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蛋白质组学技术在作物育种研究中的应用

  蛋白质是直接的生物学功能的执行者。蛋白质行使正确的生物学功能需要准确的定位,形成复杂的高级结构,进行翻译后修饰,或者与其他蛋白质发生相互作用。这些是基于基因和转录本水平的研究无法揭示的。因此,从蛋白质水平上进行机制的研究和探索是十分必要的。与针对单个蛋白质的研究相比,蛋白质组学的研究更系统,更全面,更广泛。蛋白质组学技术的发展已经成为现代生物技术快速发展的重要支撑。在作物育种研究领域中,蛋白质组学技术为寻找可供改造的靶标蛋白质做出了重要的贡献。

  作物育种旨在改良作物的遗传特性,以培育高产优质品种。随着人口数量的增加,自然环境的恶化,耕地减少、粮食危机以及能源危机越发严重。选育优质品系,提高产量、增强抗性、提高作物品质以及安全性对于防范粮食危机与能源危机的发生十分必要,具有重大的社会、经济意义。

  传统的育种主要依赖于植株的表现型选择,而环境条件、基因间互作、基因型与环境互作等多种因素会影响表型选择效率,育种过程费时费力。传统的育种一般只能在生物种内个体上实现基因转移,一般是在生物个体水平上进行,操作对象是整个基因组。随着育种技术的发展,以DNA多态性为基础的分子标记目前已经在作物遗传图谱的构建、重要农艺性状基因的标记定位,以及种质资源的遗传多样性分析中发挥作用。但是由于DNA序列本身无法体现其功能,因此从蛋白质组水平上筛选生物标识物(Biomarker)十分必要。随着蛋白质组学概念的普及和蛋白质组学技术的发展,差异蛋白质组学技术在作物育种中已经受到众多研究者的认可,在作物抗性相关,产量相关以及安全性相关等方面的Biomarker 筛选中都取得了一定的成果。

  蛋白质组学在作物育种研究中的应用思路主要是锚定某一个具体的胁迫或者发育机制,通过组学的手段大规模的挖掘差异数据,从而寻找可供改造的蛋白质靶标。在该研究思路中蛋白质组学技术可以独立应用,也可以和其他组学数据进行整合分析,从而更加综合、全面、立体地来揭示和阐明机制,并准确地寻找和评价Biomarker 。

  以下将举例说明蛋白质组学在作物育种研究领域中的具体应用和已经取得的部分成果。

  ◆蛋白质组学技术在提高作物抗逆性中的应用

  蛋白质组学技术在提高作物抗逆性研究中的应用由来已久。Majoul T 等人[1]利用2-DE 技术(双向凝胶电泳)分析了小麦籽粒高温条件下蛋白质组的变化,一共发现了275个蛋白质,其中43个蛋白质的表达量受热处理影响。尤其是HSP (热激蛋白)家族蛋白质在热胁迫应答途径中起到十分重要的作用。在后续的研究中,Zhu 等人[2] 发现在大豆中过表达HSP 家族的HSP70 可以增强大豆植株对高温的抵抗能力。Virdi 等人[3]通过蛋白质相互作用发现HSP90 可以与CBP( 钙调素结合蛋白)结合,而经Zhang 等人[4]的研究发现钙调素蛋白不再表达后会降低植物对高温的的应对能力,这也从侧面说明了HSP90 与植物应对高温的机制息息相关。

  近年来,随着蛋白质组学技术突飞猛进地发展,iTRAQ 、label free 等基于质谱的蛋白质组学技术在该方向的研究也开始大展身手。Marcella

  N. Melo-Braga 等人[5]通过iTRAQ 技术(同位素相对标记和绝对定量技术)分析了受葡萄小卷叶蛾侵害后葡萄果皮蛋白质表达和磷酸化、糖基化以及乙酰化的变化,一共鉴定到了3059个蛋白质,1135 个磷酸化位点,323 个糖基化位点和138 个赖氨酸乙酰化位点,其中899个蛋白质的表达量,110 个磷酸化位点,10个糖基化位点以及20 个赖氨酸乙酰化位点发生了变化。通过生物信息学分析,发现了众多参与能量代谢的差异蛋白质以及磷酸化和乙酰化变化的固定默许,为后续的品种改良提供了十分有价值的实验思路和参考信息。

