蛋白质的变化与植物抗寒性的关系研究进展

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性的增加需要有蛋白 质 的 重 新 合 成 。Ｓａｒｈａｎ 发 现 小 麦 冷 驯 化 期 间 蛋 白 质 含 量 增 加［７］； 杨 亚 军 等［８］发 现 低 温 期 间 茶 树 叶 片 可 溶 性 蛋白含量和组分基本稳定， 而膜蛋白含量却大幅度上升， 且经低 温诱导出现了 ２ 种新的蛋白组分， 但在温度升高后消失， 推测它 们与茶树的抗寒性有关。在多种其他植物上的实验也同样表明 有蛋白质合成增加的现象， 可能是由于合成的加强或（ 和） 降解 速率的下降所致。
刘 慧 民 等［５］研 究 了 不 同 温 度 处 理 对 五 叶 地 锦 可 溶 性 蛋 白 含 量 的 影 响 ， 温 度 在 从－ １５～－ ３８℃的 下 降 过 程 中 ， 可 溶 性 蛋 白 含 量 呈递增趋势， － ３８℃处理与－ １５℃处理的差异显著， 说明试材内可 溶性蛋白含量的增加与温度变化有关， 模拟环境逐渐寒冷后， 可 溶性蛋白含量的增加能起到某种抗寒保护作用， 以提高试材抵 抗寒冷的能力。鲍思伟［６］研究发现， 在自然降温过程中， 云锦杜鹃 叶片中可溶性蛋白含量随气温下降而增加。用 ３５Ｓ 和 １４Ｃ－ 亮氨酸 分别标记一些经抗寒锻炼过的植物， 观察到这些同位素掺入可 溶性蛋白质中的量有增加的现象。这暗示了在抗寒锻炼中， 抗寒
生物技术通讯 ＬＥＴＴＥＲＳ ＩＮ ＢＩＯＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏｌ．１８ Ｎｏ．４ Ｊｕｌ．， ２００７
文章编号：１００９－ ０００２（２００７）０４－ ０７１１－ ０４
蛋白质的变化与植物抗寒性的关系研究进展
７１１ 综述范高等专科学校 生命科学系， 河南 郑州 ４５００４４； ２． 信阳职业技术学院， 河南 信阳 ４６４０００； ３． 南京林业大学 森林资源与环境学院， 江苏 南京 ２１００３７
ＹＡＮＧ Ｙｕ－ ｚｈｅｎ１， ＷＡＮＧ Ｌｉｅ－ ｆｕ２， ＰＥＮＧ Ｆａｎｇ－ ｒｅｎ３
１． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｎｏｒｍａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００４４8 ２． Ｘｉｎｙａｎｇ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｘｉｎｙａｎｇ ４６４０００8 ３． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｆｏｒｅｓｔ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００３７8 Ｃｈｉｎａ
［ 摘要］ 蛋白质的变化在植物抗寒生理研究中一直被广泛关注。低温胁迫期间在蛋白质含量变化的同时， 还可能发生质的
变化， 合成新的蛋白质— ——低温诱导蛋白。综述了低温胁迫期间植物体内蛋白质的变化， 重点阐述了抗冻蛋白、脱水蛋白和
热激蛋白等 ３ 种低温诱导蛋白的特性及其与植物抗寒性的关系， 并对该领域今后的研究做了展望， 为进一步阐明植物抗寒
植 物 抗 冻 蛋 白 （ ａｎｔｉｆｒｅｅｚｅ ｐｒｏｔｅｉｎｓ， ＡＦＰ） 是 植 物 在 适 应 低 温 过程中产生的抑制冰晶生长的抗寒功能蛋白之一， 包括不含糖 基的 ＡＦＰ 和含糖基的 ＡＦＧＰ， 具有 ３ 个基本特征［１３］， 即热滞效应、 冰 晶 形 态 效 应 和 重 结 晶 抑 制 效 应 。 植 物 抗 冻 蛋 白 是 １９９２ 年 Ｇｒｉｆｆｉｔｈ 等从经低温锻炼的能够忍受细胞外结冰的冬黑麦 （ Ｓｅｃａｌｅ ｃｅｒｅａｌｅ） 叶片质外体中首次发现的［１４］， 此后即成为研究热点。植物 抗冻蛋白的发现和研究揭示了植物抵御低温的重要途径， 为了 解植物的抗冻作用原理提供了新的思路， 同时也为生产实践提 供了理论依据。
尽管大部分研究结果认为蛋白质含量增加与植物抗寒性呈 正相关， 但也有少部分人认为二 者 没 有 关 系［９， １０］， 相 关 研 究 所 得 到 的结论不尽相同。之所以出现这种情况， 是因为植物的抗寒性是 不 稳 定 的 ， 可 能 随 时 间 、温 度 、含 水 量 、成 熟 期 、营 养 状 况 的 不 同 有不同的表现。简令成等在研究小麦的抗寒性时曾指出， 蛋白质 含量的增加， 不仅关系到植物抗寒性的发展， 还与植物的生长发 育有关［１１， １２］。但是， 抗寒性的提高和蛋白质合成的改变一定有关， 即低温胁迫期间蛋白质含量变化的同时， 还可能发生质的变化， 合成新的蛋白质。目前， 该领域已有大量研究成果。
２ 植物低温诱导蛋白的产生与植物的抗寒性
