藻類響應(yīng)環(huán)境脅迫的蛋白質(zhì)組變化研究進(jìn)展 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘要 環(huán)境變化會(huì)影響植物的生長與代謝。近來，藻類植物應(yīng)答環(huán)境脅迫的蛋白質(zhì)組學(xué)研究已成為熱點(diǎn)。整合分析了藻類植物應(yīng)答各種環(huán)境脅迫（鹽、重金屬、溫度、光和營養(yǎng)元素等）的蛋白質(zhì)組學(xué)研究結(jié)果，為全面理解藻類植物響應(yīng)環(huán)境脅迫的代謝調(diào)控機(jī)制提供了重要的信息。 關(guān)鍵詞 藻類植物；蛋白質(zhì)組學(xué)；環(huán)境脅迫；響應(yīng) Q786 A 1007-5739（ 2013） 03-0244-02 植物生長環(huán)境的改變會(huì)對植物生長造成危害，這也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中面臨的主要問題 1。藻類植物是單細(xì)胞或無維管組織的多細(xì)胞生物。一些重要藻類植物（如螺旋藻、海帶、紫菜等）憑借其生長迅速、易于培養(yǎng)、占用培養(yǎng)空間小等優(yōu)勢，被廣泛作為食用或藥用植物資源。近年來，隨著藻類基因組資源的豐富，科學(xué)家們已經(jīng)利用不斷完善的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)對藻類植物應(yīng)對環(huán)境脅迫過程的蛋白質(zhì)表達(dá)變化進(jìn)行了研究。這對研究藻類植物應(yīng)對環(huán)境脅迫的適應(yīng)機(jī)制、改善作物抗逆能力、提高產(chǎn)量具有重要意義 2-7。本文綜述了近年來藻類植物應(yīng) 對鹽、重金屬、溫度、光和營養(yǎng)脅迫的蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)展，為深入認(rèn)識藻類植物鹽脅迫應(yīng)答機(jī)制提供了線索。 1 鹽脅迫 鹽脅迫影響植物重要代謝活動(dòng)，限制植物增殖，在全世界范圍內(nèi)妨礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。 Mastrobuoni et al 1分析了萊茵衣藻（ Chlamydomonas reinhardtii）在鹽脅迫條件下代謝組和蛋白質(zhì)組的動(dòng)態(tài)變化，指出萊茵衣藻主要通過脯氨酸積累響應(yīng)鹽脅迫，并推測脯氨酸代謝的增強(qiáng)主要受蛋白質(zhì)翻譯后修飾調(diào)節(jié)。同時(shí)， Yokthongwattana et al 7利用雙向電泳技術(shù)分析了萊茵衣藻（ C. reinhardtii）響應(yīng)鹽脅迫的差異表達(dá)蛋白質(zhì)組，其中鹽脅迫誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)功能主要參與碳與能量代謝、基礎(chǔ)代謝、蛋白質(zhì)翻譯和脅迫應(yīng)答等功能，其中一些分子伴侶蛋白（如熱激蛋白）以及蛋白質(zhì)翻譯相關(guān)的蛋白質(zhì)（如核糖體蛋白質(zhì)）是重要的持家蛋白質(zhì)。此外，耐鹽藻類杜氏鹽藻（ Dunaliella salina）可以通過迅速合成或降解體內(nèi)的甘油含量，適應(yīng)高鹽 /低鹽的生長環(huán)境。 Liska et al 8鑒定了杜氏鹽藻中 76 種鹽脅迫應(yīng)答蛋白質(zhì)，其中參與卡爾文循環(huán)、淀粉合成和能量代謝的關(guān)鍵酶上調(diào)表 達(dá)。這表明杜氏鹽藻通過光合 CO2 同化作用的增強(qiáng)以及碳與能量資源的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)甘油合成，從而適應(yīng)高鹽環(huán)境。 Katz et al 9也鑒定了 55 種杜氏鹽藻質(zhì)膜的蛋白質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)，參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的 GTP 結(jié)合蛋白在高鹽脅迫時(shí)上調(diào)表達(dá)，可能在杜氏鹽藻應(yīng)答高鹽時(shí)具有重要作用。 2 重金屬脅迫 重金屬污染（如銅、鉻、鎘等）給海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來了重大的威脅。近期的蛋白質(zhì)組學(xué)研究揭示了部分藻類植物應(yīng)答鉻和鎘脅迫的代謝機(jī)制。