2015, Vol. 35文章信息
- 肖清铁, 王经源, 郑新宇, 戎红, 张国君, 王良华, 谢惠玲, 李艺, 陈珊, 林瑞余, 林文雄
- XIAO Qingtie, WANG Jingyuan, ZHENG Xinyu, RONG Hong, ZHANG Guojun, WANG Lianghua, XIE Huiling, LI Yi, CHEN Shan, LIN Ruiyu, LIN Wenxiong
- 水稻根系响应镉胁迫的蛋白质差异表达
- Analysis of the differently expressed proteins in rice roots in response to cadmium stress
- 生态学报, 2015, 35(24): 8276-8283
- Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(24): 8276-8283
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201403230517
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文章历史
- 收稿日期: 2014-03-23
- 网络出版日期: 2015-01-28
Under Cd stress conditions, the expression of SAMS and GTP-binding nuclear protein Ran-2 were up-regulated and MAT, POD, the germin-like protein precursor, and GS were down-regulated in the roots of the two rice cultivars. The expression of NADP-GDH, GDH and phosphoglycerate mutase were down-regulated in the roots of rice IR24, but they were down-regulated in PI312777 only upon the treatment with 100 μmol/L Cd2+. The expression of protein with HVA22 domain was up-regulated in PI312777, but it was downregulated reversed in IR24. ASR5 was up-regulated in rice PI312777, but no significant change was found in IR24. The 60s acidic ribosomal protein P0 was down-regulated in PI312777, but up-regulated in IR24 at 100 μmol/L Cd2+condition. Our results suggest that Cd stress increases ROS and produces oxidative stress in rice roots, which lead to Cd toxicity in rice roots. To alleviate Cd toxicity, rice roots increase the GSH synthesis by up-regulation of SAMS and GS. Different expression patterns of stress-related proteins such as ASR5 and HVA22 are important in understanding the differences in Cd tolerance across rice cultivars.
