水稻蛋白质组学

• 水稻生长对低温条件也非常敏感，特别是 在生殖生长阶段，低温会导致水稻花粉败 育从而严重影响产量[34]。Imin等人[35]研 究了低温对水稻花粉发育早期阶段的花药 蛋白质表达的影响。通过双向电泳图谱分 析，有70个蛋白质在低温处理之后发生了 变化。其中，12个为低温诱导新产生的蛋 白质，47个为低温上调蛋白质，另外11个 为低温下调蛋白质。Yan等人[36]发现在低 温胁迫下水稻小苗叶片上有31个蛋白质下 调，65个上调，对其中85个蛋白质质谱检 测结果表明有一些为未知的低温响应蛋白。
• 最近，Zhao等人[25]对水稻6个不同发育时期叶片 的蛋白质表达模式进行了研究。比较分析显示有 49个蛋白点在不同时期的凝胶上发生了显著变化。 中高丰度表达的蛋白质随着水稻的生长，其累积 量会有所下降，而一些抗氧化蛋白质的累积量则 在水稻成熟早期显著降低。 • 目前，已经对水稻的根、茎、叶、叶鞘、花药、 花粉、胚、胚乳等器官，以及某些组织的不同发 育时期进行了大量的研究（见图1）。
• Agrawal等人[30]利用双向电泳分离技术研究了臭 氧胁迫对水稻幼苗的影响。通过比较分析发现， 臭氧处理后水稻叶片共有56个蛋白质的表达量发 生了变化。表达显著降低的主要是与光合作用相 关蛋白质。Shen等[31]人对水稻幼苗叶鞘应答伤 害信号的蛋白组研究表明，水稻伤害48小时后至 少有29种蛋白质发生变化，其中10种蛋白质上调 或诱导表达，19种蛋白质表达受抑制。在这些蛋 白中，胰蛋白酶抑制剂（BBTI）、受体激酶、钙 调素相关蛋白是伤害应答相关蛋白，它们在植物 的伤害反应中具有重要的生理功能。
蛋白质组学的研究方法
• • • • • 双向凝胶电泳 图象分析技术 质谱技术 蛋白质相互作用的方法 蛋白质组生物信息学
水稻蛋白质组学的研究背景
• 水稻是世界上最重要的三大粮食作物之一，养活了世界一 半以上的人口。水稻也是我国的第一大农作物，在粮食生 产和国民经济中起着极其重要的作用。 • 水稻是目前已知的禾本科植物中基因组最小的植物，约为 430MB。2002年中国科学家和Syngenta公司的科学家分 别发表籼稻和粳稻基因组“工作框架图” ，继后日本和 中国的科学家又分别公布了粳稻第1号和第4号染色体的全 序列]以及籼稻粳稻基因的“精细结构图”，成为基因组 学研究的又一个重要里程碑。 • 水稻基因组研究取得的巨大成果为进一步揭示水稻生命活 动的规律提供了坚实的基础。水稻蛋白质组学已成为功能 基因组学时代的前沿和热点。目前，水稻蛋白质组学虽然 主要集中在对水稻各个组织器官及亚细胞基本表达模式的 研究，但是水稻环境胁迫应答过程的比较蛋白质组学研究 和水稻突变体及激素的蛋白质组学研究也在逐步的深入和 发展。
参考文献： 参考文献：
• • • • • • • • • • • • [1] Lander, et al. Initial sequencing and analysis of the human genome.Nusbaum & International Human Genome Sequencing Consortium. Nature, 2001,409:860～921 [2] 梁宇,荆玉祥,沈世华.植物蛋白质组学研究进展.植物生态学报, 2004，28 （1）:114-115 [3] Wilkins M R，Williams K L，Appel R D，et a1．Proteome research： new frontiers in functional genomics[M]．Germany：Springer，1997． [4] 甄朱.