楊樹干旱脅迫應答蛋白質組學研究進展

金鑫+戴紹軍

摘要 楊樹是主要的經濟樹種，也是林木基因工程的重要模式植物。干旱脅迫是限制楊樹生長的主要因素之一，研究楊樹響應干旱脅迫的分子機制具有重要意義。近年來，隨著楊樹基因組測序工作的完成，高通量蛋白質組學技術在楊樹干旱應答機理研究中被廣泛應用。本文整合分析了已經報道的參與楊樹葉片和形成層干旱脅迫應答的78種非冗余蛋白質的信息，為深入揭示楊樹干旱脅迫響應的分子網絡調控機制提供了新的線索。

關鍵詞 楊樹；干旱脅迫；應答機制；蛋白質組學

中圖分類號 S792.11 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）12-0138-02

Abstract Populus spp.is one of the main economic tree species，and is also an important model plant for genetic engineering.Drought stress is one of the main factors limiting poplar growth，and it is very important to study the drought stress-responsive molecular mechanism in poplar.In recent years，with the accomplishment of the poplar genome sequencing，high-throughput proteomics has been widely applied into the investigation of drought-responsive mechanism in poplar.In this paper，the 78 drought-responsive protein in poplar leaves and cambium were analyzed integratively，which provided new clues for understanding the regulatory mechanism of the drought-responsive networks in Populus spp..

Key words Populus spp.；drought stress；responsive mechanism；proteomics

楊樹（Populus spp.）在我國主要分布于東北、西北、華北和西南等地，具有重要的經濟價值。干旱脅迫造成楊樹水分缺失、氣孔關閉、滲透調節失衡，從而造成活性氧（ROS）大量積累，嚴重損傷細胞結構，導致楊樹生物量降低甚至無法正常生長[1]。研究楊樹干旱脅迫應答的分子機制，篩選抗旱、優質的楊樹品種具有重要意義。人們利用蛋白質組學技術分析了楊樹葉片和形成層在干旱脅迫應答過程中259種蛋白質豐度變化特征，通過整理后對其中78種變化特征顯著的非冗余蛋白質進行分析，系統揭示了楊樹應對干旱脅迫的多種調節機制。本文整合分析了這些蛋白質表達模式揭示的楊樹干旱脅迫應答的重要信號與代謝途徑，為深入研究楊樹干旱脅迫應答的分子機制提供了重要信息。

1 脅迫防御相關蛋白質

干旱脅迫會導致ROS在植物細胞不同區室中大量積累。過量ROS會導致蛋白質、DNA與脂質等發生氧化損傷。抗壞血酸過氧化物酶1（APX1）參與調控細胞內H2O2的水平，這一過程與形成層的木質化進程相關[2]。蛋白質組學研究發現，干旱脅迫12 d后的歐洲山楊×銀白楊形成層中APX1豐度下調，將導致形成層細胞中的H2O2水平升高，從而促進木質部形成，使細胞壁厚度增加，防止水分流失[2]。此外，過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、谷胱甘肽硫轉移酶（GST）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）在清除H2O2過程中也具有重要作用。蛋白質組學研究發現，干旱脅迫下歐洲山楊×銀白楊葉片中的CAT[2]、青楊葉片中GPX[3-4]、康定楊和青楊葉片中的GST豐度都上調[3]，這將有助于ROS的清除。

2 光合作用相關蛋白

干旱脅迫將導致楊樹光合作用下降。蛋白質組學研究發現，干旱脅迫影響了PSⅠ、PSⅡ和碳固定過程中的一些重要蛋白質的豐度。干旱脅迫12 d或復水7 d的歐洲山楊×銀白楊葉片中的葉綠素a/b結合蛋3、光捕獲蛋白復合體Ⅰ Lhca3和復合體Ⅱ Lhcb1等蛋白質的豐度都明顯上調[2]；此外，干旱脅迫8～45 d或復水10 d的胡楊葉片放氧復合體（OEC）[5]和放氧增強子蛋白2（OEE2）的豐度也明顯上調[2，6-7]。這些蛋白質的豐度上調有助于提高干旱脅迫下的光捕獲能力。干旱脅迫7～45 d的楊樹葉片中的NADP依賴的鐵氧還蛋白（FNR）[2，6，8]和PSⅠ蛋白[8]的豐度卻降低，這暗示著干旱脅迫抑制了FNR催化NADPH的形成，從而影響電子傳遞效率，并干擾了PSⅠ的裝配。干旱脅迫影響了卡爾文循環，如Rubisco是碳同化的限速酶，其活性受Rubisco活化酶（Rubisco activase）調控，并且對干旱等脅迫十分敏感。臭氧和干旱協同脅迫7～28 d的歐洲山楊×銀白楊葉片、干旱脅迫12 d的歐洲山楊×銀白楊葉片、形成層，以及干旱脅迫45 d的青楊葉片中的Rubisco大亞基的豐度都明顯下降[2，6，8]，干旱脅迫12 d的青楊葉片中的Rubisco小亞基的豐度也降低[6]。這表明，干旱脅迫抑制了楊樹的碳固定過程。

