磷高效水稻根系对低磷胁迫响应的差异蛋白分析
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磷高效水稻根系对低磷胁迫响应的差异蛋白分析*
郭玉春1摇 徐惠龙2摇 陈芳育1摇 郭陞垚3摇 梁义元1摇 梁康迳1摇 林文雄1**
(1 福建农林大学作物遗传育种与综合利用教育部重点试验室, 福州 350002, 2 福建中医药大学药学院, 福州 350002; 3 福建 省泉州市农业科学研究所, 福建泉州 362212)
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 12 月摇 第 21 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2010,21(12) : 3231-3238
Differential protein analysis on the root response of rice with high phosphorous uptake effi鄄 ciency to low phosphorous stress. GUO Yu鄄chun1 , XU Hui鄄long2 , CHEN Fang鄄yu1 , GUO Sheng鄄yao3 , LIANG Yi鄄yuan1 , LIANG Kang鄄jing1 , LIN Wen鄄xiong1 ( 1 Ministry of Education Key Laboratory for Genetics, Breeding and Multiple Utilization of Crops, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 2 College of Pharmacy, Fujian University of Traditional Chineses Medicine, Fuzhou 350002, China; 3 Quanzhou Institute of Agricultural Science, Quanzhou 362212, Fujian, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(12) : 3231-3238. Abstract: A comparative proteomics analysis was performed to identify the molecular response of a rice cultivar ( Oryza sative cv. ‘ IRRI71331爷 ) with high phosphorous ( P) uptake efficiency to low P stress. The hydroponically grown rice plants were provided with two levels of P (0郾 5 mg·L-1 and 10 mg·L-1 ) supplied in quarter strength Kimura solution, and the root total proteins extracted on the 3rd and 6th day of treatments were separated by two鄄dimensional gel electrophoresis (2鄄DE) . Comparing with the control (10 mg·L-1 of P) , a total of 29 protein spots under low P stress (0郾 5 mg·L-1 ) showed differences in their relative abundance, among which, 17 were higher, 11 were lower, and 1 was novel on the 3rd day, and 8 were induced, 19 were suppressed, 1 was disap鄄 peared, and 1 had no obvious change on the 6th day. Ten differentially expressed protein spots were identified by MALDI鄄TOF / MS, and searched in protein databases. According to the putative func鄄 tions, the identified proteins were classified into four groups, i. e. , signal transduction ( glycine鄄 rich RNA鄄binding protein, phosphate starvation response regulator鄄like) , gene expression ( putative
自从 1984 年 Barber[4] 提出植物养分的生物有 效性概念以来,国外学者就低磷胁迫下植物( 作物) 的磷效率特性开展了一系列研究工作,从低磷胁迫 下植物的形态[5] 、生理生化和基因表达与调控[2,6-9] 等方面开展了植物磷营养有效利用研究,取得了大 量有价值的成果. 在国内,李振声等[1-3] 以小麦为材 料,历经 10 多年的系统研究,成功地选育出几个小 麦磷高效品种;其他学者则从水稻等作物种质资源 的筛选[1,10-11] 、 植 株 形 态 ( 根 构 型) [5,12] 、 生 理 生 化 ( 根系分泌物、铁载体、吸收动力学等) [1,13-16] 、基因 定位与表达[17-19] 等方面进行了大量的研究,为我国 作物磷素营养效率的研究积累了丰富的资料. 目前 水稻耐低磷( 磷高效) 在形态和生理生化特性的机 制研究已取得许多成果,但在遗传机制、基因的克隆 与定位,分子( 或基因或蛋白) 水平,特别是从蛋白 质组学方面,探讨水稻在土壤有效磷偏低的环境条 件下,如何充分利用其中“ 闭蓄态磷冶 的作用机制的 研究仍有待深入.
制的研究从蛋白组水平入手更为直观明了. 从目前 国内外相关研Fra Baidu bibliotek成果看,仅有少数几个研究小组从 核酸水平探讨了水稻根系应答低磷信号的有关基 因[8-9,19] ,而利用差异蛋白质组学从蛋白水平进行 磷高效水稻应答低磷诱导的研究仅见文献[16] .
Key words: rice; low phosphorous stress; high phosphorous efficiency; proteomics.