人们把在低温驯化下诱导产生的一系列蛋白称为低温诱导 蛋 白 （ ｌｏｗ－ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｒｏｔｅｉｎｓ） 或 冷 驯 化 蛋 白 （ ｃｏｌｄ ａｃ－ ｃｌｉｍａｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｔｅｉｎｓ， ＣＡＩＰ） ， 也 有 人 将 其 称 为 冷 调 节 蛋 白 （ ｃｏｌｄ ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ｐｒｏｔｅｉｎｓ， ＣＯＲＰ） ， 以 抗 冻 蛋 白 、脱 水 蛋 白 、热 激 蛋 白 和 热 稳 定 蛋 白 较 多 。随 着 蛋 白 质 分 离 提 纯 和 分 析 技 术 的 发 展 ， 已有近百种植物低温诱导蛋白被发现和研究， 其种类多样， 受多 种逆境因子的诱导和调控， 与植物抗寒性关系密切。 ２．１ 抗冻蛋白及其与植物的抗寒性
的 分 子 机 制 、提 高 植 物 的 抗 寒 力 提 供 了 新 的 思 路 。
［ 关键词］ 蛋白质； 低温诱导蛋白； 抗冻蛋白； 脱水蛋白； 热激蛋白； 抗寒性
［ 中图分类号］ Ｑ９４６．１8 Ｑ９４５．７８
［ 文献标识码］ Ａ
Ｔｈｅ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ Ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ Ｃｈａｎｇｅ ｏｆ Ｐｒ ｏｔｅｉｎｓ ａｎｄ ｉｔｓ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ Ｃｏｌｄ ｉｎ Ｐｌａｎｔｓ
Ｕｒｒｕｔｉａ 等［１７］认 为 ， ＡＦＰ 在 植 物 中 可 能 具 有 下 列 功 能 ： 抑 制 冰 重结晶； 降低冰晶的生长速度； 在某一特定温度下降低结冰水的 百分比； 保护细胞膜系统及阻止细胞内冰晶的形成。Ａｎｔｉｋａｉｎｅｎ
生物技术通讯 ＬＥＴＴＥＲＳ ＩＮ ＢＩＯＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏｌ．１８ Ｎｏ．４ Ｊｕｌ．， ２００７
［ 收稿日期］ ２００６－ １０－ １０ ［ 基金项目］ 国家自然科学基金项目（ ３０３７１１５４） ；
江苏省科技攻关项目（ ＢＥ２００５３６８） ［ 作者简介］ 杨玉珍（ １９６５－ ） ， 女， 博士研究生， 副教授 ［ 通讯作者］ 彭方仁， （ Ｅ－ ｍａｉｌ） ｆｒｐｅｎｇ＠ｎｊｆｕ．ｃｏｍ．ｃｎ
等［２０］根 据 冬 黑 麦 ＡＦＰ 的 研 究 结 果 ， 推 测 ＡＦＰ 可 能 主 要 起 ２ 种 作 用： 一种是屏障作用， 即避免增长的冰晶侵入叶表皮及细胞内； 另一种作用是抑制冰的重晶化。
对植物 ＡＦＰ 抗冻机理的 研 究 很 少 ， 但 有 关 鱼 类 ＡＦＰ 抗 冻 机 制有多种假说， 如结合水学说、空间屏障 及 吸 附 抑 制 学 说 等 。 目 前 普 遍 认 为 吸 附 抑 制 学 说 比 较 合 理［２１， ２２］， 它 很 好 地 分 析 了 冰 点 下 降的原因， 有一定的试验根据。但在植物体内， 热滞效应并不明 显， 而冰重结晶抑制效应显著， 故吸附抑制学说是否适应于植物 抗冻蛋白仍有待证实。 ２．２ 脱水蛋白及其与植物的抗寒性
１ 蛋白质含量变化与植物的抗寒性
低温胁迫会引起可溶性蛋白质含量发生变化， 其与植物抗
寒性的关系， 目前存在 ２ 种观点： 一种观点认为低温导致植物细 胞中可溶性蛋白质含量增加， 增强植物的抗寒性； 另一种观点则 认为可溶性蛋白质含量在抗寒锻炼中并没有实质性的改变， 或 者可溶性蛋白质的增加与植物抗寒性的增强并不存在因果关 系。
蛋白质的变化是植物抗寒生理研究中的一个很重要的方 面。植物生长在自然界中， 不可避免地受到一些不良环境的胁 迫， 其中低温是限制植物生长和分布的一个主要因素。许多温带 植物经过一段时间的冷驯化后， 抗寒力提高， 其抗寒力的高低因 植物种类而异［１， ２］。这说明植物抗寒力具有潜在的遗传特性， 冷驯 化能诱导其潜能的表达并使植物发挥 最 大 的 抗 寒 力 ［３］。 研 究 发 现 ， 植 物 在 冷 驯 化 过 程 中 ， 出 现 众 多 生 理 、生 化 和 分 子 生 物 学 上 的变化， 包括许多受低温调节的特异蛋白、糖、渗 透 调 节 物 质 （ 甜 菜碱和脯氨酸等） 的增加， 膜结构与组成的改变和一些新酶的出 现等［１］。目前， 人们对受低温调节的蛋白质的变化兴趣更大， 并对 大多数植物进行了抗冷性诱导实验， 均发现低温胁迫会引起植 物细胞中可溶性蛋白质含量发生变化， 并有特异蛋白的产生， 且 与 植 物 的 抗 寒 性 密 切 相 关 ［４］。低 温 引 起 蛋 白 质 的 变 化 对 所 研 究 过 的生物体似乎是一个普遍的规律， 它们在植物抗寒中的作用日 益受到人们的关注， 成为现今植物抗寒研究中的热点之一。
