调,必然导致太子参光合速率下调。
这也从分子机理上解释连作导致太子参光合速率下降的研究结果。
3.2 太子参连作障碍与抗性相关蛋白
谷胱甘肽磷脂氢过氧化物酶(PHGPx)是生物体内一种重要的抗氧化酶。它是一种硒依赖性蛋白,在谷胱甘
肽(GSH)的参与下能特异性地还原磷脂氢过氧化物(PLOOH)和胆固醇氢过氧化物(ChOOH),从而保护生物膜
免受过氧化损伤。它还是核酸等生物大分子的重要保护剂,并且在细胞凋亡调控中发挥作用[29]。丝氨酸/苏氨
酸蛋白激酶抗病性基因的克隆与序列分析已见报道[30],丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶是植物抗病相关的蛋白。钙依
赖蛋白激酶在调节植物生长和发育,特别是抗逆过程中起着重要的作用[31]。查尔酮合成酶基因是苯丙氨酸代谢
途径中的关键基因,在类黄酮类物质合成中扮演着重要的角色,调控着色素合成、防御反应、植物育性等生理生化
过程,对植物的生长发育起至关重要的作用[32]。硫氧还蛋白(thioredoxin,Trx)是一类广泛存在于生物体内的多
功能酸性蛋白,分子量约12kDa,参与细胞的一系列生化反应,包括酶活性的调节,转录因子的调控等,是重要的
酶活力调节蛋白,其功能绝大多数是依赖于硫氧还蛋白还原靶蛋白中的二硫键,所以硫氧还蛋白是一种植物抗性
蛋白[33]。本研究结果表明,太子参连作与轮作相比,叶片中谷胱甘肽磷脂氢过氧化物酶、丝氨酸/苏氨酸蛋白激
酶、钙依赖蛋白、查尔酮合成酶、硫氧还相关蛋白的表达量都上调。连作太子参叶片里这些抗性蛋白表达上调,将
有利于抵抗连作自毒效应,也是抵抗逆境胁迫的一种分子基础,即这些抗性相关蛋白在太子参连作后表达量上
调,是太子参抵抗连作自毒的应答结果。
富含甘氨酸蛋白(GRP)基因的表达可受到多种物理、化学和生物因素的影响[34]。S期激酶相关蛋白1(S
phasekinaseassociatedprotein1,SKP1)是真核生物中普遍存在的一类蛋白,能形成SCF复合体而参与泛素蛋
白降解,与细胞周期调控,生物节律,生物抗逆以及雄性不育等重要过程有关,已有文献报道该蛋白与西红柿
(犔狔犮狅狆犲狉狊犻犮狅狀犲狊犮狌犾犲狀狋狌犿)、烟草(犖犻犮狅狋犻犪狀犪狋狅犫犪犮狌犿)、大豆等抗病有关[35]。锌指蛋白的特异性结合域能特异性
结合某些外源DNA,进一步影响外源基因的表达[36],从而使机体得以受保护,而起到抗性作用。成熟酶K催化
切除前体RNA中的内含子,直接在翻译水平影响基因的表达[37]。有研究表明成熟酶 K在烟草打顶后表达增
加,说明打顶处理能通过成熟酶K对RNA内含子的剪切影响氨甲酰磷酸转移酶、精胺/亚精胺合成酶、6磷酸山
梨醇脱氢酶等调控碳氮代谢的酶基因及其他影响烟碱合成的基因表达水平,进而影响烟碱合成的相关生理过
程[38],可见,蛋白酶K可参与植物体受损伤的抗性反应。本研究结果表明,太子参连作与轮作相比,其叶片细胞
壁富含甘氨酸蛋白、S期激酶相关蛋白1的同源蛋白、锌指蛋白、成熟酶K等的表达量均下调。当太子参连作发
生严重连作障碍现象时,可能反过来导致某些抗性相关蛋白的表达受影响,这可能是本研究结果显示的有些抗性
相关蛋白表达量下调的原因。这些抗性相关蛋白表达量下调,导致太子参抗性下降,又将导致更为严重的连作障
碍。所以有些抗性相关蛋白表达量下调与连作障碍互为因果关系。
202 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.6
图3 太子参连作障碍分子机理图
犉犻犵.3 犕狅犾犲犮狌犾犪狉犿犲犮犺犪狀犻狊犿狅犳犮狅狀狋犻狀狌狅狌狊犮狉狅狆狆犻狀犵狅犫狊狋犪犮犾犲犻狀犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪
302第19卷第6期 草业学报2010年
3.3 太子参连作障碍与植物病害或衰老相关蛋白
植物的衰老是受细胞特定基因控制的主动的细胞程序性死亡(programmedceldeath,PCD)的过程。人们
已分离出许多与衰老有关的基因(senescenceassociatedgenes,SAGs),如编码 RNase、蛋白酶、脂酶的基因
等[39]。植物衰老蛋白或植物衰老相关蛋白得到广大学者的重视。Ras是大鼠肉瘤(ratsarcoma,Ras)的英文缩
写。Ras蛋白是原癌基因犮狉犪狊的表达产物,相对分子质量为21kDa,属单体3磷酸鸟苷(GTP)结合蛋白,具有
弱的GTP酶活性。Ras蛋白的活性状态对细胞的生长、分化、细胞骨架、蛋白质运输和分泌等都具有影响,其活
性则是通过与GTP或2磷酸鸟苷(GDP)的结合进行调节。该蛋白与人和动物的癌症有关,医学界多有报道,但
是在植物中,Ras蛋白及狉犪狊基因目前鲜见报道。植物受到微生物侵染时体内会积累病程相关蛋白,已经报道过
的相关植物有烟草、水稻、小麦、玉米、番茄、大豆、菜豆(犘犺犪狊犲狅犾狌狊狏狌犾犵犪狉犻狊)等几十种植物[40]。本研究结果表明,
太子参连作与轮作相比,类似衰老相关蛋白、Ras癌相关蛋白、类似枯萎相关受体激酶、致病性相关蛋白、Ras相
关蛋白RHN1的表达量全部上调。连作导致太子参地上部分叶片发黄,产生严重的病害,提早退黄等。应用差
