孫西予，牛思思，趙廷彬，趙丹青，余君偉，喬長晟，，7*

（1.天津科技大學生物工程學院，天津 300457；2.工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點實驗室暨天津市工業(yè)微生物重點實驗室，天津 300457；3.杞源堂（天津）生物工程有限公司，天津 300453；4.天津慧智百川生物技術(shù)有限公司，天津 300457；5.寧夏農(nóng)林科學院，寧夏 銀川 750002；6.寧夏中農(nóng)艾森檢測有限公司，寧夏 中寧 755100；7.天津市微生物代謝與發(fā)酵過程控制工程技術(shù)中心，天津 300457）

枸杞子是茄科植物寧夏枸杞（Lycium barbarum L.）的干燥成熟果實，夏、秋二季果實呈紅色時采收，熱風烘干或晾至皮皺后曬干，最后除去果梗。自古以來，枸杞一直廣泛分布全國各地，主產(chǎn)于寧夏、甘肅、青海、新疆等西北省份的沙區(qū)附近，東北省區(qū)也有分布。目前在中國境內(nèi)生長的枸杞就有多達10個品種，其中中國枸杞屬種質(zhì)資源的原始品種有7種，另外還出現(xiàn)了3個變種[1-3]。自明清后，寧夏中寧枸杞質(zhì)優(yōu)成為業(yè)內(nèi)共識，在此基礎(chǔ)上，以寧夏枸杞子為道地藥材，并結(jié)合果實本身的性狀（果實的大小、形狀、色澤、氣味等）進行評價，為制定枸杞子商品規(guī)格等級標準提供了依據(jù)。由于我國枸杞資源分布廣泛、種類繁多，因此需要有準確、便捷地鑒別枸杞道地性的技術(shù)，以確保枸杞種植者和消費者的利益。

目前已有一些文獻報道采用基于凝膠電泳和質(zhì)譜技術(shù)對某些植物的蛋白組學進行研究，從而解析其屬性差異。華愉教等[4]使用iTRAQ定量蛋白質(zhì)組學技術(shù)對江蘇句容白龍地及福建柘榮、安徽宣州、貴州施秉種植基地的太子參之間的差異蛋白質(zhì)進行了對比，為解析不同產(chǎn)地太子參次生代謝物差異的成因及其藥材品質(zhì)形成的蛋白質(zhì)機制提供了參考；Wang Y等[5]對水稻的愈傷組織、葉片、根、芽分生組織、幼穗和成熟穗進行了磷酸化蛋白的定量蛋白質(zhì)組學研究，研究范圍幾乎覆蓋了所有的磷酸化蛋白；王溢[6]使用非標記定量（label-free）蛋白質(zhì)組學技術(shù)對青楊3個不同的葉位進行比較蛋白質(zhì)組學的分析，共檢測到111個差異表達蛋白質(zhì)，說明了青楊葉片成熟到衰老是受蛋白質(zhì)表達變化有序調(diào)控的過程。但使用蛋白質(zhì)組學研究枸杞干果的案例較少。本文以lable-free技術(shù)作為蛋白質(zhì)組學的檢測手段，對寧夏中寧和青海格爾木兩個產(chǎn)地的枸杞干果樣品進行蛋白質(zhì)組學的分析。lable-free技術(shù)全稱為“非標記定量蛋白質(zhì)組學技術(shù)”，該技術(shù)的特點是：無需對樣本蛋白質(zhì)添加標記；對各種蛋白質(zhì)的豐度變化敏感；對低豐度肽段的識別能力強。通過對比兩產(chǎn)地樣品之間的差異蛋白質(zhì)，為鑒別寧杞一號的產(chǎn)地提供了一些科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

