全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2016, 42(5): 696705 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(31160302, 31460375)和呼和浩特市科技计划项目(2012-重计-8-2)资助。
This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31160302, 31460375) and the Science and Technology Plan
Projects of Hohhot (2012-major plans-8-2).
* 通讯作者(Corresponding author): 逯晓萍, E-mail: lxpnmnd@126.com
第一作者联系方式: E-mail: hanpingan327@163.com
Received(收稿日期): 2015-09-07; Accepted(接受日期): 2016-01-11; Published online(网络出版日期): 2016-02-18.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160218.1503.010.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2016.00696
基于蛋白质组学的高丹草苗期杂种优势分析
韩平安 1 逯晓萍 1,* 米福贵 2 张瑞霞 3 李美娜 3 薛春雷 1
董 婧 1 丛梦露 1
1内蒙古农业大学农学院, 内蒙古呼和浩特 010019; 2内蒙古农业大学生态环境学院, 内蒙古呼和浩特 010019; 3呼和浩特市种子管理
站, 内蒙古呼和浩特 010020
摘 要: 高丹草是代表性的利用杂种优势的饲用牧草, 本研究以杂种高丹草及其亲本三叶期叶片为试材, 采用双向
电泳、质谱技术及生物信息学分析方法, 进行了蛋白质组学研究。凝胶上检测到的可重复蛋白点 400多个, 其中杂种
与亲本间达到了显著水平的差异蛋白点 34 个, 包括显性(单亲沉默 3个, 偏高亲表达 17个, 偏低亲表达 5个)和超显
性表达(特异表达 1个, 超高亲表达 6个, 超低亲表达 2 个)模式, 因此推测显性和超显性效应共同促进高丹草杂种优
势的形成, 且显性效应作用更大。同时, 成功鉴定出其中的 27 个蛋白点涉及到 8 个功能类别, 即光合作用、碳水化
合物代谢、胁迫响应、ATP 合成、蛋白质合成、电子转移、信号转导及未知蛋白。高丹草所占比例最大的光合蛋白
多数呈上调表达, 表明杂种叶片光合作用增强进而同化更多的有机物是杂种优势形成的主要原因。网络互作的关键
节点蛋白为杂种优势特异蛋白的基因操作提供了靶蛋白。本研究在蛋白质水平为高丹草杂种优势分析提供了理论依
据, 也为其他饲草作物的相关研究提供了理论参考。
关键词: 高丹草; 叶片; 杂种优势; 蛋白质组
Analysis of Heterosis in Sorghum-Sudangrass Hybrid Seedlings Based on Pro-
teomics
HAN Ping-An1, LU Xiao-Ping1,*, MI Fu-Gui2, ZHANG Rui-Xia3, LI Mei-Na3, XUE Chun-Lei1, DONG Jing1,
and CONG Meng-Lu1
1 College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China; 2 College of Ecology and Environmental Science, Inner
Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China; 3 Hohhot Seed Management Station, Hohhot 010020, China
Abstract: Sorghum-sudangrass hybrids are typically used for studying heterosis in forage crops. In this study, we carried out pro-
teomic research on sorghum-sudangrass hybrids and their parents at the three-leaf stage by two dimensional electrophoresis-based
proteomics and bioinformatic methods. More than 400 protein spots were detected, in which 34 proteins showed significant dif-
ferences between hybrid and parents in expression, including dominant expression (showing three single-parent silent, seventeen
high-parent and five low-parent expression) and overdominant expression (showing one hybrid-specific, six above-high-parent,
two below-low-parent expression). Thus, we speculated that dominant and overdominant effects play key roles, and dominant
effect is a major factor in the formation of heterosis in sorghum-sudangrass hybrid. Moreover, 27 out of 34 proteins were related
to eight functional categories, i.e., photosynthesis, carbohydrate metabolism, stress response, ATP synthesis, protein synthesis,
electron transfer, signal transduction and unknown. The up-regulated photosynthetic proteins were the biggest category, which
indicates that photosynthesis in the leaves of sorghum-sudangrass hybrid is enhanced resultig in producing more organic matter,
so that showing heterosis. The identified key node proteins in the interaction networks were the potential target proteins for future
genetic manipulation of the specific proteins of heterosis. Our findings provide a theoretical basis on heterosis analysis of sor-
ghum-sudangrass hybrids, which is potentially useful for other forage plants.
第 5期 韩平安等: 基于蛋白质组学的高丹草苗期杂种优势分析 697


