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Progress in proteomics of plants in response to pathogen

植物响应病原菌胁迫的蛋白质组学研究进展



全 文 :广 西 植 物 Guihaia 29(6):758— 762 2009年 l1月
植物响应病原茵胁迫的蛋白质组学研究进展
赵大伟,范海延 ,武春飞,杨 凯
(沈阳农业大学 生物科学技术学院,沈阳 110161)
摘 要 :随着拟南芥 、水稻等模式植物基因组测序的完成,植物基因组学的研究重点已经转变为功能基因组
学研究。蛋白质组学成为后基因组时代的重要研究手段,它有助于从分子水平上了解植物功能。主要介绍了
双向电泳技术、生物质谱、蛋白质质谱数据的生物信息学分析等蛋白质组学研究的主要技术手段及植物应答
病原菌胁迫的蛋 白质组学研究进展,并对蛋 白质组学在研究植物抗病机制方面的应用前景做出展望。
关键词 :植物 ;蛋白质组学;病原菌
中图分类号:Q945.8 文献标识码:A 文章编号:1000—3142(2009)06—0758—05
Progress in proteomics 0f plants
in response to pathogen
ZHA0 Da-W ei,FAN Hai-Yan ,W U Chun-Fei,YANG Kai
(College of Bioscience and Technology,Shenyang Agricultural University,Shenyang 1 10161,China)
Abstract:With the completeness of the two model plants(Arabidopsis and rice),genomic sequencing project,the em—
phasis of plant genomic research has focused on functional genome research.Proteomics is one of the most active re—
search fields in the post—genomic era,which helps US to understand the function of molecule of plant.The main re—
search methods of proteomics,such as two-dimensional electrophoresis,mass_spectromet“c,protein database and
bioinformatics software and its application in the interaction between pathogen and plant were briefly introduced in
this paper,and the prospects of plant proteomics related to the resistance of disease were discussed.
Key words:plant;proteomics;pathogen
植物在生长发育过程 中会遇到各种生物胁迫,
如当植物受到病原菌侵害时 ,体 内蛋白质的表达会
改变来完成信号的感应 、传递 ,引起植物相应的反应
机制 ,蛋白质组是动态的,有时空性和可调节性 (刘
丽杰等,2007),因此 ,对蛋 白质组的研究有助于人们
全面了解植物病害的发生与寄主抗病机制。蛋 白质
组学技术不仅能确定直接 的防御相关 因子,还能揭
示寄主能量代谢、信号传导等与防御反应 的关系,使
人们获得植物一病菌互作的全息景象。同时,应用
蛋白质组技术可以标记植物在生物胁迫条件下特异
表达的蛋白质并进行鉴定,发现许多与生物逆境相
关的蛋白质,为植物抗病基因的发现提供新线索。
蛋白质分离技术、鉴定技术和数据分析技术是
蛋白质组研究的三大技术 。蛋 白质的分离技术将混
合蛋白质分离成单一蛋白质以简化复杂蛋白质混合
物,比较不同样品的蛋 白质的不同表现。高通量 的
生物质谱能快速大量地测定蛋 白质的精确质量和肽
序列。生物信息学软件采用特定的算法将质谱数据
