王立月　秦青　趙琪

摘要 楊屬植物是很好的造林樹種，高溫是影響楊屬植物生長(zhǎng)、分布的主要非生物脅迫因子之一。楊樹應(yīng)答高溫蛋白質(zhì)組學(xué)的研究為我們從系統(tǒng)生物學(xué)水平上深入認(rèn)識(shí)楊樹高溫應(yīng)答的分子調(diào)控機(jī)制提供了重要信息。本文整合分析了楊屬植物應(yīng)答高溫蛋白質(zhì)的特征，為揭示其高溫應(yīng)對(duì)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中重要代謝通路的變化提供了重要信息。

關(guān)鍵詞 楊樹；高溫脅迫；蛋白質(zhì)組學(xué)；應(yīng)答機(jī)制

中圖分類號(hào) S792.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）08-0149-02

Abstract Populus species has always been considered as appropriate tree species for forestation.Heat stress is the major abiotic stress factors affecting Populus plant growth and distribution.The proteomics researches on heat-responsive proteins in Populus species have provided important information for further understanding the regulation mechanism.In this paper，the heat-responsive proteins in Populus species were analyzed integratively.It provided important information for revealing the metabolic pathways in heat-responsive networks.

Key words Populus； heat stress； proteomics； responsive mechanism

楊屬（Populus）植物主要分布于北半球的溫帶和寒帶，少數(shù)分布于熱帶。楊樹是主要造林樹種，也為人們提供能源和耗材，如被用于造紙業(yè)、建筑業(yè)以及畜牧業(yè)的飼料等。人們已經(jīng)獲得了楊樹的全基因組序列，其無性繁殖系的基因型也較易于鑒定，適合作為林木研究的模式植物[1]。高溫對(duì)楊屬植物生長(zhǎng)、發(fā)育以及分布都有很大影響。高溫脅迫破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性，影響植物體內(nèi)RNA與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，干擾細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài)重塑，改變酶促反應(yīng)速率，導(dǎo)致植物體內(nèi)代謝紊亂[2-4]。深入研究楊屬植物應(yīng)答高溫的分子機(jī)制對(duì)于提高其抗逆性和培育耐高溫新品種具有重要意義。近年來，人們利用蛋白質(zhì)組學(xué)研究策略，已經(jīng)得到了胡楊（Populus euphr-atica Oliv.）葉片、楊樹（Populus tremula L.× Populus alba L.）葉片和形成層細(xì)胞應(yīng)答高溫過程的232種蛋白質(zhì)。本文整合分析了楊樹應(yīng)答高溫脅迫的蛋白質(zhì)豐度變化特征，為深入研究楊屬植物應(yīng)答高溫的調(diào)控機(jī)制提供了線索。

1 光合作用相關(guān)蛋白質(zhì)

Durand等[5]的蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，楊樹在30 ℃和42 ℃時(shí)葉片中RuBisCO的豐度下調(diào)，當(dāng)溫度恢復(fù)至22 ℃，7 d后這種變化消失。而通常在熱休克處理的植物中光合作用相關(guān)蛋白質(zhì)的豐度增加，這有助于補(bǔ)償它們活性的損失[6]。熱休克處理的楊樹中，RuBisCO的豐度在42 ℃時(shí)和溫度恢復(fù)至22 ℃后都升高，這與光合速率的升高相一致[5]。這表明植物通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成而非蛋白質(zhì)降解途徑調(diào)控植物應(yīng)對(duì)熱脅迫[7]。

高溫影響光合電子傳遞鏈，其中PS II對(duì)高溫高度敏感，而PS I熱穩(wěn)定性相對(duì)較強(qiáng)。高溫脅迫使PSI的線性電子流受到影響，一部分線性電子流被環(huán)形電子流取代，從而使PSII活性降低[8]。Ferreira等[1]對(duì)42/37 ℃處理3 d的胡楊葉片蛋白質(zhì)組的研究結(jié)果表明，光系統(tǒng)I D亞基（PSI-D）豐度上調(diào)，有助于維持PSI的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，ATP合酶CF1 α亞基豐度上調(diào)。在熱脅迫條件下CF1 α亞基對(duì)ATP合酶的裝配過程有重要作用，ATP合酶的α亞基含有ATP結(jié)合并穩(wěn)定CF1部分的非催化位點(diǎn)，熱脅迫條件下葉綠體中ATP合酶的α亞基、β亞基、γ亞基相互作用可穩(wěn)定葉綠體CF1部分[9]。

2 碳代謝相關(guān)蛋白質(zhì)

熱脅迫影響碳代謝過程中關(guān)鍵酶的積累。在30 ℃條件下，楊樹形成層中糖酵解/糖異生相關(guān)的酶，如果糖二磷酸醛縮酶、磷酸丙糖異構(gòu)酶和甘油醛-3-磷酸脫氫酶的豐度都上升。這些表明楊樹在熱梯度處理時(shí)，糖類利用的增加為代謝調(diào)節(jié)提供所需的能量。此外，形成層中蔗糖合成酶豐度下調(diào)，這與形成層的熱敏感性相關(guān)。