Keywords: Sorghum-sudangrass hybrid; Leaves; Heterosis; Proteomics
高丹草(Sorghum bicolor × S. sudanense)为高粱
(Sorghum bicolor L.)与苏丹草 [Sorghum sudanense
(Piper) Stapf]杂交产生的一年生禾本科饲用牧草 ,
综合了亲本的诸多优点, 产草量高, 分蘖和再生性
好, 抗非生物胁迫(干旱、盐碱、低温)能力强, 草质
柔软, 深受牛羊的喜爱, 在生产中具有广泛的应用
前景[1-2]。高丹草是非常典型的利用杂种优势的饲草
作物, 然而关于杂种优势分子机制仍然没有一致性
的解释。杂种优势最早期的经典理论主要是显性假
说[3-4]、超显性假说[5-6]和上位性假说[7-8], 这些假说
虽然都有足够的证据支持, 但仅仅是概念性的理论,
不能在分子水平解释杂种优势。
近年来, 已分别在基因组、转录组以及蛋白质
组水平上大量研究不同作物杂种优势的分子机制。
众多研究成果表明加性表达、非加性表达以及表观
遗传对杂种优势有促进作用。Stupar和Springer[9]对
玉米亲本和F1的幼穗和胚研究显示, 杂种与亲本间
基因差异表达模式中80%的基因为加性表达模式 ,
20%为非加性表达, 且数据表明亲本的顺式作用因
子的变化导致F1的加性表达。Zhang等 [10]认为小
RNA是超级稻杂种优势的重要调控因子。另外, 有
相关报道表明, DNA甲基化在杂种优势形成上起重
要作用[11-12]。
蛋白质组学的迅速发展为解析杂种优势的分子
机理提供了新方法。目前, 基于凝胶的蛋白质组学
技术已在很多作物上进行了杂种优势形成机理的研
究。Song等[13-14]先后利用双向电泳结合串联质谱技
术对小麦的根、叶蛋白质组学分析发现, 杂种与亲
本的蛋白丰度存在显著差异, 且这些差异蛋白涉及
碳水化合物代谢、信号转导、能量代谢、胁迫响应
等多种功能类别, 可能与杂种优势形成相关。Wang
等[15]对杂交稻以及亲本成熟胚的蛋白质组学分析显
示, 54个差异表达蛋白分别参与营养储存、胁迫响
应、代谢等生物学通路, 并且杂种储藏蛋白为超高
亲表达, 胁迫响应蛋白为加性表达, 这些研究成果
为分析杂种优势提供了参考。进茜宁等[16]对先玉335
及其亲本胚芽的差异蛋白质组学分析表明, 杂种的
蛋白点中有81%是非加性表达, 推测非加性蛋白的
累积是胚芽杂种优势形成的主要原因。郭宝健等[17-18]