摇 摇 磷是作物三大必需营养元素之一. 我国自 20 世 纪 50 年代施用磷肥以来,土壤闭蓄态磷的储存累积 已高达 6郾 0伊107 t,总磷为有效磷的 100 ~ 600 倍,土 壤缺磷已转变为“ 遗传学缺磷冶 [1] . 研究表明,作物 利用土壤磷素的能力存在基因型差异[1-3] ,充分挖 掘磷高效基因是 21 世纪农业可持续发展的重要技 术途径之一,业已成为世界各国研究的热点.
基因调控研究表明,基因是遗传信息的源头,而 功能性蛋白却是基因功能和细胞赖以生存的各种代 谢和调控途径的主要执行者,尤其在逆境胁迫下,许 多参与信号传导、转录因子调节和细胞周期控制的 蛋白能迅速发生活性调节转换,这些变化只能通过 对差 异 蛋 白 的 分 析, 才 能 明 确 其 表 型 的 应 答 网 络[20] . 由此可见,有关生物应答逆境胁迫的分子机
摘摇 要摇 以 IR71331 为材料,通过水培试验,采用双向电泳分离不同磷浓度下( 低磷浓度为 0郾 5 mg·L-1 ,对照为 10 mg·L-1 ) 水稻生长 3 d 和 6 d 根系差异蛋白. 结果表明:与对照相比, 低磷胁迫下共有 29 个蛋白,其中 3 d 时间点有 17 个蛋白上调、11 个下调、1 个新增,6 d 时间 点有 8 个上调、19 个下调、1 个抑制表达、1 个无明显变化. 经鉴定,其中的 10 个差异表达蛋白 可归为信号转导相关蛋白、基因表达相关蛋白、代谢相关蛋白离子转运相关蛋白 4 个功能类 群. 信号转导相关蛋白分别为富含甘氨酸 RNA 结合蛋白和类似参与磷酸盐饥饿反应调控子; 基因表达相关蛋白分别为推定的 mRNA 前体剪接因子 SF2 和推定的 AAA 蛋白酶家族 FtsH; 代谢相关蛋白分别为腺苷酸琥珀酸裂解酶、丝氨酸蛋白酶抑制剂( serpin) 、S鄄腺苷蛋氨酸合成 酶( SAM) 和类似 MYB 类转录因子;离子转运相关蛋白分别为阳离子转运 ATP 酶和肌浆网膜 蛋白. 这些蛋白分别参与了信号识别、信号调控、mRNA 的剪接、信号传递、蛋白质降解、细胞 体内离子转运和平衡等生理过程. 其中 serpin、SAM 和 MYB 类转录因子是水稻响应低磷胁迫 的关键蛋白. 水稻根系对低磷胁迫存在着一个复杂的抗逆信号应答和代谢调控网络,其作用 机理可以通过差异表达的蛋白质得以体现. 关键词摇 水稻摇 低磷胁迫摇 磷高效摇 蛋白质组学 文章编号摇 1001-9332(2010)12-3231-08摇 中图分类号摇 Q74摇 文献标识码摇 A
3232
应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
pre鄄mRNA splicing factor, putative AAA鄄metalloprotease) , metabolism ( adenylosuccinate lyase, serpin, S鄄adenosylmethionine synthetase, MYB transcription factor鄄like protein) , and ion transport ( cation鄄transporting ATPase, sarcoplasmic reticulum protein ) . The identified proteins were in鄄 volved in various physiological responses to enhance stress resistance, such as signal recognition and transduction, RNA cleavage, degradation of denatured protein, and ion transportation and cellular ion balance. The serine protease inhibitor and S鄄adenosylmethionine synthetase and the MYB tran鄄 scription factor鄄like protein, which were the key proteins associated with P deficiency鄄 tolerance of other species, were affected by the same stress for rice. The results indicated that the tolerance to low P stress was controlled by a complex signal transduction and metabolism regulation network in rice root system.
*福建省自然科学基金项目(2007J0052) 、福建省教育厅科技项目(2006F5021) 和福建省高校新世纪优秀人才支持计划项目( ky0010086) 资 助. **通讯作者. E鄄mail: wenxiong181@ 163. com 2010鄄08鄄23 收稿,2010鄄10鄄12 接受.
