蛋白质组学在园林植物中的应用

• 蛋白质组的组成远比基因组庞大和复杂。一个基 因可以产生多于一个的蛋白质，越高等的细胞， 这种数量上的差异越明显。一个基因可经基因内 的重组或在 转录中经不同的剪接翻译成不同的蛋 白质，而蛋白质又可能存在不同翻译后的修 饰。 因此，即使可以对基因组全部读出，仍不足以对 蛋白质的种类和数量加以描述和预测，更不用说 由蛋白质演绎的复杂生命活动了。实验也证明， 组织中mRNA丰度与蛋白质丰度的相关性并不好 ，尤其对于低丰度蛋白质来说，相关性更差。 更 重要的是，蛋白质具有相对独立的代谢过程。由 DNA编码合成的蛋白质，在其运输、装备方式、 降解时间和途径等方面与编码它的DNA具有相对 独立性。
• 蛋白质生物信息学 • 生物信息学是采用计算机技术和信息论方法研究 蛋白 质及核酸序列等各种生物信息的采集,储存、 传递、检索、 分析和解读的一门新兴学科，以达 到理解生物大分子信息的生物学意义。蛋白质组 的信息主要包括蛋白质的性质、 结构与功能,有关 这方面的研究将大大难于以前仅仅序列的研究， 目前在互联网上已经建立了许多蛋白质组数据 库 ，如NCBInr、SWISS-PORT、PIR、PROSITE等 ，这些数据库的建立使蛋白质快速鉴定成为可能 。
• 亚细胞蛋白质组学研究 • 全景式的蛋白质的亚细胞定位、蛋白质与蛋白质 之间相互作用以及蛋白质的动态变化等成为生物 学家们关注的热点。其中，蛋白质的亚细胞定位 研究对于系统地理解植物形态建成、生长发育甚 至逆境耐性等都是必不可少的环节，也是功能基 因组学的重要内容。 • 亚细胞蛋白质组学研究主要包括质体、线粒体、 细胞膜、细胞壁和细胞外蛋白质组学、分泌组学 、细胞核和核仁蛋白质组学、亚细胞混合物成分 的蛋白质组学等的研究。
• 植物器官发育相关的蛋白质组学研究 • 根、茎、叶、花、花粉、种子、果实 • 果实在发育过程中，蛋白质含量不断变化，与成熟时相比 ，处在发育阶段的果实蛋白质含量相对较高。Faurobert M等研究番茄发育和成熟过程中主要蛋白质组变化的试验 时发现，共有7种蛋白参与果实发育，分别为胁迫反应相 关蛋白，碳水化合物代谢相关蛋白，氨基酸代谢相关蛋白 ，信号传导相关蛋白，光合作用、呼吸作用相关蛋白，蛋 白质命运相关蛋白，次生代谢相关蛋白。其中与胁迫反应 相关的蛋白含量最多，在果实发育后期上调；与氨基酸代 谢和蛋白质合成相关的蛋白在细胞分裂时期有表达，不久 后该蛋白表达下降；在细胞膨大时期，与光合作用、细胞 壁合成相关的蛋白会持续增加；大部分与碳水化合物代谢 和氧化还原过程相关的蛋白在果实发育前期表达量增加， 含量稳步增长，在果实成熟时含量最大。果实在发育过程 中，高表达的蛋白主要存在于细胞质和叶绿体中，主要参 与糖、蛋白质代谢，光合作用，细胞壁代谢等过程。而在 果实成熟过程中，高表达的蛋白主要是与胁迫反应相关的 蛋白。
• 1994年，在意大利召开的一次科学会议上 ，澳大利亚学者威尔金斯(Marc Wilkins)和 威廉姆斯(Keith Williams)首次提出蛋白质组 学(Proteomics)一词，并 由Wasinger等在 1995年首次在Electriphoresis上发表。蛋白 质组是指一个细 胞,一种组织或一个机体的 基因组所表达的全部相应的蛋白质，是从 整体水平上研究细胞内蛋白质 的组成及其 活动规律。