分别以玉米杂交种及其亲本自交系的苗期叶片, 雌
穗花器官为试验材料, 利用双向电泳结合串联质谱
技术成功建立了玉米幼叶、幼穗的差异蛋白表达谱,
且杂种与亲本的差异蛋白涉及多个功能类别, 推测
与杂种优势形成相关。因而, 运用蛋白质组学技术
研究杂种优势的分子机制受到了广大科研工作者的
青睐。然而, 在蛋白质水平上研究高丹草杂种优势
的分子机制还未见报道。本研究利用双向电泳结合
质谱鉴定的方法对高丹草及其亲本苗期叶片的杂种
模式进行定量分析, 通过鉴定差异蛋白旨在深入地
剖析高丹草杂种优势形成的分子机制, 为杂种优势
遗传理论研究积累资料。
1 材料与方法
1.1 试验材料
杂交种高丹草 F1 (11A×Bai)及其母本(高粱不育
系11A)和父本(苏丹草 Bai)由内蒙古农业大学遗传
育种教研室提供。
1.2 试验方法
1.2.1 高丹草苗期农艺性状的测定 将所有试验
材料的种子分为 3批, 作为 3个生物学重复, 在光照
培养箱中于 28℃催芽 24 h, 砵然后将其种在育苗 里
放进光照培养箱, 于为 28℃光培养 16 h, 25℃暗培
养 8 h, 在三叶期收获叶片, 同时对每个生物学重复
的所有基因型随机选取 10 株, 测量第 3 片叶的叶
长、叶宽、株高、以及 10株的鲜重、干重, 并计算
各性状的中亲优势。中亲优势( MPH)% = ( F1 – 双亲
平均)/双亲平均×100。将所有收集的试验材料立即在
液氮里固定后放于–80℃冰箱保存待用。
1.2.2 高丹草叶片总蛋白的提取 参照 Ajit等[19]
和 Han 等[20]方法并加以改进提取高丹草叶片总蛋
白。将每个试验材料的 3 个生物学重复的叶片等量
混合后称取 1 g, 剪碎放入研钵中, 加液氮磨成粉末
后加入 10 mL裂解缓冲液(LB, 含 8 mol L–1 尿素, 2
mol L–1硫尿, 4% CHAPS, 20 mmol L–1 Tris-base, 30
mmol L–1二硫苏糖醇, 2%两性电解质 pH 4~7), 混合
的匀浆经超声处理后, 在冰上裂解 1 h, 在 25 000×g,
4℃条件下离心 30 min取上清液, 将预冷的 3倍体积
的丙酮加入上清液, 放 4℃冰箱沉淀除盐 2 h, 随后
离心 15 min (25 000×g, 4℃), 所得沉淀在同样条件
下用冷丙酮洗涤 2次, 弃去上清液, 收集沉淀, 经室
温干燥后加 LB 使其完全溶解, 所得溶液即为蛋白
样品。采用考马斯亮蓝法测定蛋白样品浓度后分装,
698 作 物 学 报 第 42卷