郭玉春1摇 徐惠龙2摇 陈芳育1摇 郭陞垚3摇 梁义元1摇 梁康迳1摇 林文雄1**
(1 福建农林大学作物遗传育种与综合利用教育部重点试验室, 福州 350002, 2 福建中医药大学药学院, 福州 350002; 3 福建 省泉州市农业科学研究所, 福建泉州 362212)
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 12 月摇 第 21 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2010,21(12) : 3231-3238
Differential protein analysis on the root response of rice with high phosphorous uptake effi鄄 ciency to low phosphorous stress. GUO Yu鄄chun1 , XU Hui鄄long2 , CHEN Fang鄄yu1 , GUO Sheng鄄yao3 , LIANG Yi鄄yuan1 , LIANG Kang鄄jing1 , LIN Wen鄄xiong1 ( 1 Ministry of Education Key Laboratory for Genetics, Breeding and Multiple Utilization of Crops, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 2 College of Pharmacy, Fujian University of Traditional Chineses Medicine, Fuzhou 350002, China; 3 Quanzhou Institute of Agricultural Science, Quanzhou 362212, Fujian, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(12) : 3231-3238. Abstract: A comparative proteomics analysis was performed to identify the molecular response of a rice cultivar ( Oryza sative cv. ‘ IRRI71331爷 ) with high phosphorous ( P) uptake efficiency to low P stress. The hydroponically grown rice plants were provided with two levels of P (0郾 5 mg·L-1 and 10 mg·L-1 ) supplied in quarter strength Kimura solution, and the root total proteins extracted on the 3rd and 6th day of treatments were separated by two鄄dimensional gel electrophoresis (2鄄DE) . Comparing with the control (10 mg·L-1 of P) , a total of 29 protein spots under low P stress (0郾 5 mg·L-1 ) showed differences in their relative abundance, among which, 17 were higher, 11 were lower, and 1 was novel on the 3rd day, and 8 were induced, 19 were suppressed, 1 was disap鄄 peared, and 1 had no obvious change on the 6th day. Ten differentially expressed protein spots were identified by MALDI鄄TOF / MS, and searched in protein databases. According to the putative func鄄 tions, the identified proteins were classified into four groups, i. e. , signal transduction ( glycine鄄 rich RNA鄄binding protein, phosphate starvation response regulator鄄like) , gene expression ( putative
自从 1984 年 Barber[4] 提出植物养分的生物有 效性概念以来,国外学者就低磷胁迫下植物( 作物) 的磷效率特性开展了一系列研究工作,从低磷胁迫 下植物的形态[5] 、生理生化和基因表达与调控[2,6-9] 等方面开展了植物磷营养有效利用研究,取得了大 量有价值的成果. 在国内,李振声等[1-3] 以小麦为材 料,历经 10 多年的系统研究,成功地选育出几个小 麦磷高效品种;其他学者则从水稻等作物种质资源 的筛选[1,10-11] 、 植 株 形 态 ( 根 构 型) [5,12] 、 生 理 生 化 ( 根系分泌物、铁载体、吸收动力学等) [1,13-16] 、基因 定位与表达[17-19] 等方面进行了大量的研究,为我国 作物磷素营养效率的研究积累了丰富的资料. 目前 水稻耐低磷( 磷高效) 在形态和生理生化特性的机 制研究已取得许多成果,但在遗传机制、基因的克隆 与定位,分子( 或基因或蛋白) 水平,特别是从蛋白 质组学方面,探讨水稻在土壤有效磷偏低的环境条 件下,如何充分利用其中“ 闭蓄态磷冶 的作用机制的 研究仍有待深入.
制的研究从蛋白组水平入手更为直观明了. 从目前 国内外相关研Fra Baidu bibliotek成果看,仅有少数几个研究小组从 核酸水平探讨了水稻根系应答低磷信号的有关基 因[8-9,19] ,而利用差异蛋白质组学从蛋白水平进行 磷高效水稻应答低磷诱导的研究仅见文献[16] .
Key words: rice; low phosphorous stress; high phosphorous efficiency; proteomics.
