吳巧娟++徐劍文++劉劍光++趙君 肖松華++袁有祿

摘要：蛋白質組學是近年來隨著人類基因組計劃完成而逐步興起的生命科學領域的又一研究熱點。本文系統(tǒng)綜述了棉花鹽堿脅迫、低溫脅迫、干旱脅迫和病害脅迫的蛋白質組學研究進展，并對利用蛋白質組學深入研究棉花與各種逆境互作的分子機制進行展望。

關鍵詞：棉花；逆境脅迫；分子機制；應答；蛋白質組學；研究進展

中圖分類號： S562.01；Q785文獻標志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2016）12-0022-02[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2015-11-10

基金項目：[JP2]棉花生物學國家重點實驗室開放課題（編號：CB2014A16）。

作者簡介：吳巧娟（1978—），女，浙江浦江人，碩士，從事棉花資源創(chuàng)新利用研究。E-mail：luyuewu@163.com。

通信作者：肖松華，研究員。E-mail：njxsh@sina.com。

棉花是世界主要的經(jīng)濟作物和天然纖維作物，也是研究植物纖維發(fā)育最為理想的模式作物，同時又具有較強的耐鹽性，是改良鹽堿地較為理想的先鋒作物。蛋白質組學是近年來隨著人類基因組計劃完成而逐步興起的生命科學領域又一研究熱點。蛋白質組（proteome）的概念最先由MarcWilkins提出，是指由一個基因組（genome）或一個細胞、組織表達的所有蛋白質（protein）[1]。近年來，許多學者相繼開展棉花基因組學、轉錄組學、蛋白質組學等方面的研究，并取得了一些進展。本文較為系統(tǒng)地回顧了棉花逆境脅迫應答的蛋白質組學研究進展，為利用蛋白質組學技術深入研究棉花應對逆境脅迫的分子機理奠定了理論基礎。

1逆境脅迫的蛋白質組學研究

植物在生長發(fā)育過程中，經(jīng)常會遭受病菌、害蟲等生物脅迫和低溫、干旱和鹽堿等非生物脅迫。由于這些不良環(huán)境條件對植物生長發(fā)育或繁殖產(chǎn)生負面影響，因此植物自身在遭遇、適應這些脅迫過程中產(chǎn)生一系列應答反應，并引起多個相關通路的蛋白發(fā)生種類和表達量變化。

1.1棉花高鹽脅迫的蛋白質組學研究

鹽脅迫與植物生理和代謝密切相關，是影響植物生長發(fā)育最主要的非生物脅迫之一。然而，目前世界上約20%的耕地和50%的灌溉地正在遭受鹽分的影響，土壤鹽漬化是目前制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個全球性問題。棉花具有較強的耐鹽性，其中非洲棉和海島棉的耐鹽性優(yōu)于陸地棉和亞洲棉。近年來，國內(nèi)外研究者利用蛋白質組學圍繞棉花耐鹽機理等方面開展了大量研究，并取得了很大進展。

雙向電泳（two-dimensional electrophoresis，2-DE）技術是目前較為常用的分離蛋白質的重要技術，研究者利用雙向電泳技術對棉纖維發(fā)育機理進行探索[2-4]，確定“-3 DPA”是纖維起始發(fā)育的開始，并發(fā)現(xiàn)了眾多與棉纖維發(fā)育相關的蛋白質。當前，也有研究者利用雙向電泳技術分離棉花耐鹽相關蛋白質的報道[5-9]。研究者主要圍繞棉花葉片蛋白質組雙向電泳的技術條件進行優(yōu)化，并分離到涉及光呼吸、細胞防御以及氨基酸代謝等信號途徑中的蛋白質。

同位素標記相對和絕對定量（isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ） 技術可以利用多種同位素試劑標記蛋白多肽N末端或賴氨酸側鏈基團，經(jīng)高精度質譜儀串聯(lián)分析，可同時比較多達8種樣品之間的蛋白表達量，是近年來定量蛋白質組學常用的高通量篩選技術。周仲華等基于iTRAQ技術，針對采用漂浮育苗、傳統(tǒng)營養(yǎng)缽育苗分別進行鑒定、比較分析，確定枯草桿菌酶家族蛋白（subtilase family protein）、α/β水解酶（alpha/beta-Hydrolases）、超家族蛋白（superfamily protein）等6個與棉花水浮育苗適應性高度相關的棉花耐澇漬關鍵基因。而王麗等同樣利用iTRAQ技術鑒定出169個與棉花苗期與水分脅迫相關的差異蛋白，且發(fā)現(xiàn)磷酸果糖激酶（phosphofructokinase1）等糖酵解途徑中的蛋白在漂浮育苗根系中比營養(yǎng)缽育苗根系中表達量更高[10]。許菲菲也運用iTRAQ技術對NaCl不同脅迫時期下蛋白質的差異進行了研究，結果鑒定出121個差異蛋白，并發(fā)現(xiàn)鹽敏感品系“被動”抵抗鹽脅迫，而耐鹽品系則通過信號轉導以及清除活性氧“主動”抵抗鹽脅迫傷害，有助于進一步揭示棉花耐鹽分子機制[11]。