1.1.1 材料

枸杞干果：品種為寧杞一號，采自寧夏中寧、青海格爾木。

1.1.2 主要試劑及產(chǎn)品來源

甘油（分析純）、溴酚藍（分析純）、牛血清白蛋白（分析純，≥98.0%）：上海生工生物工程公司；十二烷基硫酸鈉（電泳級，≥98.0%）、尿素（電泳級，≥99.0%）、二硫蘇糖醇（電泳級，≥99.4%）、碘乙酰胺（電泳級，≥98.0%）：Bio-Rad公司；三羥甲基氨基甲烷（分析純，≥99.0%）、NH4HCO3（最優(yōu)生化級，≥99.5%）、三氟乙酸（色譜級，≥99.0%）、甲酸（色譜純，≥98%）：Sigma公司；KH2PO（4分析純，≥99.5%）、KC（l分析純，≥99.5%）、HC（l分析純，36.0%～38.0%）：國藥集團化學試劑有限公司；BCAn kit定量試劑盒：碧云天生物技術(shù)有限公司；胰蛋白酶（色譜純）：北京普洛麥格生物技術(shù)有限公司；乙腈（色譜純，≥99.9%）：德國默克有限公司；液氮：天津昊瑞氣體銷售有限公司。

1.1.3 儀器和設(shè)備

Easy nLC色譜系統(tǒng)、Q Exactive質(zhì)譜儀、Multiskcan FC酶標儀：賽默飛世爾科技公司；AKTA Purifier 100蛋白純化儀、EPS601電泳儀：通用電氣醫(yī)療集團；5430R低溫高速離心機、Concentrator Plus真空離心濃縮儀：艾本德（上海）國際貿(mào)易有限公司；MP Fastprep-24勻漿儀：安諾倫（北京）生物科技有限公司；JY92-II超聲破碎儀：寧波新芝生物科技股份有限公司；GNP-9080恒溫培養(yǎng)箱：上海精宏實驗設(shè)備有限公司；QT-1 Votex振蕩器：上海琪特分析儀器有限公司；AL104電子天平：梅特勒托利多集團。

1.2 方法

1.2.1 樣品蛋白質(zhì)的提取

參考Gabriella等[7]的方法，使用三氯乙酸-丙酮混合液沉淀后加十二烷基硫酸鈉裂解液，該方法能有效提取枸杞干果中的蛋白質(zhì)。

1.2.2 樣品蛋白質(zhì)的定量

采用二辛可寧酸（bicin choninic acid，BCA）法[8]對濾液進行蛋白質(zhì)定量。用BSA配制濃度為0.5 mg/mL的蛋白標準品；按體積比50∶1（A液∶B液）配制適量BCA工作液，充分混勻，BCA工作液室溫24℃穩(wěn)定24 h。（1）將標準品按 0、1、2、4、8、12、16、20 μL 加到96孔板的標準品孔中，加標準品稀釋液補足到20 μL；（2）加20 μL樣品到96孔板的樣品孔中；（3）各孔加入200 μLBCA工作液，37℃放置20 min～30 min。BCA法測定蛋白濃度時，顏色會隨著時間的延長不斷加深；（4）用酶標儀測定A562或A540～A595之間的其它波長的吸光度；（5）根據(jù)標準曲線和使用的樣品體積計算出樣品的蛋白濃度，分裝樣品后于-80℃條件下保存。

1.2.3 樣品蛋白質(zhì)的酶解

用超濾管酶解法（filter-aided sample preparation，F(xiàn)ASP）酶解蛋白質(zhì)樣品[9-10]，先用胰蛋白酶將樣品蛋白質(zhì)分解為肽段，再用C18固相萃取小柱對肽段進行脫鹽，加入0.1%甲酸、5%乙腈水溶液洗脫復(fù)溶，最后檢測肽段的OD280進行定量。

1.2.4 液相色譜（liquid chromatography，LC）分析

根據(jù)BCA定量和肽段定量得到的酶解液濃度，取0.1%甲酸復(fù)溶至0.5 μg/μL的樣品肽段裂解液進入Easy nLC液相色譜系統(tǒng)上樣，該系統(tǒng)可以通過二級串聯(lián)液相色譜技術(shù)實現(xiàn)以納升級別的流速對樣品進行分離。具體液相條件參考向偉等[11]的方法。