• 果实发育成熟是果实生命周期的一个阶段，这期 间经历着一系列复杂的代谢变化，包括呼吸作用 的改变，叶绿素以及多糖的降解，类胡萝卜素、 芳香物质和各类植物激素的合成等。近年来，越 来越多的证据已经证明，果实成熟是一系列成熟 相关基因时空表达以及相互作用的结果。蛋白质 组学技术在果实发育研究中的应用，可为全面、 系统地阐明果实发育机制提供有价值的线索。 • 另外，蛋白质组学将在种子功能基因组研究中扮 演越来越重要的角色，也会在遗传育种、种子品 质的鉴定、种间和种内的遗传学特性研究和种子 的发育机理等方面的研究中起到越来越重要的作 用。
• 蛋白质鉴定技术 • 蛋白质组分通过双向电泳等技术分离后，必须通过适当技 术鉴定，才能知道蛋白质组成分的性质、结构和功能 及 其各蛋白质间的相互作用关系。 • MALDI-TOF/TOF质谱鉴定实验技术：一级、二级质谱联 用鉴定蛋白质，主要用于单一蛋白或简单混合物鉴定。 • shotgun LC-MS 质谱鉴定实验技术服务：蛋白质混合物经 过液相分离与质谱联用鉴定，一次可鉴定数十至数百种蛋 白质。 • iTRAQ实验技术服务：同位素体外标记后液质联用鉴定蛋 白质，且同时分析蛋白质表达差异，可高通量分析。 • 2D western blot实验技术服务：蛋白质经过双向电泳分离 后，进行western blot检测，可用于翻译后修饰研究、寻 找优势抗原等。
• 标记蛋白的双亲和纯化技术可以更有效地 分离纯化与所研究蛋白相互作用的蛋白质 。它可应用于多个方面，如蛋白质复合体 组分的鉴定、蛋白质之间相互作用研究以 及功能研究等。 • 表面等离子共振技术在选择性回收靶蛋白 中具有特异性和极高的敏感性，并能有效 区别靶和非靶物质。它还可用于蛋白结构 和功能关系的分析。
蛋白质组学 在园林植物中的应用
蛋白质组学产生的背景 及其研究意义
• 随着人类基因组计划的实施和推进，生命科学研究已 进入了后基因组时代。 在这个时代，生命科学的主要研 究对象是功能基因组学，包括结构基因组研究和蛋白质组 研究等。尽管现在已有多个物种的基因组被测序，但在这 些基因组中通常有一半以上基因的功能是未知的。目前功 能基因组中所采用的策略，如基因芯片、基因表达序列分 析等，都是从细胞中mRNA的角度来考虑的，其前提是细 胞中mRNA的水平反映了蛋白质表达的水平。但事实并不 完全如此，从DNA到 mRNA再到蛋白质，存在三个层次 的调控，即转录水平调控，翻译水平调控， 翻译后水平 调控。从mRNA角度考虑，实际上仅包括了转录水平调控 ，并不能全面代表蛋白质表达水平。
蛋白质组学在园林植物研究中 的应用
• 蛋白质组学在园林植物研究中的应用主要 包括亚细胞蛋白质组学，植物器官发育相 关的蛋白质组学，生物和非生物胁迫蛋白 质组学，植物激素蛋白质组学,翻译后修饰 （PTMs,Post-translational modifications， 相互作用组学，植物遗传多样性分析，蛋 白标记遗传作图与候选蛋白等方面。
• 蛋白质-蛋白质相互作用组学 • 在植物领域已有的研究蛋白相互作用的方 法主要有酵母双杂交技术、双分子荧光互 补实验和Western blottin。 • 在1980年晚期人们引进了非变性胶电泳来 研究膜蛋白的蛋白-蛋白相互作用。它开始 时是用于番茄呼吸链蛋白酶的研究，现已 拓展到用于研究各种各样的膜结合蛋白和 质体中的可溶性成分。
•利用蛋白质组学方法研究功能基因组可以从基因序列预 测基因产物的翻译情况，基因产物的相对浓度，基因产 物翻译后的修饰程度这三方面入手。它们的信息弥补了 从核酸序列研究功能基因组的不足。