在重金屬脅迫下，綠藻（ Pseudo-kirchneriella subcapitata） 10與萊茵衣藻（ C.reinhardtii） 11中的光合作用相關(guān)蛋白質(zhì)表達(dá)豐度發(fā)生了變化，其中參與卡爾文循環(huán)的核糖 -1， 5-二磷酸羧化酶 /加氧酶 10-11、核糖 -1， 5-二磷酸羧化酶 /加氧酶活化酶10，光捕獲葉綠素 a/b 蛋白質(zhì)復(fù)合體 10和葉綠素 a/b 結(jié)合蛋白 10表達(dá)下調(diào)。 Gillet et al 11發(fā)現(xiàn)，萊茵衣藻中重金屬鎘脅迫應(yīng)答蛋白質(zhì)受到細(xì)胞內(nèi) 2 個(gè)主要的硫氧還原系統(tǒng)（硫氧還原蛋白和谷氧還原白）的調(diào)控。此外，海藻 球藻（ Nannochloropsis oculata）在響 應(yīng)金屬鎘脅迫時(shí)，參與糖酵解途徑的 3-磷酸甘油醛脫氫酶表達(dá)受到抑制 12。銅是生命所必須的微量元素，但是高濃度的銅也會(huì)對生物產(chǎn)生巨大的毒性作用。受到銅脅迫的褐藻門的 Ectocarpus siliculosus13和萱藻屬的 Scytosiphon gracilis14中參與磷酸戊糖途徑的葡萄糖 -6-磷酸脫氫酶積累，這為細(xì)胞提供應(yīng)能量參與脅迫應(yīng)答 13。同時(shí)，參與谷胱苷肽代謝的絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶和半胱氨酸合酶的積累，促進(jìn)了谷胱苷肽的形成，這可能與解毒酶谷光苷肽 -S-轉(zhuǎn)移酶活性相關(guān) 13。人們還發(fā)現(xiàn)， 過氧化物酶的上調(diào)表達(dá)可以幫助去除氧化脅迫產(chǎn)生的超氧化物，而參與蛋白質(zhì)折疊與穩(wěn)定相關(guān)的熱激蛋白上調(diào)表達(dá)，對于在應(yīng)對重金屬銅脅迫過程中蛋白質(zhì)折疊起著重要作用 13-14。更重要的是，人們發(fā)現(xiàn)特異性耐受銅脅迫的依賴釩溴代過氧化物酶，可以用來螯合細(xì)胞內(nèi)過量的銅離子，這有利于產(chǎn)生應(yīng)對非致死劑量銅的耐受力 13。 3 高溫與低溫脅迫 水溫的改變影響藻類植物的生長。硅藻門角毛藻屬的Chaetoceros neogracile15在 4 環(huán)境中可以正常生長，而當(dāng)生長溫度降至 0 時(shí)，參與碳與能量 代謝、基礎(chǔ)代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)折疊等過程的蛋白質(zhì)發(fā)生了變化。其中，參與碳與能量代謝的核酮糖 -1， 5-二磷酸羧化 /加氧酶，葡萄糖 -6-磷酸異構(gòu)酶表達(dá)下調(diào)，而 ATP 合酶表格上調(diào)。這表明在低溫環(huán)境中，南極藻改變了碳與能量代謝的模式 15。Muhlhaus et al 5利用基于 N15 代謝標(biāo)記的定量鳥槍蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)分析了萊茵衣藻應(yīng)答熱脅迫的蛋白質(zhì)變化。其結(jié)果表明， 25 種伴侶蛋白和 13 種參與染色質(zhì)重塑、信息轉(zhuǎn)導(dǎo)、程序性死亡、光合作用光反應(yīng)等過程的蛋白質(zhì)表達(dá)上調(diào)。 4 光照脅迫 過量的光照 影響植物光合器官結(jié)構(gòu)，從而影響植物生長。在萊茵衣藻耐受強(qiáng)光照射的 VHL 突變體中， DEAD-box RNA 解旋酶、核酸結(jié)合蛋白 NAB1、 RNA 結(jié)合蛋白 RB38 表達(dá)下調(diào)，而氧進(jìn)化增強(qiáng)蛋白（ OEE1）表達(dá)上調(diào) 16。然而，野生型萊茵衣藻在響應(yīng)光脅迫時(shí)，熱激蛋白 70 和分子侶伴蛋白 60 B1 在脅迫 3 6 h 后顯著下調(diào) 6。人們還發(fā)現(xiàn)，不論在中度光照還是強(qiáng)光照脅迫下，萊茵衣藻光系統(tǒng) 中心的 DI 和 CP 43 蛋白質(zhì)均被磷酸化。強(qiáng)光照脅迫誘導(dǎo)了 CP 29 蛋白在 7 個(gè)不同氨基酸殘基被磷酸化，也誘導(dǎo)了光系統(tǒng) 捕光葉綠素 a/b結(jié) 合蛋白復(fù)合體（ LHC ）中的 CP 26 蛋白蘇氨酸的磷酸化。這些蛋白質(zhì)的磷酸化修飾可能表明，在強(qiáng)光照脅迫導(dǎo)致細(xì)胞光合狀態(tài)轉(zhuǎn)變，并通過捕光葉綠素 a/b 結(jié)合蛋白從光系統(tǒng) 上解偶聯(lián)，共同實(shí)現(xiàn)熱能的耗散 17。 5 營養(yǎng)元素 氮是植物生長所必須的大量元素，氮缺乏會(huì)影響植物生長。