摇 摇 磷是作物三大必需营养元素之一. 我国自 20 世 纪 50 年代施用磷肥以来,土壤闭蓄态磷的储存累积 已高达 6郾 0伊107 t,总磷为有效磷的 100 ~ 600 倍,土 壤缺磷已转变为“ 遗传学缺磷冶 [1] . 研究表明,作物 利用土壤磷素的能力存在基因型差异[1-3] ,充分挖 掘磷高效基因是 21 世纪农业可持续发展的重要技 术途径之一,业已成为世界各国研究的热点.
基因调控研究表明,基因是遗传信息的源头,而 功能性蛋白却是基因功能和细胞赖以生存的各种代 谢和调控途径的主要执行者,尤其在逆境胁迫下,许 多参与信号传导、转录因子调节和细胞周期控制的 蛋白能迅速发生活性调节转换,这些变化只能通过 对差 异 蛋 白 的 分 析, 才 能 明 确 其 表 型 的 应 答 网 络[20] . 由此可见,有关生物应答逆境胁迫的分子机
摘摇 要摇 以 IR71331 为材料,通过水培试验,采用双向电泳分离不同磷浓度下( 低磷浓度为 0郾 5 mg·L-1 ,对照为 10 mg·L-1 ) 水稻生长 3 d 和 6 d 根系差异蛋白. 结果表明:与对照相比, 低磷胁迫下共有 29 个蛋白,其中 3 d 时间点有 17 个蛋白上调、11 个下调、1 个新增,6 d 时间 点有 8 个上调、19 个下调、1 个抑制表达、1 个无明显变化. 经鉴定,其中的 10 个差异表达蛋白 可归为信号转导相关蛋白、基因表达相关蛋白、代谢相关蛋白离子转运相关蛋白 4 个功能类 群. 信号转导相关蛋白分别为富含甘氨酸 RNA 结合蛋白和类似参与磷酸盐饥饿反应调控子; 基因表达相关蛋白分别为推定的 mRNA 前体剪接因子 SF2 和推定的 AAA 蛋白酶家族 FtsH; 代谢相关蛋白分别为腺苷酸琥珀酸裂解酶、丝氨酸蛋白酶抑制剂( serpin) 、S鄄腺苷蛋氨酸合成 酶( SAM) 和类似 MYB 类转录因子;离子转运相关蛋白分别为阳离子转运 ATP 酶和肌浆网膜 蛋白. 这些蛋白分别参与了信号识别、信号调控、mRNA 的剪接、信号传递、蛋白质降解、细胞 体内离子转运和平衡等生理过程. 其中 serpin、SAM 和 MYB 类转录因子是水稻响应低磷胁迫 的关键蛋白. 水稻根系对低磷胁迫存在着一个复杂的抗逆信号应答和代谢调控网络,其作用 机理可以通过差异表达的蛋白质得以体现. 关键词摇 水稻摇 低磷胁迫摇 磷高效摇 蛋白质组学 文章编号摇 1001-9332(2010)12-3231-08摇 中图分类号摇 Q74摇 文献标识码摇 A
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应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
pre鄄mRNA splicing factor, putative AAA鄄metalloprotease) , metabolism ( adenylosuccinate lyase, serpin, S鄄adenosylmethionine synthetase, MYB transcription factor鄄like protein) , and ion transport ( cation鄄transporting ATPase, sarcoplasmic reticulum protein ) . The identified proteins were in鄄 volved in various physiological responses to enhance stress resistance, such as signal recognition and transduction, RNA cleavage, degradation of denatured protein, and ion transportation and cellular ion balance. The serine protease inhibitor and S鄄adenosylmethionine synthetase and the MYB tran鄄 scription factor鄄like protein, which were the key proteins associated with P deficiency鄄 tolerance of other species, were affected by the same stress for rice. The results indicated that the tolerance to low P stress was controlled by a complex signal transduction and metabolism regulation network in rice root system.
*福建省自然科学基金项目(2007J0052) 、福建省教育厅科技项目(2006F5021) 和福建省高校新世纪优秀人才支持计划项目( ky0010086) 资 助. **通讯作者. E鄄mail: wenxiong181@ 163. com 2010鄄08鄄23 收稿,2010鄄10鄄12 接受.