置–80℃超低温冰箱保存备用。
1.2.3 双向电泳 每个样品的蛋白双向电泳分析
均进行 3 次技术重复, 且上样量均为 800 μg, 采用
pH 4~7, 17 cm非线性 IPG胶条(Bio-Rad)。20℃条件
下, 第一向等电聚焦程序设置为: 50 V主动水化 14
h, 250 V线性 30 min, 1000 V快速 30 min, 9000 V线
性 5 h, 9000 V快速 9000 Vh。等电聚焦结束后, 将
IPG胶条在平衡液 I (0.375 mol L–1 Tris-HCl (pH 8.8),
6 mol L–1尿素, 20%甘油, 2%SDS, 2%DTT)、平衡液
II [0.375 mol L–1 Tris-HCl (pH 8.8), 6 mol L–1尿素,
20%甘油 , 2%SDS, 2.5%碘乙酰胺]中先后平衡 15
min, 然后配制 12%的 SDS-PAGE 凝胶对平衡后的
IPG胶条进行第二向分离。待电泳结束后, 将凝胶于
G-250考马斯亮蓝染液中染色 12 h。
1.2.4 凝胶图像处理 用 UMAX Powerlook
(2100XL-USB)扫描仪扫描采集图像, 分辨率为 300
dpi。利用 Progenesis SameSpots (Nonlinear Dynamics,
British)软件处理分析图像。
1.2.5 差异蛋白的表达模式 用 SameSpots 软件
分析杂种高丹草与亲本间蛋白丰度的表达差异。每
个品种 3个重复, 蛋白点丰度变化在 1.5倍以上被认
为是差异蛋白点, 以 t 测验(P<0.05)鉴定杂种与亲本
间的差异表达模式。根据郭宝健等[17]和 Hoecker等[21]
的研究将差异表达模式分为质和量的模式。质的差
异表达模式为杂种特异表达和单亲沉默。量的差异
表达模式即 4 种为超高亲表达( 在杂种和双亲都表
达, 且杂种表达量高于高表达的亲本); 超低亲表达
(在杂种和双亲都表达, 且杂种表达量低于低表达的
亲本); 偏高亲表达(在杂种和双亲中都表达 , 且杂
种表达量与低亲表达量差异显著, 与高亲表达量差
异不显著 ); 偏低亲表达 (在杂种和双亲中都表达 ,
且杂种表达量与高亲表达量差异显著, 与低亲表达
量差异不显著)。
1.2.6 胶内酶解 用枪头尖端挖取差异蛋白凝胶
置离心管, 用超纯水清洗 2次干燥的胶粒, 加入 100
mmol L–1碘乙酰胺 125 μL完成烷基化反应, 避光室
温反应 1 h。加入 Trypsin酶以 1∶50酶/蛋白的比例
37℃消化 14 h。之后加入 1 μL 甲酸终止酶切反应,
真空干燥浓缩肽段, 每个样品加入 0.1%的甲酸 60
μL重新溶解, 用于质谱分析。
1.2.7 差异蛋白的质谱鉴定 使用 Agilent
Technologies 6520 Q-TOF LC/MS进行肽质量指纹图
谱鉴定, 得到的数据导入 Peaks 7.0 (Bioinformatics
Solutions Inc., Waterloo, Canada)软件中进行搜库分
析, 所用数据库 2014年 11月下载于 NCBI中, 物种
为玉米(Zea mays), 非冗余序列共 66 024条, 搜库参
数设置如下 , 未水解的酶切位点数 (max missed
cleavages)最多允许 1 个不完全裂解位点; 固定修饰
(fixed modifications)为脲甲基化[carboxymethyl (C)];
可变修饰 (variable modifications)为氧化 [oxidation
(M)]; 肽片段质量数最大容许误差范围(peptide mass
tolerance)为±50 mg L–1; 二级质谱最大误差范围
(MS/MS tolerance)为±0.05 Da, 若鉴定肽段覆盖率
大于 10%, 则认为搜库结果可信。
1.2.8 生物信息学分析 通过搜索Uniprot (http://
www.uniprot.org/)数据库, 拟南芥数据库获得的结果,
按其参与的生物学进程对鉴定的差异蛋白分类。利
用Cluster 3.0软件对已鉴定蛋白质进行表达量的聚
类分析。使用GeneMania (http://genemania.org/)对已
鉴定的差异蛋白进行网络互作预测分析。
2 结果与分析
2.1 农艺性状测量
产量是杂种优势的主要指标, 而叶长、叶宽、
株高、鲜重、干重又是构成产量的主要因素, 因此,
在三叶期(图1)测量杂种高丹草及其亲本的各项农艺
性状, 对各指标进行单因素方差分析, 并计算中亲
优势。结果(图2)表明杂种高丹草与亲本间的差异均
达到了显著水平(P<0.05), 且叶长、叶宽、株高、鲜
重、干重的中亲优势分别为33.73%、41.82%、25.63%、
31.19%和28.15%, 说明高丹草叶片具有明显的杂种
优势。
2.2 高丹草与亲本的差异蛋白表达谱
双向电泳图谱中每张凝胶可以检测到的蛋白点
至少为 400 个。其中有 34 个蛋白点(图 3)在杂种与
亲本间差异达到了显著水平(P<0.05)。进一步分析发