蛋白质组学进展[Ｊ]. 生物工程学报,2001,17(5):491～493. [5] 张晓勤, 王慧中. 水稻蛋白质组学研究进展. 湖北农业科学,2005， 6: 106-109. [6] 0’Farrell P H．High Resolution Two－dimensional Electmphoresis of Proteins[J]．J．Bio1．Chem，1975，(250)：4007-4021． [7] 詹显全,陈主初.蛋白质组中蛋白质鉴定技术的研究近况.国外医学分子生 物学分从册,2002, 24（3） [8] Gary Siuzdak. Mass Spectrometry for Biotechnology. Academic Press, Inc. 1996,1:2~4. [9] Paul R Graves ，et al. Molecular biologist's guide to proteomics. Microbiol Mol Biol Rev. 2002，66(1):39-63 [10] Auerbach D，Thaminy S，Hottiger M O，et a1．The Post-genomic Ea of Interactive Proteomics：Facts and Perspectives[J]．Proteomics， 2002(2)：61 1-623．
激素蛋白质组研究
• 激素在植物一生中起着重要的调控作用,研究植物 激素的信号传导和作用机理是蛋白质组学的重要 组成部分之一。 • Moons等鉴定了水稻根中3个受ABA诱导的蛋白质, 其氨基酸序列测定确定其中2个属于胚胎后期丰富 蛋白(LEA)的2组和3组,第三个未知。Shen和 Komatsu[38]将水稻叶鞘用5 µmol/L赤霉素处理不 同时间后的蛋白经2D-PAGE分离和计算机图像分 析,看到33个蛋白发生变化,其中21个蛋白点表达 增强,12个蛋白表达减弱,说明赤霉素处理水稻叶 鞘起码有30多个基因的产物与之相关。对其中的 钙网蛋白(Calreticulin)进行了深入分析,发现它有2 个不同等电点(PI)蛋白点,随赤霉素处理时间增 加,PI 4.0的蛋白点逐渐消失,而PI 4.1蛋白点浓度 则逐渐增加。
水稻组织器官蛋白质组学研究
• 水稻蛋白质组的早期工作集中在对各个器 官组织进行基本蛋白质表达谱的研究，主 要目的是建立蛋白质组数据库，确定一些 基因在水稻不同组织、器官和发育阶段表 达的特异性，以及基因表达的时空顺序关 系等，从而为更进一步研究其生长发育规 律提供基础。
• 近年来，随着水稻基因组测序完成，用蛋白质组学方法快 速、大量、系统、全面地研究水稻的生长发育过程及其调 控机理取得了进展。Imin等[22]分析水稻品种 Oryza sativa L. cv Doongara幼嫩小孢子阶段花药的蛋白质组， 鉴定了43种不同的蛋白，其中功能已知的有37种，这些蛋 白质绝大多数是一些持家基因的表达产物。Kerim等[23] 比较了不同花粉发育时期水稻花药的蛋白质表达模式，发 现有150个蛋白的表达在花粉发育过程中发生了变化。 Koller等人[24]将2-DE加串联质谱与多维蛋白鉴定技术结 合起来对水稻叶、根以及种子的全蛋白进行了分离和鉴定。 在叶、根和种子中分别鉴定到了1022、1350和877个不同 的蛋白质。这些蛋白按它们功能的不同可以分为16类。其 中代谢相关蛋白占20.8%，其它蛋白质参与了细胞生长分 裂、DNA合成、细胞衰老死亡及防御、细胞信号传导、细 胞分化、细胞发生等生理生化过程的调控。