与蛋白质 、表达序列标签 (EST)和基因组序列数据
库的数据相 比对 ,根据匹配情况鉴定蛋白质。本文
将对蛋白质组研究技术及植物响应病原菌胁迫的蛋
白质组学研究进展作以综述。
收稿 日期 :2009 02-06 修 回 日期 :2009—05—08
基金项 目:国家自然科学基金(30700542);辽宁省教育厅课题(2008624)[Supported by the National Natural Science Foundation of China(30700542)]
作者简介:赵大伟(1978一).男(满族),辽宁凤城人,博士,副教授,从事植物蛋白质组学研究 ,(E-mail)hyfan@163.tom。
通讯作者(Author for coresp0ndence,E-mail:hyfan@1 63.corn)
6期 赵大伟等 :植物响应病原菌胁迫的蛋白质组学研究进展 759
1 蛋白质组学研究的主要技术
1.1蛋白质分离技术一双向凝胶电泳
虽然 目前蛋白质组学技术发展很快 ,如毛细管
等电聚焦、多维色谱、微流芯 片等技术均已建立 ,但
双向电泳仍然是 目前蛋白质组学研究的主要分离方
法。双向凝胶电泳(2一DE)的高分辨率、高重复性和
微量制备的性能是其它分离方法所不能匹敌的。但
2-DE也存在一定的不足 ,应该通过一些实验手段来
改善。如:(1)许多较大的疏水性蛋白质由于其本身
的低溶解度导致蛋 白质沉淀和聚集 ,在凝胶上显示
为横越分子质量区域的条纹 。可通过使用不同强度
和不同比例搭配的变性剂和表面活性剂 ,并进行分
步溶解,以获得更多的蛋 白质 。(2)蛋白质染色技术
的灵敏度不高,动态范围相对较小,点密度最多能反
映 100倍的蛋白质浓度范围,具有高密码子偏倚值
的基因,倾向较高水平的表达 ,其产物蛋 白质易被检
测,而许多生物学上有重要的功能的蛋 白质以相对
低水平表达,被高丰度蛋 白掩盖。可采用免疫沉淀
或亲和色谱的方法,去除大部分高丰度蛋白,同时增
加样品的上样量。(3)2~DE的分辨率的高低很大地
影响了后续的蛋 白质点 的分析 ,可使用大胶增加两
向的分离长度和放大胶即重叠几次窄范 围 IPG凝
胶的电泳结果来 生成复 杂样 品的 2-DE蛋 白质 图
谱,使用窄 pH梯度要进行预分级处理。Unlu等
(1997)建立了双向荧光差异凝胶电泳(2D—DIGE)技
术,采用两种荧光试剂(如 Cy2,Cy3,Cy5)分别标记
两个样品,然后混合在一起进行双 向凝胶 电泳 ,并用
相应激发波长来检测被不 同的荧光基团所标记的蛋
白质。这种方法能有效地降低蛋 白质在 2一DE图谱
中的位置差异,提高了 2一DE的重复性。使用内标
Cy2,可消除由于上样量不 同而导致 的实验误差,提
高定量的准确性(Hoorn等 ,2006)。
1.2蛋白质鉴定技术一生物质谱
生物质谱 (bio—mass spectrometry,MS)技术具
有高灵敏度 、高分辨率和高质量精确性适用于多肽
的鉴定 ,根据软 电离离子化技 术 同分为两种 :
(1)基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(MALDI—
TOF—MS)能测定完整肽段的质量。用 MALDI—
TOF—MS测得的蛋白质酶解肽段质量数据在数据
库中检索,寻找相似质量的肽,从而鉴定蛋白质
(Spyros等,2005)。(2)电喷雾电离串联质谱(ESI—
MS_MS)可以测定肽碎片的质量并分析肽序列。
ESI—MS—MS可以得到肽 MS—MS谱图来鉴定蛋白
质(Fenn等 ,1989),一是谱图的从 头解释得到 的肽
序列 即肽序列标签 (peptide sequence tag,PST),然
后用得到的肽序列通过数据库的检索鉴定蛋 白质 ;
二是运用算法使谱 图数据直接与数据库中肽序列相
匹配来鉴定蛋白质。
1.3蛋白质分析技术一蛋白质质谱数据的生物信息
学分析
1.3.1蛋白质识别常用数据库 Swiss—port数据库
对数据审核很严格 ,可以说只有实 际存在的蛋白质
才被收入。每一条数据都有高水平的注释,包括功
能 、结构域 、翻译后修饰 ,以及最低水平的冗余和到
许多其他数据库的链接(马袁君等,2007;Magrane
8L Apweiler,2000)。TrEMBL中的数据是从 EM—