1.2棉花低溫脅迫的蛋白質組學研究

植物響應低溫脅迫是一個復雜的網(wǎng)絡調控反應，眾多低溫響應蛋白在此網(wǎng)絡途徑中起重要作用。目前，也有許多有關運用蛋白質組學技術研究棉花低溫脅迫的分子機制的研究報道[12-14]。邰付菊等對5日苗齡的棉花于4 ℃下處理12 h，利用2-DE技術得到49個顯著差異的蛋白點，其中低溫處理后上調的有27個，減弱表達的有22個[12]。李銳等則對耐低溫能力強的品種錦3047和不耐低溫的品種410進行了蛋白質組比較分析，發(fā)現(xiàn)錦3047的50個蛋白點在低溫脅迫前后的表達量有明顯差異，其中19個蛋白質在錦3047中表達豐度增大，并明顯高于品種410，11個蛋白點表達豐度變小，且低于品種410[14]。對入選的錦3047的差異蛋白點進行質譜分析、鑒定，得到30個蛋白的完整肽指紋圖譜，其中逆境蛋白占20%。以上研究為今后研究棉花耐低溫分子機制提供了良好的研究基礎，同時也可以看出更加深入具體的研究工作尚需要積極開展。

1.3棉花干旱脅迫的蛋白質組學研究

隨著全球氣候變暖，旱災時有發(fā)生。干旱已經(jīng)嚴重影響我國的棉花生產(chǎn)。因此，也有研究者采用蛋白質組學方法，鑒定干旱脅迫蛋白，研究棉花耐旱機制[6，15-17]。陸許可等運用2-DE技術對抗旱品種中H177和不抗旱品種中S9612為材料進行蛋白質組分差異分析，結果發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，這2個品種棉花葉片蛋白表達差異較大，并通過質譜分析鑒定出43個差異蛋白，進一步功能分類分析表明干旱脅迫蛋白參與光合作用、物質與能力代謝、抗逆相關蛋白、物質運輸和活性氧清除；Rubisco活化酶和能量代謝相關蛋白ATP合成酶類表達差異最大[16]。郭忠軍則對PEG處理苗期的棉花葉片進行蛋白質組分析，鑒定得到102個蛋白點，經(jīng)功能分類分析發(fā)現(xiàn)，它們除參與上述相關途徑外，還與氨基酸和蛋白質合成、細胞加工以及分子伴侶等過程有關[6]。以上研究結果對探討了解棉花抗旱機理進而指導棉花抗旱育種等方面都具有極其重要的意義。

1.4病菌脅迫的蛋白質組學研究

黃萎病（Verticillium dahliae）是棉花主要病害之一，嚴重影響我國各地棉花產(chǎn)量。近年來，也有諸多研究工作者利用蛋白質組學手段對棉花黃萎病的侵染機制等方面展開研究的報道[18-21]。王雪等研究發(fā)現(xiàn)，大量新的蛋白質在黃萎病病菌脅迫下在棉花葉片中被誘導產(chǎn)生，由此推測DEAD/H-box RNA解旋酶（helicase）、絲氨酸蛋白酶抑制劑和ODR-3蛋白可能參與棉花對黃萎病的抗性反應[18]。Xie等則發(fā)現(xiàn)黃萎病病菌侵染棉花后，棉花首先建立了早期的與活性氧（reactive oxygen species，ROS）、細胞死亡等蛋白質有關的防御反應，同時黃萎病毒素通過調控宿主蛋白質的合成來誘導植物細胞死亡，并且快速誘導老葉片細胞死亡[19-20]。此外，也有研究者從代謝角度分析闡述了棉花和黃萎病病菌之間的互作機制。如高巍利用2-DE方法獲得了188個在黃萎病菌侵染海7124根系中差異表達的蛋白，分類分析結果表明大多數(shù)蛋白與細胞工程、代謝過程和應激反應有關，說明病菌侵染后正常情況下的細胞過程和生理代謝都發(fā)生了很大變化；進而他們針對蛋白表達譜中發(fā)現(xiàn)的2個與棉酚代謝相關的酶進行了功能研究，證明棉酚可能影響棉花對黃萎病病菌的抗性[21]。

棉花根黑腐病也是目前生產(chǎn)上造成棉花植株死亡的主要病害之一。Coumans等利用2-DE技術針對棉花根黑腐病病菌（Thielaviopsis basicola）侵染機制進行研究，發(fā)現(xiàn)了包括致病蛋白和活性氧等防御和脅迫有關的蛋白、糖和氮代謝以及類異戊二烯合成等有關的蛋白[22]。

2前景與展望

除上述研究報道外，也有學者對棉花在NO等脅迫下蛋白質組學進行研究[23]?？偠灾S著棉花基因組測序的完成以及蛋白質組學技術在棉花逆境脅迫中的廣泛應用，不僅有利于解析棉花應答各種逆境脅迫的分子機制，而且還對棉花抗逆品種培育等工作產(chǎn)生深遠影響。盡管目前研究者利用蛋白組學技術已經(jīng)獲得了大量有關棉花抗逆的信號途徑和蛋白信息，但目前尚未明確這些細胞代謝途徑以及各種防御蛋白如何參加棉花應對逆境脅迫的分子機制。相信在基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學以及表觀遺傳學等多學科綜合信息指導下，棉花應對各種逆境脅迫的分子機理逐步被揭示，必將迎來棉花后基因組時代的蓬勃發(fā)展，推動棉花抗逆境調控網(wǎng)絡的遺傳解析和抗逆境新品種的創(chuàng)制。

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