• 因此，只有通过对所有蛋白质的总和进行 研究，即开展蛋白质组学研究，才能更加 贴近对生命现象和本质的掌握。虽然蛋白 质的可变性和多样性等特殊性质导致了蛋 白质研究技术远远比核酸技术要复杂和困 难得多，但正是这些特性参与影响着整个 生命过程。蛋白质组学研究的开展不仅是 生命科学研究进入后基因组时代的里程碑 ，也是后基因组时代生命科学研究的核心 内容之一。
• GPI-锚定是一种特殊形式的糖基化，通常 修饰一些蛋白的C-末端，把它们加到细胞 膜外面。GPI-锚定蛋白（GPI-Aps)独特的 功能和结构特点揭示出它们在植物发育和 分化的信号转导中具有重要作用。 • 初步的研究结果表明，植物生长发育的很 多方面受泛素蛋白酶体介导的蛋白降解途 径的调控。植物生命的各个方面都是通过 精确调节新多肽合成和已有多肽降解来进 行控制的。因此，这种基于多肽的PTMs在 植物细胞分裂以及对激素、光、生物和非 生物胁迫的响应中广泛存在。
• 植物激素蛋白质组学研究
• 蛋白质翻译后修饰 • 蛋白质磷酸化和去磷酸化是蛋白质修饰中最普遍 、最重要的形式。它参与了生物细胞信号转导、 细胞分化和细胞生长等重要过程，在调节生命活 动中起着重要的开关作用。当前，磷酸化蛋白质 组学的主要研究内容包括鉴定磷酸化蛋白、定位 磷酸化位点、定量磷酸化水平，进而解释磷酸化 和去磷酸化在生命过程中所起的生物学功能。 • 对植物蛋白氧化还原修饰（氧化还原蛋白质组） 的研究较少，其中大多数集中于对包含有半胱氨 酸残基蛋白的系统鉴定、对一部分蛋白如Trxs、 glutathionylation，亚硝酰基化和羰基化候选蛋白 的分离和鉴定上。
蛋白质组学研究的主要技术体系
• 目前蛋白质组学的研究主要依赖3大技术:蛋 白质分离技术、蛋白质鉴定技术和蛋白质 生物信息学。
• 蛋白质分离技术 • 双向凝胶电泳技术（2-DE）是经典蛋白质组学技术，具 有其他技术不可比拟的蛋白质高分辨率，能分离任何蛋白 质样本。第一向依据蛋白质所带电荷量的不同，用等电点 聚焦技术分离蛋白GE）是双向电泳技术的重要突 破，比经典的2-DE具有更高的动力学范围和灵敏性。 采 用两种不同的荧光染料分别标记不同的蛋白样品，然后样 品等量混合，在同一块凝胶上分离，并通过多通道激光扫 描分析不同蛋。2D-DIGE技术克服了双向电泳过程中不同 凝胶间重复性差的问题，同时可以在同一块胶上更精确直 观地观察两种样品蛋白质的差异表达，定量更加精确 。 • iTRAQ实验技术：同位素体外标记后液质联用鉴定蛋白质 ，且同时分析蛋白质表达差异，可高通量分析。
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植物遗传多样性分析 种内的遗传变异性 种间的遗传变异性 品种鉴定
• 生物和非生物胁迫蛋白质组学研究 • 植物在生长过程中可能会受到来自环境的多种胁 迫,包括以高温、低温、干旱、水涝、高盐、臭氧 、光照、矿物质、酸雨、辐射、重金属和机械损 伤为代表的非生物因素环境胁迫和以诱导子、细 菌、真菌、病毒和植食性动物为代表的生物因素 环境胁迫。植物通过改变自身的蛋白质表达水平 来对各种环境胁迫作出响应,因此蛋白质组学技术 方法能够更好地揭示植物耐受胁迫相关的重要蛋 白质群组的动态变化规律,发现植物响应环境胁迫 的重要标志物，拓展植物耐受胁迫机制的认识。