此外，F(xiàn)erreira等[1]的蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，42 ℃處理初期（6 h）的胡楊葉片中轉(zhuǎn)酮醇酶的豐度降低，這表明短期脅迫導(dǎo)致戊糖磷酸途徑中碳通量減少，該酶在戊糖磷酸途徑中參與磷酸糖類的合成。42/37 ℃處理30 h后的胡楊葉片中烯醇酶、甘油醛-3-磷酸脫氫酶、二氫硫辛酰胺脫氫酶，以及磷酸甘油酸變位酶的豐度都上調(diào)，這表明高溫脅迫初期糖酵解加快，硫胺素的生物合成增強(qiáng)[10]。胡楊受高溫脅迫54 h后，依賴NADP的蘋果酸酶的豐度下調(diào)與高溫脅迫54 h后碳代謝速率降低有關(guān)[1]。

3 其他代謝

高溫條件下，植物體內(nèi)氨基酸合成、脂肪酸合成，以及硫代謝等基礎(chǔ)代謝過程受到誘導(dǎo)。Ferreira等[1]的研究表明，胡楊應(yīng)答42 ℃高溫過程中，葉片中酮醇酸還原異構(gòu)酶、生物素羧化酶和ATP硫酸化酶的豐度都上調(diào)。這表明氧化脅迫導(dǎo)致氨基酸與脂肪酸合成增強(qiáng)，有利于清除細(xì)胞中有毒代謝物[5]。

4 脅迫與防御相關(guān)蛋白質(zhì)

梯度高溫條件下，楊樹葉片中類萌發(fā)素蛋白豐度改變，該蛋白催化的反應(yīng)能產(chǎn)生H2O2，從而誘導(dǎo)植物發(fā)生防御反應(yīng)[7，11]。熱休克處理下楊樹形成層中富含甘氨酸的蛋白質(zhì)與包含有冷休克結(jié)構(gòu)域和核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域的細(xì)胞壁相關(guān)蛋白質(zhì)的豐度上調(diào)[12]，這類蛋白質(zhì)受高溫誘導(dǎo)，在維持脅迫誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄物穩(wěn)定性方面有重要的作用[13]。

5 氧化還原相關(guān)蛋白質(zhì)

高溫脅迫條件下，楊樹通過調(diào)節(jié)氧化還原相關(guān)蛋白質(zhì)的積累防止氧化脅迫對(duì)其造成的氧化損傷。Durand等研究了楊樹應(yīng)對(duì)梯度高溫和熱休克時(shí)葉片和形成層中的蛋白質(zhì)變化。梯度高溫處理誘導(dǎo)形成層中醛/酮還原酶和抗氧化蛋白的豐度增加，通過阻止氧化損傷提高植物的耐熱性[14]。2種脅迫都導(dǎo)致葉片中乙醇酸氧化酶的豐度下調(diào)，利于阻止有毒的乙醇酸積累。此外，F(xiàn)erreira等[1]發(fā)現(xiàn)，胡楊應(yīng)答42/37 ℃高溫脅迫過程中，硫氧還蛋白h的豐度上調(diào)，利于調(diào)節(jié)高溫脅迫導(dǎo)致的電子傳遞鏈氧化脅迫程度[15]。

6 蛋白質(zhì)代謝相關(guān)蛋白質(zhì)

Ferreira等[1]研究了胡楊應(yīng)答42/37 ℃脅迫時(shí)葉片中蛋白質(zhì)的變化，伴侶蛋白10與伴侶蛋白60β亞基的豐度上調(diào)。在高等植物中伴侶蛋白10協(xié)助伴侶蛋白60參與RuBisCO的折疊/裝配，伴侶蛋白60β亞基的主要功能與其他一些防御蛋白的功能相似，幫助蛋白質(zhì)折疊，防止發(fā)生錯(cuò)誤折疊。此外，Durand等[5]的研究表明，熱激脅處理?xiàng)l件下楊樹葉片中伴侶蛋白GroES的豐度增加，而梯度高溫條件下與蛋白質(zhì)折疊相關(guān)的新生多肽的α亞基的豐度持續(xù)降低。

7 轉(zhuǎn)錄/翻譯相關(guān)蛋白質(zhì)

Ferreira等[1]研究表明，胡楊葉片中ATP合酶ε亞基、富含甘氨酸的RNA結(jié)合蛋白質(zhì)，以及50S核糖體L12-1蛋白質(zhì)的豐度在42 ℃脅迫初期下調(diào)。富含甘氨酸的RNA結(jié)合蛋白質(zhì)在脅迫條件下結(jié)合RNA，以保護(hù)蛋白分子。50S核糖體L12-1蛋白質(zhì)是蛋白合成相關(guān)因子的結(jié)合位點(diǎn)，對(duì)于能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的蛋白質(zhì)翻譯有重要作用[16]。

8 結(jié)論

定量蛋白質(zhì)組學(xué)研究結(jié)果揭示了楊屬植物應(yīng)答高溫脅迫的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制，主要包括：①調(diào)節(jié)碳與能量代謝相關(guān)酶的豐度從而調(diào)整能量代謝水平；②調(diào)節(jié)氨基酸合成、硫代謝等從而調(diào)控植物基礎(chǔ)代謝狀態(tài)；③提高抗氧化酶系統(tǒng)相關(guān)酶的豐度從而維持體內(nèi)ROS平衡；④光合作用相關(guān)蛋白質(zhì)豐度變化，維持光合機(jī)器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；⑤分子伴侶類蛋白質(zhì)的豐度上升，有助于蛋白質(zhì)正確折疊。這些結(jié)果為進(jìn)一步研究楊屬植物應(yīng)對(duì)高溫脅迫的分子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制提供了有價(jià)值的信息。

9 參考文獻(xiàn)

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