對假微型海鏈藻（ Thalassiosira pseudonana）在氮充足與氮饑餓狀態(tài)下蛋白質(zhì)組變化的研究表明，在氮饑餓時(shí)，參與氮同化、氨基代謝、蛋白質(zhì)代謝、碳及糖代謝、光合作用，以及葉綠素生物合成的蛋白質(zhì)表達(dá)發(fā)生變化。其中， 參與糖酵解途徑的蛋白質(zhì)磷酸甘油酸變位酶、烯醇酶、果糖 -1， 6-二磷酸醛縮酶表達(dá)上調(diào)。這些酶的上調(diào)決定了氮饑餓情況下碳流動(dòng)的方向，這種響應(yīng)氮饑餓的碳代謝模式變化與藍(lán)細(xì)菌較相近 18。此外，低氮狀態(tài)下的青綠藻（ Ostreococcus tauri）中參與碳儲存（如淀粉磷酸化酶等）、糖酵解（如磷酸甘油酸激酶等）、磷酸鹽運(yùn)輸（如Pho4 運(yùn)載體等）和無機(jī)多磷酸鹽合成（如淀粉磷酸化酶等）的蛋白質(zhì)表達(dá)上調(diào)。這表明青綠藻通過調(diào)整碳代謝和磷酸鹽代謝適應(yīng)氮素缺乏 19。此外，鐵缺乏會(huì)引起光合電子傳遞阻礙。蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明 ，萊茵衣藻在缺鐵時(shí)，光系統(tǒng) 的天線蛋白復(fù)合體明顯增加，且鐵缺乏誘導(dǎo)了脅迫相關(guān)的葉綠體蛋白質(zhì)（如 2-cys 過氧化物酶和集光蛋白等）表達(dá)。 6 展望 環(huán)境脅迫對藻類植物的代謝活動(dòng)有明顯影響甚至是傷害，蛋白質(zhì)組學(xué)研究為揭示藻類植物應(yīng)對環(huán)境脅迫的分子調(diào)控機(jī)制提供了重要信息。目前，由于受到藻類植物基因組信息和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫的限制，蛋白質(zhì)組學(xué)研究主要集中在模式藻類植物上。今后，一方面應(yīng)該深入研究單細(xì)胞藻類應(yīng)對環(huán)境脅迫的蛋白質(zhì)組變化，更多關(guān)注蛋白質(zhì)翻譯后修飾與蛋白質(zhì)相互作用，另一方面應(yīng)該廣泛開展多細(xì)胞藻 類逆境應(yīng)答的蛋白質(zhì)組學(xué)研究。 7 參考文獻(xiàn) 1 MASTROBUONI G， IRGANG S. Proteome dynamics and early salt stress response of the photosynthetic organism Chlamydomonas reinhardtiiJ. BMC Genomics， 2012， 13（ 1）： 215. 2 GILLET S， DECOTTIGNIES P. Cadmium response and redoxin targets in Chlamydomonas reinhardtii： a proteomic approachJ. Photosynth Res， 2006， 89（ 2-3）： 201-211. 3 NAUMANN B， BUSCH A. Comparative quantitative proteomics to investigate the remodeling of bioenergetic pathways under iron deficiency in Chlamydomonas reinhardtiiJ. Proteomics， 2007， 7（ 21）： 3964-3979. 4 CID C， GARCIA DESCALZO L. Proteomic analysis of the response of an acidophilic strain of Chlamydomonas sp. （ Chlorophyta） to natural metal-rich water J. Proteomics， 2010， 10（ 10）： 2026-2036. 5 MUHLHAUS T， WEISS J.Quantitative shotgun proteomics using a uniform（ 1） N-labeled standard to monitor proteome dynamics in time course experiments reveals new insights into the heat stress response of Chlamydomonas reinhardtii J. Mol Cell Proteomics，2011， 10（ 9）： M110 004739. 6 MAHONG B， ROYTRAKUL S. Proteomic analysis of a model unicellular green alga， Chlamydomonas reinhardtii， during short-term exposure to irradiance stress reveals significant down regulation of several heat-shock proteins J. Planta， 2012， 235（ 3）： 499-511. 