图 1 高丹草与亲本在三叶期的表型特征
Fig. 1 Phenotype of three-leaf stage sorghum-sudangrass
hybrid and parents
第 5期 韩平安等: 基于蛋白质组学的高丹草苗期杂种优势分析 699



图 2 高丹草及其亲本苗期杂种优势分析
Fig. 2 Heterosis at seeding stage of sorghum-sudangrass hybrid and its parents
A: 高丹草与亲本各项指标的方差分析; B: 高丹草与亲本各项指标的中亲优势值。
A: variance analysis of agronomic traits of sorghum-sudangrass hybrid and parents: B: mid-parent heterosis of sorghum-sudangrass hybrid
and parents. Bars superscripted by different letters are significantly different at P < 0.05.

图 3 高丹草与亲本叶片差异蛋白表达谱
Fig. 3 Differential protein expression profile of leaves of sorghum-sudangrass hybrid and its parents

现, 杂种高丹草与亲本间的差异蛋白表达模式中质
的差异为4个, 量的差异为30个。且特异表达为1个,
单亲沉默为3个, 偏高亲所占比例最高17个, 超高亲
6个, 偏低亲5个, 超低亲2个(图4)。
2.3 差异蛋白的质谱鉴定与功能分类
挖取凝胶上定量分析后的所有差异蛋白点并进
行质谱鉴定, 27个差异蛋白点被成功鉴定(表 1)。为
进一步确定差异蛋白的功能, 按照生物学进程进行
功能分类(图 5和表 1), 27个差异蛋白共涉及 8个功
能类别, 表达类别最多的蛋白为光合作用相关的蛋
白(8个), 其次是碳水化合物代谢相关蛋白(5个), 胁
迫响应相关蛋白为 3个, ATP合成蛋白 3个, 蛋白质
合成 2个, 电子转移 2个, 信号转导 1个, 另外还有
未知蛋白 3个。
2.4 已鉴定的差异蛋白的表达量聚类分析
高丹草及其亲本中的差异蛋白质表达量的聚类
分析(图 6)表明, 差异蛋白主要为两大类, 一类是在

图 4 差异蛋白的表达模式.
Fig. 4 Pattern of differentially expressed protein between
sorghum-sudangrass hybrid and its parents
HSE: 杂种特异表达; SPSE: 单亲沉默表达; HPE: 偏高亲表达;
AHPE: 超高亲表达; LPE: 偏低亲表达; BLPE: 超低亲表达。
HSE: hybrid-specific expression; SPSE: single-parent silent ex-
pression; HPE: high-parent expression; AHPE: above-high-parent
expression; LPE: low-parent expression; BLPE: below-low-parent
expression.
700 作 物 学 报 第 42卷


图 5 差异蛋白的功能分类
Fig. 5 Functional categories of the differentially expressed proteins

高丹草相对于亲本表达量上调的蛋白质, 主要涉及
光合作用, 碳水化合物代谢, 胁迫响应, ATP合成。
另一类是高丹草中相对于亲本表达量下调的蛋白质,
主要是电子转移类蛋白。
2.5 差异蛋白的互作网络分析
在一个活细胞里, 蛋白质执行其功能时并不是
孤立的, 而是在一个网络环境下协同作用的。因此,
我们通过 GeneMANIA 对鉴定的差异蛋白生成互作
网络图, 以期在高丹草叶片杂种优势中找到关键的
节点蛋白。结果显示, 被识别的蛋白基于蛋白质间
的互作形成了2个功能群(图7), 分别涉及光合作用、
电子转移。表达最多的功能群是与光合作用相关的
蛋白, 涉及7个蛋白, 电子转移涉及2个蛋白。