1.2.5 質(zhì)譜（mass spectrometry，MS）分析

使用Q-Exactive質(zhì)譜儀和液相色譜系統(tǒng)串聯(lián)進行樣品質(zhì)譜分析，質(zhì)譜條件的設(shè)定參考向偉等[11]的方法。

1.2.6 Maxquant非標記分析

將樣品蛋白質(zhì)的LC-MS原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Maxquant軟件（版本號1.5.3.17），對檢測到的蛋白質(zhì)進行數(shù)據(jù)庫匹配[12]，對兩產(chǎn)地樣品蛋白質(zhì)的數(shù)據(jù)進行鑒定和相對表達量的比較。本研究使用的Lable-free定量算法的原理為：以一級質(zhì)譜（MS1）為基礎(chǔ)，將質(zhì)譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成以色譜保留時間和質(zhì)荷比（m/z）為變量的二維圖譜，在該二維圖譜的基礎(chǔ)上再增加MS1中的肽段強度變量，從而將最原始的質(zhì)譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成形象的三維圖譜，最后利用Maxquant解析這些肽段的定量信息，從而獲得對應(yīng)蛋白質(zhì)的相對定量比值[13-14]，而MS1中肽段的鑒別是通過Maxquant軟件集成的搜索引擎Andromeda對二級質(zhì)譜（MS2）的檢測結(jié)果進行數(shù)據(jù)庫檢索實現(xiàn)的。Maxquant軟件的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫檢索參數(shù)如表1所示。

表1 Maxquant軟件的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫檢索參數(shù)Table 1 Parameters of protein database search with maxquant software

1.2.7 差異蛋白質(zhì)的篩選

以寧夏中寧產(chǎn)區(qū)的寧杞一號為對照樣品，將青海格爾木產(chǎn)區(qū)的寧杞一號非標記定量數(shù)據(jù)非標記定量法（label-free quantification，LFQ）與其對比，將一組樣品中兩次及以上不為空值，另一組所有數(shù)值均為空值的蛋白直接作為差異蛋白，其它兩地樣品均含有差異蛋白質(zhì)篩選的條件為：P值小于0.05，上下調(diào)差異倍數(shù)2倍以上，如果上下調(diào)差異倍數(shù)小于2倍則認為該蛋白質(zhì)表達量無差異。

1.2.8 差異蛋白質(zhì)的層次聚類分析

先根據(jù)定量信息計算兩產(chǎn)地枸杞樣本之間的蛋白質(zhì)差異表達倍數(shù)（格爾木/中寧）；然后通過顯著性檢驗計算兩產(chǎn)地樣本蛋白質(zhì)表達量之間的P值；取蛋白質(zhì)差異表達倍數(shù)的log2Fold Change值為橫坐標，取兩產(chǎn)地樣本間P值的-log10P值為縱坐標，通過這兩個維度進行作圖；最后將分析結(jié)果以火山圖的方式展現(xiàn)。

1.2.9 通過信息生物學分析差異蛋白質(zhì)

采用 GO 數(shù)據(jù)庫（http：//www.geneontology.org/）和京都基因與基因組百科全書（KEGG）通路數(shù)據(jù)庫（http：//www.genome.ad.jp/kegg/）對差異蛋白進行 GO功能注釋和參與的代謝通路分析，獲得差異蛋白質(zhì)的生物功能、參與的生物過程以及細胞定位等信息。