BL数据库库中的核酸序列翻译过来的氨基酸序列,
完成了自动注释(Boeckmann等,2003)。TrEMBL-
NEW 是从 EMBL库中的核酸序列翻译出来的氨基
酸序列,但是还没被赋予 Swiss—port索取号,因此只
能借助蛋白质标识符检索。NR数据库是 NCBI的
非冗余蛋白质序列数据库,由 Swiss—port、Swiss—
port补充、PIR(蛋白质序列数据库,包含自然界中
野生型序 列 已知 的蛋 白质信 息 )(wu等 ,2004)、
PDB(蛋白质结构数据库)组成,各个不同数据库中
完全相同的序列在 NR数据库 中被合并 (杨少友,
2007)。
1.3.2蛋 白质鉴定 的分析软件 PepSea分析肽图
时获得肽序列标签 ,检索较大质量 的蛋白质时计分
较高,随机匹配的可能性较大(Fenyo,2000)。Se—
quest不对谱图进行从头解释,而快速地将 MS—MS
谱图指定到数据库中特定的肽序列,但不对得到匹
配质量作 出判 断 (Jimmy等,1994)。PeptIdent/
MuhIdent在给定质量误差极限之内对相匹配的数
目给出得分 ,在检索较大质量蛋 白质时随机匹配 的
可能 性 较 大 (Wilkins等 ,1998)。MS—Fit/Protein
Prospector利用肽 图进行蛋 白质鉴定 ,检索较大蛋
白质时计分偏高。MOWSE利用数据库 中蛋 白质
的平均组成来提高鉴定的灵敏度 ,计分中考虑了肽
段的相对丰度,降低了随机匹配的概率,提高了计分
和鉴定的准确性(Clauser等,1999)。ProFound基
于Bayesian判别法对蛋白质进行分类,同时考虑单
一 或多种蛋白质的信息。先在数据库中查询单一蛋
白,比较与实验数据的吻合程度。然后将计分最高
76O 广 西 植 物 29卷
的两个或多个蛋 白质相 融合并 与实验 数据做比对
(杨少友,2007)。Mascot算法考虑了随机概率对实
际数据与相匹配的蛋白序列之间一致性的影响,计
分进行了调整(David等 ,1999)。
2 病原菌胁迫下的植物蛋白质组学研究
2.1大豆疫霉菌诱导拟南芥的蛋白质组学研究
大豆疫霉菌(Phytophthora sojae)是卵菌类的
模式物种,拟南芥对大豆疫霉菌具有非寄主抗性。
孙果忠等(2008)利用双向电泳分离水杨酸、创伤和
大豆疫霉菌诱导拟南芥叶片后蛋白质表达变化,并
对 28个差异表达的蛋 白点进行 MALDI—TOF_MS
鉴定 ,这 28个蛋 白点的表达模式分 3种类型 :13个
点的表达随着伤口、水杨酸和大豆疫霉菌的诱导而
上调 ;l1个点的表达随着伤 口、水杨酸 和大豆疫霉
菌的诱导而下调;4个点在伤 口和大豆疫霉菌诱导
中的表达行为与水杨酸诱导中的表达行为相反。这
些蛋白涉及了物质代谢酶、调节因子或分子伴侣、氧
化还原酶、防御相关蛋 白、蛋 白激酶 、叶绿体酶和功
能未知蛋 白等。
2.2水稻主要病害蛋白质组学研究
陈芳育等(2007)运用双向电泳分析高抗水稻品
种“佳辐 占”受强毒力细菌性 条斑病病原菌 (Xan—
thomonas campestris pv.oryzicola)侵染 2 d后的叶
片蛋白质组变化 ,共 发现 38个蛋 白质发生差异表
达,其中 32个上调 ,5个下调 ,1个新增。用 MAL—
DI—TOF MS分心和数据库检索鉴定出其中的 33个
差异表达蛋白质,并将它们分为4个功能类群,即信
号转导相关蛋白、防卫相关蛋白、代谢相关蛋 白和蛋
白质稳定相关蛋白,这些蛋白分别参与了信号识别、
信号传递、抗氧化、糖代 f、细胞壁加固、植保素合成
等抗病生理反应,其中差异表达的 8个 R蛋白和 3
个 PR蛋白可能与水稻对细菌性条斑病的抗病性密
切相关。曾亚等(2008)采用双向电泳一质谱分析技
术 ,比较 分 析 了水 稻 在 接 种 白叶 枯 病 菌 (Xan—
thomonas oryzae pv.oryzae)l、4、8、24、72 h后蛋 白
质表达谱的差异。通过比较接种白枯叶病菌和对照
之间及接种不同白叶枯病菌生理小种之间的表达差
异,发现 了 72个差异表达的抗病相关蛋白,对其中
部分蛋白点进行了电离子喷雾 二级质谱学分析鉴
定,确定了 l1个抗病反应中差异表达的蛋 白质 ,包
括 RNA结合蛋白、琥珀酰辅酶 A连接酶 亚基、l,
5一二磷酸核酮糖羧化酶/氧化酶、非顶端分生组织蛋