表 1 已鉴定的 27个蛋白的相关信息
Table 1 Relevant information of twenty-seven proteins identified
点号
Spot No.
蛋白名
Protein name
登录号
Accession No.
得分
–10 lg P
覆盖率
Coverage
(%)
表达模式
Expression
pattern
光合作用蛋白 Photosynthetic proteins
1 叶绿体氧不断变化的增强蛋白 2
Oxygen-evolving enhancer protein 2 chloroplastic
gi|670422154 148.59 18 + +
2 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶大亚基(叶绿体)
Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase large subunit (chloroplast)
gi|11467200 180.09 21 t
20 类囊体腔 19 kDa蛋白 Thylakoid lumenal 19 kDa protein gi|226491484 254.41 42 – –
4 捕光叶绿素 a/b结合蛋白 5前体
Light harvesting chlorophyll a/b binding protein5 precursor
gi|670435961 174.49 36 +
5 二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶活化酶叶绿体的前体
Ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase activase chloroplastic precursor
gi|162458161 237.18 24 +
6 Oil yellow1 gi|162462537 196.59 43 +
11 叶绿素 a/b结合蛋白 6A Chlorophyll a/b binding protein 6A gi|226503327 209.06 11 +
8 叶绿体 psbP蛋白 2 pPbP-like protein 2 chloroplastic gi|670362987 184.95 29 +
碳水化合物代谢相关蛋白 Proteins related to carbohydrate metabolism
7 叶绿体的甘油醛-3-磷酸脱氢酶 B
Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase B chloroplastic
gi|670361848 261.67 50 +
10 磷酸甘油酸激酶 Phosphoglycerate kinase gi|226530482 231.01 33 + +
19 细胞质的苹果酸脱氢酶 Malate dehydrogenase cytoplasmic gi|162464321 228.47 38 +
12 细胞溶质磷酸丙糖异构酶 Triosephosphate isomerase cytosolic gi|226495391 165.12 28 +
17 天冬氨酸转氨酶 Aaspartate aminotransferase gi|226508814 154.29 35 + +
胁迫响应相关蛋白 Proteins involved in stress response
26 细胞溶质的 L-抗坏血酸过氧化物酶 1 L-ascorbate peroxidase 1 cytosolic gi|670439871 161.33 34 d
15 乙二醛酶 1 Glyoxylase1 gi|162461576 170.06 34 –
16 谷胱甘肽-S-硫转移酶 1 Glutathione S-transferase 1 gi|162460886 105.85 38 +
ATP合成相关蛋白 Proteins involved in ATP synthesis
13 ATP合酶 γ亚基叶绿体前体
ATP synthase subunit gamma chloroplastic precursor
gi|226533016 162.82 21 + +
18 ATP合酶 CF1β亚基(叶绿体) ATP synthase CF1 beta subunit (chloroplast) gi|11467199 184.99 30 +
9 ATP合酶 CF1α亚基(叶绿体) ATP synthase CF1 alpha subunit (chloroplast) gi|11467189 299.22 62 +
第 5期 韩平安等: 基于蛋白质组学的高丹草苗期杂种优势分析 701


(续表 1)
点号
Spot No.
蛋白名
Protein name
登录号
Accession No.
得分
–10 lg P
覆盖率
Coverage
(%)
表达模式
Expression
pattern
蛋白质合成相关蛋白 Proteins involved in protein synthesis
3 质体-特异的 30s核糖体蛋白 2 Plastid-specific 30S ribosomal protein 2 gi|670436706 222.04 49 +
27 延伸因子 Tu Elongation factor Tu gi|226530383 117.56 21 +
电子转移相关蛋白 Proteins related to electron transfer
24 铁氧化还原蛋白同工酶 X1 Ferredoxin isoform X1 gi|226533248 184.68 35 –
22 电子载体/电子运输/铁离子结合蛋白
Electron carrier/ electron transporter/ iron ion binding protein
gi|226508704 307.6 55 –
信号转导相关蛋白 Proteins related to signal transduction
23 Remorin gi|259490269 182.54 66 +
未知蛋白 Unknown proteins
25 假定蛋白 Hypothetical protein gi|226506316 163.89 50 + +
14 非特征蛋白 LOC100272933前体
Uncharacterized protein LOC100272933 precursor
gi|226504688 161.66 41 d
21 LOC100285843 gi|226493090 172.69 26 –
+ +代表超高亲表达; +代表偏高亲表达; – –代表超低亲表达; –代表偏低亲表达; t代表杂种特异表达; d代表单亲沉默表达。
+ + indicates above-high-parent expression; + indicates high-parent expression; – – indicates below-low-parent expression; – indicates
low-parent expression; t indicates hybrid-specific expression; d indicates single-parent silent expression.

图 6 差异蛋白聚类分析
Fig. 6 Clustering analysis of differentially expressed proteins
3列分别代表 3种基因型( Bai, 11A, F1), 行代表单个蛋白, 左侧是对蛋白质聚类, 右侧是蛋白名称, 红色代表上调表达, 绿色代表下调
蛋白。右边彩条的颜色强度代表不同蛋白表达量的变化
The columns represent three genotypes (Bai, 11A, F1), the rows represent the individual protein. The protein cluster is on the left side. The
name of protein is on the right side, the up- or down-regulated proteins are indicated in red and green, respectively. The intensity of the colors
increases with increasing expression level as noted on the colorbar on the right side.
702 作 物 学 报 第 42卷