2 結(jié)果與分析

2.1 差異蛋白質(zhì)的篩選

差異蛋白質(zhì)的檢測結(jié)果見表2。

表2 差異蛋白質(zhì)的檢測結(jié)果Table 2 Differential protein detection results

如表2所示，在兩組樣品中共檢測到2 477種蛋白質(zhì)，中寧產(chǎn)區(qū)的樣品中共檢測到1 942種蛋白質(zhì)，格爾木產(chǎn)區(qū)的樣品中共檢測到2 065種蛋白質(zhì)。其中，中寧產(chǎn)區(qū)的樣品特有的蛋白質(zhì)有174種，格爾木產(chǎn)區(qū)的樣品特有的蛋白質(zhì)有297種，兩產(chǎn)地樣品共有的蛋白質(zhì)有1 768種。中寧產(chǎn)區(qū)樣品的表達量超過格爾木產(chǎn)區(qū)樣品的蛋白質(zhì)有69種，中寧產(chǎn)區(qū)樣品的表達量低于格爾木產(chǎn)區(qū)的蛋白質(zhì)有86種。

2.2 蛋白質(zhì)表達量的火山圖

通過火山圖對兩產(chǎn)地樣品的蛋白質(zhì)表達量進行分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 火山圖Fig.1 Volcano plot

圖1中“倒三角”的圖標表示的是表達量有顯著上調(diào)的蛋白質(zhì)（格爾木/中寧），“菱形”的圖標表示的是表達量有顯著下調(diào)的蛋白質(zhì)（格爾木/中寧），每個表示蛋白質(zhì)的點橫、縱坐標的離散程度越大說明蛋白質(zhì)的差異表達越明顯。從圖1中的分類結(jié)果可以看出，中寧產(chǎn)區(qū)和格爾木產(chǎn)區(qū)兩地枸杞樣品的組間差異明顯，具備進行更深層次的生物信息學分析的條件。

2.3 差異蛋白功能注釋與分類

對差異蛋白質(zhì)進行GO分析，采用Blast2GO軟件對篩選出的差異表達蛋白質(zhì)的功能進行注釋和分類，分為生物過程、分子功能和細胞組分3部分，分析結(jié)果如圖2所示。圖中條形圖后面的數(shù)字為該條目的富集因子。

圖2 差異蛋白質(zhì)的GO分析Fig.2 GO analysis of differentially expressed proteins

由GO分析的結(jié)果可知，寧夏中寧樣品和青海格爾木樣品的差異蛋白質(zhì)主要集中在以下3個方面：（1）生物過程：細胞或亞細胞成分的運動、基于微管的運動、鐵離子轉(zhuǎn)運、蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、過渡金屬離子轉(zhuǎn)運、蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)、氨基糖代謝過程、細胞壁大分子分解過程；（2）分子功能：鐵離子結(jié)合、作用于配對供體的氧化還原酶活性、單加氧酶活性、金屬離子氧化還原酶活性、氧為受體的金屬離子氧化還原酶活性、鐵氧化酶活性；（3）細胞成分：細胞質(zhì)的核周區(qū)域、光合膜、細胞表面、類囊體組分、類囊體膜、類囊體。

2.4 差異蛋白質(zhì)KEGG分析

對這些差異蛋白質(zhì)進行KEGG代謝途徑富集分析，排除動物、細菌等與植物無關(guān)的代謝途徑，結(jié)果如圖3所示。圖中條形圖后面的數(shù)字為該條目的富集因子。

由圖3可知，這些代謝途徑包括：礦物質(zhì)吸收途徑和植物的絲裂原活化蛋白激酶信號途徑、植物-病原體相互作用、磷脂酰肌醇信號系統(tǒng)、植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、肌醇磷酸代謝、卟啉和葉綠素代謝。