异蛋白质组学方法的研究结果从蛋白质水平解释了太子参连作导致这些相关现象的分子机理。但是,如上所述,
Ras蛋白及其相关蛋白在植物中鲜见报道,本研究的差异蛋白质查询结果显示有2种Ras相关蛋白,这方面可更
进一步深入研究。
3.4 太子参连作障碍与植物能量、细胞分裂等代谢相关蛋白
植物次生代谢中产生的小分子糖甙类化合物多是由尿苷二磷酸糖基转移酶类(UDPglycosyltransferase,
UDPGT,UGTs)催化完成的[41]。糖基转移酶是生物体中广泛存在的一大类酶,决定了糖甙键的形成,亦是自然
界中最具多样性的酶类之一,参与糖脂、糖蛋白、多糖和大量具有生物活性的次生代谢产物的生物合成[42,43]。另
一方面,糖基化作用在抑制和排除生物体一系列内生和外生有毒化合物的过程中非常重要。本研究结果表明,蔗
糖UDP葡萄糖基转移酶在连作太子参叶片中的表达量下调,这可以从分子水平解释太子参连作导致太子参品
质下降的现象,即连作与轮作的太子参药材品质相比,多糖和人参皂苷含量都显著降低。细胞核因子Y亚基5
(NFYB5)是转录因子,参与细胞循环以及分裂。太子参连作导致其表达量下调,说明连作将导致细胞转录水平
的损害,最终导致其连作障碍。
在高等植物中,细胞分裂素通过对细胞分裂与分化的调节而广泛参与了对植物生长发育的调控[44]。细胞分
裂素是一类重要的植物激素,它可在一定程度延缓植物的衰老[45]。本研究结果表明,细胞分裂素组氨酸磷光体
转移蛋白4在连作太子参中表达量上调,这可能是对太子参连作提前退黄衰老的抵抗性应答反应,也可能是连作
障碍导致代谢紊乱后的蛋白表达结果。
在植物中,3磷酸甘油醛脱氢酶在厌氧、热激、伤害以及能量供应中可能发挥着重要作用[46]。ATP合成酶广
泛存在于线粒体内膜或叶绿体内囊体上,参与氧化磷酸化或光合磷酸化,ATP合成酶的β亚基上有核苷酸结合
位点,结合位点具有催化ATP合成或水解的活性。本研究结果表明,ATP合成酶β亚基和NAD依赖3磷酸甘
油醛脱氢酶在连作太子参中表达量均上调,前者可能对ATP合成酶的合成或水解产生影响,从而影响太子参细
胞内的能量代谢,后者也可能与能量代谢有关。在连作障碍中发生的时候,可能需要通过能量补偿来帮植物渡过
难关。
蛋白酶1型β亚基具有依赖ATP的蛋白水解活性,对精氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、谷氨酸等氨基酸端
的肽段具有断裂能力,参与泛素的代谢。泛素是一种存在于大多数真核细胞中的小蛋白,其主要功能是标记需要
分解掉的蛋白质,使其被水解。本研究结果表明,蛋白酶1型β亚基在连作太子参中表达量上调,这可能是太子
参连作产生自毒作用,需要解毒而产生的应答反应。
综上所述,提出太子参连作障碍的分子机理如图3。可见太子参连作导致叶片致病性或衰老相关蛋白表达
量上调,是太子参连作病害频发和提前退黄的分子机理,连作还导致抗性相关蛋白以及能量代谢和细胞分裂相关
蛋白表达紊乱,重要的光合相关蛋白表达量也下调。
402 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.6
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犃狀犪犾狔狊犻狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻犪犾犲狓狆狉犲狊狊犻狅狀狅犳狆狉狅狋犲犻狀狊犻狀狉犲狆犾犪狀狋犻狀犵犱犻狊犲犪狊犲狅犳犘狊犲狌犱狅狊狋犲犾犾犪狉犻犪犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪
LINMaozi1,2,ZHANGZhixing1,LINZhengchun1,YOUChuihuai1,
ZENGLingjie1,LIN Wenxiong1
(1.InstituteofAgroecology,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China;
2.FuqingBranchofFujianNormalUniverisy,Fuqing350300,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thedifferentialproteomicsmethodwasusedtoanalyzethedifferentialexpressionofproteinsin
犘狊犲狌犱狅狊狋犲犾犾犪狉犻犪犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪leavestorevealthemolecularmechanismof犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪replantingdiseasein
a犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪-犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪-犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪croprotationorin犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪continuouscropping.
Therewere27differentialproteinspotsinthe2Dgelatinfromthe犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪leavesinboththecrop
rotationandthecontinuouscroppingsystems.Bioinformaticssearchessuccessfulyidentified24ofthe27pro
teinspots.Senescenceassociatedsimilarproteins,theRasrelatedprotein,thesenescencerelatedreceptorlike
kinases,thePRproteinsandtheRasrelatedproteinRHN1werealupregulated.Aloftheseproteinsare
relatedtoplantsenescenceordisease.Thephospholipidhydroperoxideglutathioneperoxidase,planttypeser
inethreonineproteinkinase,calciumdependentproteinkinase,chalconesynthase,andthioredoxinrelatedpro
teinswerealupregulated,whilethecel walglycinerichprotein,thehomologuetoSKP1,thezincfinger
protein,andthematuraseKwerealdownregulated.Theseproteinsarerelatedtoplantresistance.Boththe
ribulose1,5bisphosphatecarboxylase/oxygenaselargesubunitandthecytochromeb6 weredownregulated,
andtheribulosebisphosphatecarboxylasesmalchaincandthecytochromeb6/fcomplexsubunitVIwere
upregulated.Theseproteinsarerelatedtophotosynthesis.ThesucroseUDPglucosyltransferaseandtheNF-
YB5weredownregulated,andtheproteasomesubunitbetatype1,thesynthasebetasubunit,thecytokinin
histidinephosphotransferprotein4andtheNADdependentglyceraldehyde3phosphatedehydrogenasewereal
upregulated.Theseproteinsarerelatedtoplantmetabolismofenergyorceldivision.Itsuggestedthatin犘.
犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪replantingdisease,upregulatedexpressionofproteinsassociatedwithsenescenceordiseasere
sultsindisturbedexpressionsofproteinsrelatedtoplantresistanceortoenergymetabolismorceldivision.
Thecontinuousplantingof犘.犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪resultedindownregulatedexpressionoftheimportantphotosyn
thesisrelatedproteins,explainingthemolecularbasisforthedecliningphotosynthesisrateinreplanted犘.犺犲狋
犲狉狅狆犺狔犾犾犪.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犘狊犲狌犱狅狊狋犲犾犾犪狉犻犪犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犾犪;replantingdisease;differentialproteomics;molecularmechanism
702第19卷第6期 草业学报2010年