图 7 差异蛋白的蛋白互作网络(不同颜色代表不同种类)
Fig. 7 Interaction network of differentially expressed proteins (color codes represent different functional protein groups)

3 讨论
杂种优势广泛应用在增加作物产量, 提高作物
品质等诸多方面, 高丹草表现突出的杂种优势, 如
产草量高, 饲用品质好, 在畜牧业中广泛应用。为更
好地理解高丹草杂种优势形成的分子机制, 我们建
立了高丹草叶片三叶期的差异蛋白表达谱, 共检测
到差异蛋白34个, 包括单亲沉默、偏高亲、偏低亲、
特异表达、超高亲、超低亲等差异表达模式。其中
差异蛋白表现为单亲沉默, 偏高亲, 偏低亲可认为
是显性效应(25个), 表现为特异表达, 超高亲, 超低
亲被认为是超显性效应(9个), 由此, 我们推测显性
效应与超显性效应共同作用, 促进高丹草叶片杂种
优势的形成[17]。功能分类和互作网络分析表明增强
的光合作用是杂种优势形成的主要因子。
3.1 光合作用相关蛋白
光合作用为植物的生长和发育提供能量和有机
物, 是作物产量形成的基础[22]。在本研究中, 8个差
异显著的蛋白与光合作用相关, 1,5-二磷酸核酮糖羧
化酶/加氧酶大亚基(Rubisco)是非常重要的酶, 在叶
绿体中合成, 结合小亚基形成全酶。Rubisco是光合
作用中催化光合碳循环和光呼吸的第一个酶 , 且
Rubisco 含量丰富也是光合作用的限速酶。Rubisco
在高丹草叶片的特异性表达说明杂种在光合作用中
碳的固定与光呼吸的氧化能力上具有超强的优势 ,
可能通过高效的光合作用同化更多的有机物来增加
高丹草的产量。捕光叶绿素 a/b 结合蛋白与色素形
成色素蛋白复合体, 该复合体能捕获光能并把能量
迅速传到反应中心促进光化学反应[23]。其在光系统
I 和光系统 II 之间激发能量的分配和光保护等过程
中具有非常重要的调节作用[24]。捕光叶绿素 a/b 结
合蛋白 5和叶绿素 a/b结合蛋白 6A均是偏高亲表达,
推测杂种相对于亲本具有更高的光捕获转化能力 ,
更好的能量分配与光保护能力。氧不断变化的增强
蛋白 2 (点 1)对维持光系统 II的稳定性以及确保植物
正常光合作用起着关键性作用。本研究的结果显示,
蛋白点 1 的超高亲表达说明高丹草可能有更高效的
光合作用。PsbP蛋白是光系统 II的外在组分, 它连
同 PsbO和 PsbQ两个亚基构成放氧复合物的腔内组
分 [25], 本研究中 PsbP 蛋白的同源蛋白 PsbP-like
protein 2 (点 8)为偏高亲表达, 另外还有 2个光合蛋
白(点 5和点 6)也是偏高亲表达模式。这些蛋白都明
显地证明高丹草比其亲本具更强的光合作用, 这在
很大程度上解释了其高产的原因。
3.2 碳水化合物代谢相关蛋白
碳水化合物是大多数有机体内最丰富的有机产
物, 同时也是化学能的主要来源[26]。本研究中的碳
水化合物代谢相关蛋白主要涉及糖酵解和三羧酸循
环途径。三磷酸甘油醛脱氢酶、磷酸甘油酸激酶、
第 5期 韩平安等: 基于蛋白质组学的高丹草苗期杂种优势分析 703