綜和以上試驗結(jié)果，根據(jù)差異蛋白的表達量、分子功能、代謝通路的生物信息學分析結(jié)果，篩選出28個目標差異蛋白，見表3。

與中寧產(chǎn)區(qū)的樣品相比，格爾木產(chǎn)區(qū)樣品的3種不同類型的鐵蛋白Ferritin的表達量都是上調(diào)的或者只在格爾木產(chǎn)區(qū)樣品中檢測到。鐵蛋白Ferritin在自然界的動物、植物、微生物等生命體中都普遍存在，它能夠起到貯存Fe元素和生物礦化蛋白的作用。經(jīng)李紅英等[15]測定格爾木產(chǎn)區(qū)枸杞的Fe元素含量是110.6 μg/g，中寧產(chǎn)區(qū)枸杞的Fe元素含量是78.82 μg/g；任永麗等[16]測定格爾木產(chǎn)區(qū)枸杞的Fe元素含量是110.60 μg/g，中寧產(chǎn)區(qū)枸杞的Fe元素含量是78.71 μg/g，兩篇文獻的數(shù)據(jù)基本一致，且和蛋白質(zhì)組學KEGG代謝途徑的分析結(jié)果基本符合，即中寧產(chǎn)區(qū)枸杞比格爾木產(chǎn)區(qū)枸杞含F(xiàn)e量低。

圖3 KEGG的分析結(jié)果Fig.3 KEGG analysis results

與中寧產(chǎn)區(qū)的樣品相比較，ATX1銅伴侶蛋白在格爾木產(chǎn)區(qū)樣品中的表達量是下調(diào)的。ATX1是一種有優(yōu)異螯合活性的在胞內(nèi)作用的一價銅離子Cu+金屬伴侶蛋白[17-19]，并且其后續(xù)代謝途徑有利于銅離子更快排出植物體外。李紅英等[15]的試驗結(jié)果表明中寧產(chǎn)區(qū)枸杞的Cu元素含量是17.55 μg/g，格爾木產(chǎn)區(qū)枸杞的Cu元素含量是24.08 μg/g；任永麗等[16]的試驗結(jié)果是中寧產(chǎn)區(qū)枸杞的Cu元素含量是17.45 μg/g，格爾木產(chǎn)區(qū)枸杞的Cu元素含量是24.01 μg/g，兩篇文獻的數(shù)據(jù)十分接近，且與蛋白質(zhì)組學的分析推斷一致。

表3 差異蛋白質(zhì)列表Table 3 Differential protein list

在6個熱休克蛋白中，Hsp90A、Heat shock protein 90-1、Molecular chaperone Hsp90-1在中寧樣品中的表達量較高，而 Heat shock protein 90-6、Hsp90B、Molecular chaperone Hsp90-2則只在格爾木樣品中檢測到。Hsp90系列的熱休克蛋白是一種分子伴侶，能夠起到穩(wěn)定和保護激酶、類固醇等底物蛋白質(zhì)的作用[20-21]。從枸杞的生長條件來看，中寧產(chǎn)區(qū)和格爾木產(chǎn)區(qū)的溫度、土壤條件、對植物有危害的病原體等外界條件的差別，會造成兩產(chǎn)地枸杞的熱休克蛋白表達量存在差異。

3個幾丁質(zhì)酶中，30 kDa內(nèi)切殼多糖酶在格爾木樣品中的表達量與中寧樣品相比是上調(diào)的；類幾丁質(zhì)酶（Class I chitinase）、29 kDa幾丁質(zhì)類熱滯蛋白（片段）是只在格爾木樣品中檢測到的。幾丁質(zhì)酶在植物中能起到抗凍、抗病蟲害的作用[22]。

核糖核苷二磷酸激酶（Nucleoside diphosphate kinase）在中寧樣品中的表達量高于格爾木樣品。該酶是植物實現(xiàn)對病原體免疫的MAPK信號途徑的關(guān)鍵酶，它能促使防衛(wèi)蛋白基因表達[23]。

過氧化氫酶CAT2在中寧樣品中的表達量高于格爾木樣品，部分過氧化氫酶的片段在中寧樣品中的表達量低于格爾木樣品。過氧化氫酶的作用是清除植物體內(nèi)過多的過氧化氫[24]。