7 YOKTHONGWATTANA C， MAHONG B. Proteomic analysis of salinity-stressed Chlamydomonas reinhardtii revealed differential suppression and induction of a large number of important housekeeping proteinsJ.Planta， 2012， 235（ 3）： 649-659. 8 LISKA A J， SHEVCHENKO A.Enhanced photosynthesis and redox energy production contribute to salinity tolerance in Dunaliella as revealed by homology-based proteomicsJ.Plant Physiol， 2004， 136（ 1）： 2806-2817. 9 KATZ A， WARIDEL P. Salt-induced changes in the plasma membrane proteome of the halotolerant alga Dunaliella salina as revealed by blue native gel electrophoresis and nano-LC-MS/MS analysisJ.MolCell-Proteomics， 2007， 6（ 9）： 1459-1472. 10 VANNINI C， MARSONI M. Proteomic analysis of chromate-induced modifications in Pseudokirchneriella subcapitataJ.Chemosphere，2009， 76（ 10）： 1372-1379. 11 GILLET S， DECOTTIGNIES P. Cadmium response and redoxin targets in Chlamydomonas reinhardtii： a proteomic approachJ. Photosynth Res， 2006， 89（ 2-3）： 201-211. 12 KIM Y K， YOO W I. Proteomic analysis of cadmium-induced protein profile alterations from marine alga Nannochloropsis oculataJ. Ecoto-xicology， 2006， 14（ 6）： 589-596. 13 RITTER A， UBERTINI M. Copper stress proteomics highlights local adaptation of two strains of the model brown alga Ectocarpus siliculosus J. Proteomics， 2010， 10（ 11）： 2074-2088. 14 CONTRERAS L， MOENNE A. Proteomic analysis and identification of copper stress-regulated proteins in the marine alga Scytosiphon gracilis （ Phaeophyceae） J. Aquat Toxicol， 2010， 96（ 2）：85-89. 15 PARK S K， JIN E S. Expression and antioxidant enzymes in Chaetoceros neogracile， an Antarctic alga J. Cryo Letters， 2008， 29（ 4）： 351-361. 16 FORSTER B， MATHESIUS U. Comparative proteomics of high light stress in the model alga Chlamydomonas reinhardtiiJ.Proteomics， 2006， 6（ 15）： 4309-4320. 17 TURKINA M V， KARGUl J. Environmentally modulated phospho-proteome of photosynthetic membranes in the green alga Chlamydo-monas reinhardtii J. Mol Cell Proteomics， 2006， 5（ 8）：1412-1425. 18 HOCKIN N L， MOCK T. The response of diatom central carbo