磷酸丙糖异构酶是糖酵解途径的关键酶, 这 3 种酶
表现出了明显的上调表达, 说明杂种高丹草增强的
糖酵解途径可以产生更多的能量以满足其生长发育
的高能量需求。三羧酸循环是主要的能量代谢通路,
负责呼吸底物的氧化以合成 ATP[27]。苹果酸脱氢酶
(MDH)是生物糖代谢的关键酶之一, 催化苹果酸与
草酰乙酸之间的可逆转换, 在本研究中检测到MDH
(点 19)偏高亲表达。天冬氨酸转氨酶(点 17)催化天
冬氨酸产生草酰乙酸, 从而会影响高丹草的能量代
谢系统, 蛋白点 17的超高亲表达会催化产生更多的
草酰乙酸, 为三羧酸循环高效进行提供更多的中间
介质, 这将有助于促进高丹草杂种优势的形成。
3.3 胁迫响应相关蛋白
环境胁迫是全球作物生产的主要限制条件, 每
年导致主要农作物的平均产量损失达50%以上 [28],
所以胁迫响应蛋白在农业生产中扮演着重要的角
色。谷胱甘肽-S-转移酶(GST)是典型的胁迫响应蛋
白, 大量研究表明, GST 在植物体内的表达能够有
效增强植物对干旱、低温、高盐、重金属等多种非
生物胁迫的抵抗能力[29-32]。在本研究中 GST 1偏高
亲表达, 可以推测杂种对环境胁迫的抵抗能力高于
亲本, 为机体正常代谢活动提供了更稳定的系统。
L-抗坏血酸过氧化氢酶(点26)和乙二醛酶1 (点15)是
另外2个参与胁迫响应的蛋白 , 抗坏血酸过氧化氢
酶主要是参与清除植物体内的过氧化氢, 对维持生
物体正常的生理功能尤为重要[33]。蛋白点26为单亲
沉默表达, 可以将其归为显性表达, 点26在高丹草
中的显性表达大大减少了活性氧的积累对植物体造
成的伤害。乙二醛酶有效去除体内 α-羰基醛毒性,
对生物体有极大的保护作用, 而蛋白点15的表达是
偏低亲表达模式, 还需对其进行更深入的研究。
3.4 ATP合成相关蛋白
ATP合酶是生物体内能量代谢的关键酶, 并参
与氧化磷酸化与光合磷酸化反应, ATP是机体生命活
动的主要能量来源, ATP合酶利用质子转运形成的跨
膜质子动力势催化光合磷酸化的末端反应, 将ADP
和无机磷Pi合成ATP [34-35]。在本研究中检测到 3 个
ATP合酶, 叶绿体ATP合酶CF1 亚基有和两种形
式, 均为偏高亲表达模式, ATP合酶gamma亚基为超
高亲表达模式。ATP合酶在杂种高丹草叶片的高亲
或者超高亲的表达模式, 也许可以表明随着质子流
入叶绿体 , 杂种有更高的光合速率 , 创造更多的
ATP产物, 因此能更好地满足叶片生长发育对能量
的需求[36]。
3.5 其他种类的蛋白
除上述功能类蛋白外还有一些重要的差异表达
蛋白分别涉及蛋白质合成、电子转移和信号转导。
核糖体蛋白在细胞内参与蛋白质生物合成中发挥着
重要作用, 研究表明核糖体蛋白与细胞的分化和发
育有关[37], 30S 核糖体蛋白在高丹草的偏高亲表达
说明其增强的蛋白质合成促进杂种优势的形成。与
电子转移相关的蛋白点 24、25均参与铁硫蛋白代谢
的电子转移, 且在子代为偏低亲表达模式。蛋白点
23 是唯一一个与信号转导相关的差异蛋白, 它的偏
高亲表达模式可能说明杂种子代的信号传导比较灵
敏, 更容易完成生命活动中信号网络的传递。
4 结论
成功建立了高丹草及其亲本的差异蛋白表达谱,
检测到差异蛋白34个, 包括显性(单亲沉默、偏高亲、
偏低亲)和超显性(特异表达、超高亲、超低亲)表达
模式。显性和超显性效应共同形成杂种优势, 而显
性效应的贡献更大。在成功鉴定的27个差异蛋白中,
共涉及8个功能类别, 其中光合蛋白最多。其中叶绿
体氧不断变化的增强蛋白2为超高亲表达, 1,5-二磷
酸核酮糖羧化酶/加氧酶大亚基呈杂种特异表达, 其
他光合蛋白也多数为偏高亲表达模式。杂种光合作
用的增强表明其子代同化有机物能力增强, 能有效
维持植物的生长发育, 这可能是产生杂种优势的最
主要原因。
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