• 由此说明钙网蛋白在赤霉素信号传递调节叶鞘伸 长中是一个重要组分。Rakwal和Komatsu[39]用 外源茉莉酸(Jasmonic acid)处理水稻的幼苗组织, 通过2D-PAGE分析发现在水稻的茎和叶中诱导了 新蛋白质。对蛋白质点进行Ｎ-端和内部测序及免 疫杂交分析,发现茎中有28ｋＤ的蛋白酶抑制剂 (BBPIN)和酸性的与病理有关的17ｋＤ蛋白质 (PR-1)。免疫杂交分析表明茉莉酸处理后这些蛋 白质的表达具有组织特异性和发育阶段特异性,说 明外源茉莉酸处理可以引起与植物自我防御机制 有关的基因在茎、叶组织中的特异性表达。
• 发现对照只有20个被氧化的蛋白质，而处理有32 个被氧化的蛋白质。Khan和Komatsu[28]研究了 水稻细胞核的蛋白质组成情况。他们分离到了 549个核蛋白，Edman测序和质谱分析鉴定了其 中的190个蛋白质。其中信号传导和基因调控相 关蛋白占主导地位。Tanaka等[29]系统地分析鉴 定了水稻其它一些亚细胞结构的蛋白质组成。鉴 定出的蛋白质有58个质膜蛋白、43个液泡膜蛋白 质、46个高尔基体膜蛋白质、146个线粒体蛋白 质和89个叶绿体蛋白质。这是迄今为止对水稻亚 细胞结构最全面的蛋白质组分析。
图1 已经进行了蛋白质组研究的水稻组织
水稻亚细胞水平的蛋白质组研究进展
• 亚细胞组学是进行蛋白质功能和定位研究的必经 之路。目前水稻蛋白质组学研究也已经深入到亚 细胞水平，即研究在一个细胞器内表达的蛋白质 组（见图2）。Millar等人[26]对分离纯化出的完整 的水稻线粒体，利用IEF/SDS-PAGE、BN/SDSPAGE以及RE-HPLC等多种技术手段进行了水稻 线粒体蛋白质组的研究。他们一共鉴定出了136 个蛋白质，其中有23个蛋白质的功能是未知的。 Kristensen等通过二维液相色谱（2D-LC）和ESIQTOF的技术手段研究了水稻线粒体在过氧化条 件下蛋白质的变化情况。
蛋白质组学在水稻研究中的应用
摘要： 摘要：
• 蛋白质组学研究是功能基因组研究的重要 手段。本文简述了蛋白质组学研究的背景、 内容、意义及方法；详述了蛋白质组学在 水稻组织器官的发育、亚细胞水平结构， 逆境胁迫、激素诱导和突变体的形成等方 面的应用研究；同时列出当前日益丰富的 水稻蛋白质组数据库，并对水稻蛋白质组 学研究进行了展望。
图2 已经进行了蛋白质组研究的水稻细胞器 (引自 引自http://gene64.dna.affrc.go.jp/RPD/database_en.htmL) 引自
胁迫蛋白质组研究
• 基因的表达受各种环境因子的影响，主要 包括生物和非生物因子胁迫等。用各种胁 迫处理水稻，可以分离新的蛋白及基因， 同时可深入了解水稻对这些环境胁迫的适 应机制，对于生产实践具有重要意义。
水稻蛋白质组学生物信息学的发展
• 随着水稻蛋白质组学以及生物信息学的发展，水 稻蛋白质组学相关的数据库得到不断地充实完善。 水稻蛋白质组学研究相关的主要网站有:SWISS2DPAGE数据库中国镜像站点 （/ch2d/），该数据库提供双 向电泳参考图谱及在线检索软件等；水稻蛋白质 组数据库Rice Proteome Database （http://gene64.dna.affre.go.jp/rpd/）。这为蛋白 质组学研究常敏感。 对水稻叶鞘响应干旱胁迫的蛋白质组研究 表明，有10种蛋白质的表达受促进，2种受 抑制，这些蛋白质与抗逆、细胞构建等作 用有关。Salekdeh等[33]提取经过干旱胁迫 处理的三周龄水稻叶片蛋白质进行电泳后， 42种蛋白表达在胁迫前后有明显差异。经 过鉴定，这些蛋白包括组成细胞干旱应答 途径中与蛋白质合成、RNA合成、光合作 用和碳代谢、抗氧化等相关的蛋白质。