白、1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧化酶、叶片衰老相
关类蛋白、碳酸酐酶 3、转导素家族蛋白/WD-40重复
家族蛋白、乙酰乳酸合成酶、3一磷酸甘油醛脱氢酶 B
亚基和细 胞基 质 3一磷酸 甘 油醛 脱 氢酶。Fang等
(2007)研究了水稻在接种白叶枯病菌 12 h和 24 h后
质膜蛋白质的变化 ,在 2一D图谱上有 2O个差异蛋 白
点,其中11个蛋白点经过 MS/MS鉴定,包括 9种假
定的质膜蛋 白、H+一ATPase、蛋 白质磷酸酶(protein
phosphatase)、hypersensitive—induced response pro—
tein(OsHIR1)、prohibitin(OsPHB2)、锌 指 蛋 白
(zinc finger)和 C2 domain protein、universal stress
protein(USP)和热震惊蛋白(heat shock protein)。
2.3麦类作物应答病菌的蛋白质组学研究
梁根云等(2007)运用双向电泳技术分析了条锈
菌(Puccinia striiformis f.sp.tritici)侵染的 2个小
麦品种(川麦 107和 8O一8)的对照和发病 14 d叶片
的差异表达蛋白,从 2一D图谱上发现了 9个差异表
达的蛋白,其 中P5是在接种并发病的川麦 107中新
诱导出的一个差异蛋 白质。通过 MALDI—TOF-MS
获得 6个蛋白质的 PMF,数据库搜索鉴定出2个蛋
白质是脱氢抗坏血酸还原酶(Dehydroascorbate re—
ductase,DHAR)和磷酸核酮糖激酶(Phosphoribu—
lokinase,PRK)。Jennifer等 (2008)将禾谷镰刀菌
(Fusarium graminearum)的孢子悬浮液接种在开
花期的大麦穗上,在 2 D图谱上发现了 43个差异表
达的酸性蛋白,分别是苹果酸脱氢酶(malate dehy—
drogenase),过氧化物酶(peroxidase)和病程相关蛋
白(pathogenesis—related protein)三类。在高抗基
因型 CI4l96、Svansota、Harbin和在 中抗 基 因型
CDC Bold中,PR一3和 PR 5蛋白大量表达。在敏感
型基因型 Stander中,这些酸性 PR蛋 白的表达量降
低 。与氧化 应 激 反应 相关 蛋 白在 Stander、CDC
Bold、CI4196中表达大量增加来抵抗真菌的入侵,
在 Svansota、Harbin中少量变 化,在基 因型 Chev—
ron中没有变化。通过对六种基 因型的接种研究发
现了以上三种不同的应答模式。
2.4黄瓜抗黄瓜白粉病(sphaerotheca fuliginea)的蛋
白质组学研究
范海延等(2007)通过分组分离法建立黄瓜 F2
代抗感池,利用 2一DE差异显示和质谱分析研究了
抗病池和感病池的差异蛋白质组。质谱分析鉴定出
9种抗感池表达差异蛋白点,分别为抗病基因蛋白,
6期 赵大伟等 :植物响应病原菌胁迫的蛋 白质组学研究进展 761
14—3—3脑蛋 白家族蛋白,粪卟啉原氧化酶Ⅲ,碳酸酐
酶 ,a一半乳糖苷酶,推定 的蛋 白,17.8 kD的热激蛋
白,假想蛋白,(s)一2一羟酸氧化酶。其中有 3种蛋白
的性质及生物学功能未知 ,其余 6种蛋 白分别 与光
合作用、呼吸作用、抗病反应及信号转导等有密切关
系。这些蛋白都可能是与抗性有关或与发育相关的
蛋白网络中的一部分,它们 在黄瓜抗病反应 中起着
不同的作用。
2.5白菜应答炭疽病的蛋 白质组学研究
Nidhi等(2007)以黑胫病 (LP £0s 口Pr “mac—
ula~s)抗性品种埃 塞俄 比亚芥 (Brasica carinata)
和感病品种甘蓝型油菜 (B.napus)为材料,在接种
后 6、12、24、48 h和 72 h的 2一D图谱上有 64个差异
表达的蛋白点 ,选 出 51个点进行 串联质谱测定,主
要为抗 氧化酶 (antioxidant enzymes)、光合 和代谢
酶类(photosynthetic and metabolic enzymes);这些
酶在品种 B.carinata中表达量上升,而在品种 B.