3 碳與能量代謝相關蛋白質

干旱脅迫影響了楊樹體內糖類和能量代謝過程[9]。研究發現，干旱脅迫下歐洲山楊×銀白楊葉片中的順烏頭酸酶[8]、胡楊葉片中的琥珀酸脫氫酶黃素蛋白亞基[5]的豐度都上調，這暗示著三羧酸循環可能受到促進，以保證能量供應。干旱脅迫下青楊[6]、胡楊[5]、美洲黑楊×歐洲黑楊[7]，以及歐洲山楊×銀白楊[2，8]葉片中的ATP合成酶β亞基豐度都明顯上調。這表明楊樹在干旱脅迫下通過增加產能來降低脅迫損傷。此外，青楊葉片中乙醇脫氫酶（ADH）的豐度也上調[6]，這將促進糖酵解的進行。

4 基礎代謝相關蛋白質

在楊樹應答干旱脅迫過程中，以氨基酸代謝為基礎的多種代謝途徑發揮重要作用。干旱脅迫18 d的美洲黑楊×歐洲黑楊葉片和干旱脅迫28 d歐洲山楊×銀白楊葉片中谷氨酰氨合酶（GS）的豐度明顯下降[7-8]，GS參與脯氨酸合成[10]，也為植物含氮化合物合成提供原料[11]。這表明干旱脅迫影響了楊樹葉片氮代謝和滲透保護物質脯氨酸的合成。此外，干旱處理21～28 d的歐洲山楊×銀白楊和胡楊葉片或復水10 d后的胡楊葉片中的S-腺苷甲硫氨酸合成酶（SAMS）的豐度降低[5，8]。SAMS能夠催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）合成，也可作為甲基供體參與多種甲基轉移反應[12]。這也進一步表明干旱脅迫影響了楊樹的基礎代謝過程，導致基礎代謝物質不足。

5 基因表達、蛋白質翻譯與翻譯后調控相關蛋白質

干旱脅迫影響了楊樹葉片基因轉錄過程。轉錄因子BTF3b參與蛋白質合成和細胞周期調控[13]，也作為脅迫響應蛋白參與脅迫耐受和環境適應[14]。在臭氧、干旱協同脅迫7 d的歐洲山楊×銀白楊葉片中的BTF3b豐度上升[8]。對小麥、玉米、番茄的研究證明了BTF3b豐度上調有助于抵抗干旱脅迫[15-17]。

干旱脅迫影響了楊樹葉片或形成層的蛋白質合成。真核起始因子（eIF）是蛋白質翻譯起始過程中重要成員之一。干旱脅迫86 d的美洲黑楊×歐洲黑楊葉片中的真核翻譯起始因子3亞基B和真核起始因子4A-9的豐度上升[7]。真核延伸因子（eEF）通過催化核糖體上氨基酸鏈的延伸來參與調控蛋白質合成過程。干旱脅迫12 d的歐洲山楊×銀白楊葉片中延伸因子EF-2、脅迫37 d的康定楊和青楊葉片中的延伸因子1-β豐度均上升[2-3]。此外，核糖體蛋白是參與蛋白質合成的重要成員之一，康定楊和青楊葉片中的核糖體蛋白L5、核糖體蛋白S3和線粒體60S核糖體蛋白L16的豐度均明顯上升[3，6]。這表明楊樹積極進行蛋白質合成，以應對干旱脅迫。

熱激蛋白（HSP）和分子伴侶（CPN）參與蛋白質折疊、裝配、轉移和降解，在植物抵抗脅迫過程中起到重要的保護作用[18]。研究發現，楊樹可以通過調節HSP/CPN家族蛋白中的HSP100、HSP90、HSP83、HSP70、HSP68、小熱激蛋白、同源熱激蛋白70和同源細胞基質Ⅱ型smHSP以及多種分子伴侶的豐度水平，保證蛋白質的正確折疊，并調節蛋白質和細胞膜系統的穩定性[1-3，5-7]。結果表明，楊樹通過增加HSP家族蛋白、smHSP蛋白和一些CPN的豐度來調整蛋白質的折疊狀態，從而減輕干旱脅迫對蛋白質造成的影響[18]。

6 跨膜轉運與細胞骨架相關蛋白質

H+-ATP酶能夠利用ATP水解產生的能量將H+轉運到膜內，形成跨膜H+電化學勢，為離子跨膜轉運供能。干旱脅迫8～28 d、復水10 d的歐洲山楊×銀白楊和胡楊葉片中的ATPaseβ亞基，TPaseα亞基豐度都明顯上調[2，5]，有助于楊樹應對干旱脅迫中的物質吸收與轉運。干旱脅迫導致楊樹葉片細胞結構改變，并影響細胞的分裂與分化。肌動蛋白是構成細胞骨架的主要成分，逆境下肌動蛋白的動態平衡對維持細胞形態與生長具有重要作用[19]。干旱脅迫8 d和12 d的歐洲山楊×銀白楊形成層中的肌動蛋白（Actin）豐度明顯上調[2]。此外，肌動蛋白解聚因子1豐度下調，這將有利于肌動蛋白聚合，從而抵抗干旱脅迫[2]。

7 結語

蛋白質組學技術揭示的楊樹應答干旱脅迫的分子機制主要為利用抗氧化酶系統等多種防御機制降低氧化損傷；調控光合作用、糖類和能量代謝等過程來保持能量供應；在轉錄、翻譯以及翻譯后水平上調控干旱響應蛋白質的表達與功能；調節細胞骨架動態重塑保持細胞結構完整性。這些結果為進一步明確楊樹干旱應答的調控網絡和楊樹品種選育與栽培實踐提供理論基礎。

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