與磷酸肌醇代謝途徑和磷脂酰肌醇信號系統(tǒng)有關(guān)的4個差異蛋白質(zhì)中，磷酸丙糖異構(gòu)酶（葉綠體）（Triosephosphate isomerase，chloroplastic） 在中寧樣品中的表達量比格爾木樣品高；兩種不同的1，3，4-三磷酸肌醇 5/6-激酶（Inositol-1，3，4-trisphosphate 5/6-kinase，ITPK），登錄號為A0A2G2WMD3在格爾木產(chǎn)區(qū)樣品中的表達量較高，而登錄號為M0ZU90的磷酸激酶僅在中寧樣品中檢出；肌醇-1-磷酸合成酶（Myo-inositol-1-phosphate synthase）在中寧樣品中的表達量高于格爾木樣品。

在3種植物激素調(diào)節(jié)酶中，油菜素內(nèi)酯信號激酶（BSK BR-signaling kinase）在中寧樣品中的表達量高于格爾木樣品，油菜素內(nèi)酯是一種重要的植物激素，在調(diào)節(jié)細胞增殖和形態(tài)生長、植物體的頂端優(yōu)勢、葉片和葉綠體程序性衰亡等生命活動中起關(guān)鍵作用，同時也與植物的抗逆性有關(guān)[25-26]；組氨酸磷酸轉(zhuǎn)移蛋白1（Histidine-containing phosphotransfer protein 1）和雙組分響應(yīng)調(diào)節(jié)器（Two-component response regulator）是只在中寧產(chǎn)區(qū)樣品中檢測到的蛋白質(zhì)。

在卟啉和葉綠素代謝途徑中，脫鎂葉綠酸加氧酶（pheophorbide A oxygenase，PAO）是下調(diào)蛋白質(zhì)；紅葉綠素分解代謝物還原酶（Red chlorophyll catabolite reductase）、線粒體型共濟失調(diào)蛋白抗體（Frataxin）、尿卟啉原脫羧酶（Uroporphyrinogen decarboxylase）、鎂-原卟啉IX單甲酯（氧化）環(huán)化酶[Magnesium-protoporphyrin IX monomethyl ester（oxidative）cyclase]是只在格爾木樣品中檢出的蛋白質(zhì)。從卟啉和葉綠素代謝途徑相關(guān)的差異蛋白來看，中寧產(chǎn)地和格爾木產(chǎn)地的枸杞在葉綠素的合成和代謝能力上存在差別。

3 結(jié)論

本文通過lable-free技術(shù)對中寧和格爾木兩產(chǎn)區(qū)的寧杞一號枸杞果實進行了蛋白質(zhì)組學的分析，檢測到了兩產(chǎn)地枸杞果實中的差異蛋白質(zhì)。通過對兩產(chǎn)區(qū)枸杞果實的差異蛋白質(zhì)進行生物信息學分析得出結(jié)論：從金屬離子轉(zhuǎn)運蛋白的角度證實了中寧產(chǎn)區(qū)的樣品Fe、Cu兩種元素的含量均明顯低于格爾木產(chǎn)區(qū)的樣品，可以通過大量檢測兩地樣本積累數(shù)據(jù)得出利用金屬元素含量判斷寧杞一號干果產(chǎn)地的標準；對熱休克蛋白、幾丁質(zhì)酶、核糖核苷二磷酸激酶和過氧化氫酶的分析說明了兩產(chǎn)地寧杞一號的蛋白質(zhì)表達差異在很大程度上是由于兩產(chǎn)地不同的氣候、土壤壞境以及對植物有害的病原體所引起的；油菜素內(nèi)酯信號激酶的表達量差異會引起兩產(chǎn)地枸杞干果的形態(tài)學差異，推測可以通過機器視覺技術(shù)實現(xiàn)兩產(chǎn)地寧杞一號干果的鑒別；卟啉和葉綠素代謝途徑中的蛋白質(zhì)差異說明兩產(chǎn)地枸杞果實中的色素含量存在差別。由于目前對磷酸肌醇轉(zhuǎn)化酶和高等植物雙組分調(diào)節(jié)機制的研究還不夠深入，很難在這兩個方面解釋兩產(chǎn)地枸杞樣品的差異。本研究可為鑒別不同產(chǎn)地寧杞一號枸杞果實提供蛋白質(zhì)組學水平的科學依據(jù)。