目前， 已在 ４０ 余种植物材料中开展过植物 ＡＦＰ 的研究， 并 陆续在冬黑麦等至少 ２６ 种高等植物的 叶 片 、悬 浮 培 养 细 胞 及 愈 伤 组 织 中 获 得 具 有 热 滞 活 性 的 ＡＦＰ［２， １５， １６］。 在 美 国 印 第 安 那 州 的 １６ 种 被 子 植 物 及 常 绿 植 物 中 ， 秋 、冬 季 均 可 检 测 到 ＡＦＰ， 但 夏 季 消 失［１７］， 这 表 明 抗 冻 蛋 白 是 一 类 低 温 诱 导 蛋 白 质 ， 是 抗 冻 植 物 对 冬季低温较普遍的适应机制。ＡＦＰ 的 ３ 个基本特性表明， 在低温 下它与冰晶的形成直接相关， 因此， 它对植物的保护作用是直接 的； 其他冷诱导蛋白只是间接调节酶或通过信号传导等一系列 温度适应来调节植物的抗寒性。胡萝卜 ＡＦＰ 基因在非冷驯化状 态下不表达， 在冷驯化状态下表达水平迅速而特异性地提高［１８］； 而 转 基 因 植 物 的 ＡＦＰ 通 常 只 在 低 温 （ ４℃） 诱 导 下 才 能 检 测 到 其 表 达［１９］。
［ Ａｂｓｔｒ ａｃｔ］ Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｂｅｉｎｇ ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｒｅｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｎｔ ｃｏｌｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｐｈｙｓｉ－ ｏｌｏｇｙ． Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｉｎ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｎｅｗ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｎａｍｅｄ ｌｏｗ－ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ａｒｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｌｏｗ－ ｔｅｍｐｒｅｔｕｒｅ ｓｔｒｅｓｓ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ－ ｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ－ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ａｎｔｉｆｒｅｅｚｅ ｐｒｏｔｅｉｎｓ， ｄｅｈｙｄｒｉｎｓ ａｎｄ ｈｅａｔ－ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｔｅｉｎｓ． Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｌｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｆｉｅｌｄ ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｃｌａｒｉｆｙ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃ－ ｕｌａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ａｂｏｕｔ ｃｏｌｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｐｌａｎｔｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ， ａｎｄ ａ ｎｅｗ ｔｒａｉｎ ｆｏｒ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｌｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｐｌａｎｔｓ ｗａｓ ｏｆｆｅｒｅｄ． ［ Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ］ ｐｒｏｔｅｉｎｓ8 ｌｏｗ－ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｒｏｔｅｉｎｓ8 ａｎｔｉｆｒｅｅｚｅ ｐｒｏｔｅｉｎｓ8 ｄｅｈｙｄｒｉｎｓ8 ｈｅａｔ－ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｔｅｉｎｓ8 ｃｏｌｄ ｒｅｓｉｓ－ ｔａｎｃｅ