napus中表达量没有变化。
2.6黄萎病胁迫下棉花的蛋白质组学研究
王雪等(2007)以陆地棉低酚棉品种豫无 620为
材料,在接种黄萎病菌 (Verticillium dahliae)后
24、48 h和 72 h,采用双 向电泳技术研究黄萎病胁
迫下棉花叶片的蛋 白质组变化 ,结果表 明棉苗在黄
萎病胁迫下 ,24 h、48 h和 72 h三个时间的叶片蛋
白质图谱与未接种对照组均存在显著差异 、病菌胁
迫下的棉苗叶片被诱导产生大量新的蛋白质,而且
在三个时间均出现了 DB1、DB2和 DB3差异蛋 白
点。通过 MALDI—T0F—MS分析和数据饽 检索 ,发
现 DB1、DB2和 DB3分别与 DEAD/H box RNA
helicase、丝氨酸蛋 白酶抑制 剂和 ODR一3蛋 白具有
7O 、42 和 85 的同源性,推测这些蛋 白可能在
棉花对黄萎病的抗性反应 中发挥作用。
2.7 Douglas-fir应答 Phellinus sulphurascens的蛋
白质组学研究
M.Aminul Islam等(2008)以花旗松(Pseudot—
suga menziesi)为材料 ,在 接种 Phellinus sulphuras—
CeTIS后,提取根部蛋白质进行双向电泳,有 l 303种蛋
白质差异表达,有277个显著(P<0.05),从上调中的
74个选出47个蛋白,从下调的 85个选出 23个蛋白,
进行LC-MS/MS分析和肽谱检索,发现这些蛋白属
于以下的功能组:抗病相关蛋白(27 )、代谓 相关蛋
白(16 )、转录因子(11 )、信号转导(10 )、次级代
谓}相关蛋白(7 )、能量代谢相关蛋白(3 )和蛋白质
合成相关蛋白(3 ),这为研究植物与病原菌相互作
用的机制提供了大量的重要数据。
植物在与病原物的共 同进化过程中形成了一套
复杂的分子机制以应答环境中的病原物并做出相应
的反应 。以往人们对植物受到病原菌侵害时的单一
防御反应相关酶蛋白和信号做了大量研究,但多数
是依据少数生理因子与抗性关 系得出结论,影响到
结论的全面性。上述研究表明植物在防御病原菌反
应中有防御和胁迫相关蛋白、代谢酶、翻译和蛋白质
转换蛋白及未知功能蛋白等参与。在许多植物一病
原菌互作的研究中下列蛋白通常上调 2倍以上,如
S0D、HSP70、t?-1,3葡 聚糖酶、14—3—3一家族蛋 白等 ,
这些蛋白都在植物一病原菌互作中起一定作用。随
着拟南芥基因组序列和病原物基因组序列的公布,
利用蛋 白质组学技术不仅能确定应答生物胁迫的直
接防御相关因子 ,而且还能揭示寄主能量代谢 、信号
传导等与防御反应的关系,有助于人们更全面地了
解植物应答生物胁迫反应的机制。
3 展望
蛋白质组学有一些局 限,如双向电泳的分辨率
低 ,低丰度蛋白很难检 出,功能性抗菌蛋 白在双向电
泳过程中不能被有效地检出,可以采用同位素标记、
银染、荧光染色等高灵敏度的方法;植物响应病原菌
胁迫的蛋白质组学研究中经常以未进行全基因组测
序的植物为材料,对这些植物的所产生的抗菌蛋 白
进行质谱鉴定时,要求大量的表达标签(EST)数据,
以提高鉴定率;对不同材料进行电泳和质谱分析时,
技术参数和差异蛋 白判定 的标准不 同,很难进行数
据的整合和再分析工作,这需要运用多技术手段,将
基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学结合起
来进行研究(高飞等,2008)。
植物受到病原菌侵染后将通过改变体内蛋 白质
表达和酶类活性等来完成这些信号的感应、传导以
及生物学效应的实现。蛋白质组学技术不仅能确定
直接的防御相关因子,而且还能揭示植物能量代谢、
信号转导等与防御反应的关系,获得植物一病原菌
互作的全貌(陈捷等,2007)。因此,对病原菌与植物
互作过程中蛋白质组学的研究,通过双向电泳技术
与多种质谱分析技术相结合及各类数据库提供的基
因及蛋白质序列信息,鉴定病原菌与植物互作反应
中的调解蛋 白,整体蛋 白质 (蛋白质组层面)上明确
762 广 西 植 物 29卷
病原菌侵染后的调节蛋 白关键种类 、相互关系及表
达过程;分析植物抗病相关蛋白种类,蛋 白质群集调
控规律,进而推测抗病相关基因种类及序列,克隆新
的抗病相关基因,为植物抗病分子育种提供基因资
源;同时,运用蛋白质组分析发现的,在病理状态下
表达异常或者特异性表达的蛋 白质 ,以及细胞信号
传递通路中的关键性蛋白,都可能作为药物设计与
发现的靶分子。
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