  ◆蛋白质组学技术在提高作物产量研究中的应用

  莱茵衣藻因其高效的产脂和产氢能力以及光合作用,被当认为是理想的生物能源。S Wienkoop 等人[6] 从基因组、蛋白质组(Label- free,SRM)以及代谢组三个层面上全面揭示了莱茵衣藻高效光合作用、产脂和产氢能力的机制。该研究发现碳酸酐酶在光合作用中具有十分重要的地位,并揭示了12个碳酸酐酶的变体。应用SRM (基于质谱的蛋白质绝对定量)研究其中5个变体在莱茵衣藻体内的分布状况,发现在CO2缺乏的条件下线粒体内的碳酸酐酶变体活性增强。该研究揭示了碳酸酐酶在光合作用中的重要地位,为提高其他植物光合作用效率提供了可靠的改造靶标。

  ◆蛋白质组学技术在提高作物品质及安全性中的应用

  梯牧草是重要的一类牧草,同时梯牧草花粉是目前来说研究的比较透彻的吸入性过敏原。V Schulten 等人[7]以梯牧草的花粉为研究对象,应用2-DE 技术(双向凝胶电泳),免疫组学手段,以及转录组学手段锁定了93个可能是过敏原但不会引起抗体反应的蛋白质,然后通过后续实验手段发现其中64个蛋白质是过敏原并且不会引起抗体反应。这些蛋白质将成为梯牧草品系改造研究中非常有价值的蛋白质靶标。

  转基因食品的安全性一直颇具争议。Francesca P. Robertson 等人[8]利用iTRAQ 技术研究了Psy-1 正义和反义RNA 转基因植株与野生型番茄之间蛋白质组水平上的差异,从实验数据来看,Psy-1 相关突变体与野生型在蛋白质组水平上存明显的区别,由此,他们认为包括iTRAQ 在内的蛋白质组学手段是评价转基因食品是否安全的可行手段。

  ◆展望

  从诞生到现在,经过几十年的发展,蛋白质组学技术已经从最初单一的双向凝胶电泳技术发展出了如今多元的荧光差异标记凝胶技术,基于质谱的标记定量(如iTRAQ)或者非标记定量技术(Label-free)。质谱技术的出现和发展对蛋白质组学的分析通量、分辨率和灵敏度等各方面都带来了质的飞跃。相信在将来的研究中,基于质谱系统的蛋白质组学技术会因为其强大的分析和检测能力在作物育种研究中大展身手,做出重要贡献。

  参考文献

  1.Majoul, T., et al., Proteomic analysis of the effect of heat stress on hexaploid wheat grain: characteriza-tion of heat-responsive proteins from non-prolamins fraction. Proteomics, 2004. 4(2): p. 505-13.

  2.Zhu, B., et al., Identification and characterization of a novel heat shock transcription factor gene, GmHsfA1, in soybeans (Glycine max). J Plant Res, 2006. 119(3): p. 247-56.

  3.Virdi, A.S., et al., A sorghum 85kDa heat stress-modulated protein shows calmodulin-binding prop-erties and cross-reactivity to anti-Neurospora crassa Hsp 80 antibodies. FEBS Lett, 2009. 583(4): p. 767-70.

  4.Zhang, W., et al., Molecular and genetic evidence for the key role of AtCaM3 in heat-shock signal transduction in Arabidopsis. Plant Physiol, 2009. 149(4): p. 1773-84.

  5.Melo-Braga, M.N., et al., Modulation of protein phosphorylation, N-glycosylation and Lys-acetylation in grape (Vitis vinifera) mesocarp and exocarp owing to Lobesia botrana infection. Mol Cell Proteomics, 2012. 11(10): p. 945-56.

  6.Wienkoop, S., et al., Targeted proteomics for Chla-mydomonas reinhardtii combined with rapid sub-cellular protein fractionation, metabolomics and metabolic flux analyses. Mol Biosyst, 2010. 6(6): p. 1018-31.

  7.Schulten, V., et al., Previously undescribed grass pollen antigens are the major inducers of T helper 2 cytokine-producing T cells in allergic individuals. Proc Natl Acad Sci U S A, 2013. 110(9): p. 3459--64.

  8.Robertson, F.P., et al., Proteome changes in tomato lines transformed with phytoene synthase-1 in the sense and antisense orientations. J Exp Bot, 2012. 63(16): p. 6035-43.

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