镉(Cd)是生物毒性最强的土壤污染物之一，它极易在植物体内积累，并通过食物链影响动物与人类的健康[1]。水稻是我国最重要的粮食作物，随着工业三废的大量排放及化肥农药的大量使用，稻田镉污染日益严重，大米镉污染已引起政府部门的高度关注[2]。根系是植物最先感受逆境的器官，也是植物吸收矿质营养、水分以及有害物质的主要通道。研究发现水稻吸收到体内的Cd2+大部分累积在根部，严重抑制根系生长，使根弯曲，根数减少[3]；直接或间接作用于DNA分子，引起DNA分子损伤[4]；影响细胞分裂、诱发染色体畸变等，且随着镉浓度的提高，这种伤害增强[5]。水稻根部通过改变氧化酶活性、形成GSH、PC络合解毒、生成金属转运蛋白等来降低镉的毒害作用[1]，但这些反应的过程是十分复杂的，其调控机制并不明确，尚待研究。此外，不同水稻品种的镉抗性不同，其镉吸收能力存在差异[6]，但这种差异形成的原因和机制尚不明确。因此，研究不同抗性品种水稻根系对镉胁迫的响应对揭示水稻的镉抗性与镉在水稻体内的积累机制具有重要意义。目前对于不同品种水稻根对镉胁迫的不同抗性研究主要集中在形态(生物量、根长及根尖细胞微观结构)、生理(SOD、POD、CAT活性)等方面[3, 7]，对根系其他方面的研究却较少。为此，本研究拟用抗镉水稻PI312777和镉敏感水稻IR24为材料，应用差异蛋白质组学方法，分析两种水稻的根系在Cd胁迫条件下的蛋白质表达变化，以期为研究水稻响应镉胁迫的分子机理提供依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料本试验在福建农林大学农业生态研究所网室内进行。选取抗镉水稻品种PI312777和镉敏感水稻品种IR24为供试材料[7]。在3叶期将水稻秧苗移栽至塑料盆(40 cm×30 cm×15 cm)中用10 L营养液(参照国际水稻研究所常规营养液配方[8])进行水培。5叶期时，在营养液中添加50 μmol/L和100 μmol/L Cd2+溶液进行胁迫处理(不添加为空白对照)，每个处理3次重复。处理7 d后，选取生长一致的水稻秧苗，获取根系样品并立即置于液氮中，用于蛋白质提取[9]。
1.2 蛋白质样品溶液制备取4.0 g水稻根，按王经源等[10]的TCA-丙酮沉淀法进行蛋白质提取。取适量蛋白质干粉加入裂解液[9 mol/L尿素，1%二硫苏糖醇(DTT)，4%CHAPS，2%Ampholine(pH 3—10)]，20—25℃水浴超声30 min，然后在25℃下18000 r/min离心15 min，弃沉淀，上清液即蛋白质样品溶液，置于-80℃冰箱保存备用。蛋白质样品浓度用Brandford方法进行定量[11]。
1.3 双向电泳与凝胶成像(1)等电聚焦 采用自制的18 cm胶条(尿素1.854 g；15%ACR 0.900 g；超纯水0.234 g；10%NP-40为0.68 g；pH 3—10的两性电解质61 μL；pH5—8的两性电解质244 μL；10%过硫酸铵7.2 μL；TEMED15.0 μL)进行等电聚焦，上样量150 μg，聚焦电压参数：200 V×0.5 h，300 V×0.5 h，400 V×0.5 h，500 V×0.5 h，600 V×0.5 h，800 V×14 h，1000 V×4 h。
(2)SDS-PAGE电泳 胶条置于平衡缓冲液[60 mmol/LTris-HCl(pH6.8)，2%SDS，5% 巯基乙醇，10%甘油，0.05%溴酚蓝]平衡30 min，后进行SDS-PAGE(电泳参数为: 每板10 mA×10 h)。
(3)硝酸银染色 电泳结束后，SDS-PAGE胶经固定液(50%甲醇，5%冰醋酸)×30 min，增敏液(30%乙醇0.2%硫代硫酸钠，6.8%醋酸钠)×30min，硝酸银染色液(2.5%硝酸银，0.4%甲醛)×20min，显色液(2.5%碳酸钠，0.2%甲醛)显色，5%冰醋酸终止显色。
(4)图谱分析 银染后的SDS-PAGE胶用Image Scanner Ⅲ扫描仪扫描，构建蛋白质表达图谱。采用Image Master 5.0版软件对图谱进行分析，表达丰度差异达1.5倍以上的蛋白质点标记为差异点[9]。
1.4 质谱分析从SDS-PAGE胶上挖取的差异蛋白质点经脱色(50%乙腈+50 mmol/L碳酸氢铵100 μL)、干胶(100%乙腈)、酶解(12.5 ng/μL的trypsin酶溶液)、肽段提取(50%乙腈＋0.1%TFA 60 μL)后，将溶液转移到96孔板内进行质谱鉴定。质谱分析在复旦大学生命科学学院分析测试中心进行，采用4700 MALDI-TOF/TOF Proteomics Analyzer(Applied Biosystems,USA)进行分析。激光源：Nd,YAG激光器(波长355 nm)，加速电压20 kV，数据采集采用正离子和数据自动获取模式。PMF质量扫描范围700—3500 Da，且强度最大的5个峰进行串级质谱分析；用myoglobin酶解肽段作为外标校正谱图。用GPS(Applied Biosystems,USA)-MASCOT (Matrix,Science,London,UK)数据库检索所得结果[9]。
2 结果与分析 2.1 镉胁迫下水稻根系差异表达蛋白质分析将提取的各蛋白样品经过双向电泳，得到双向电泳凝胶2-DE图谱，进一步通过Imagemaster 2D Elite 5.0图象软件分析，经自动检测和人工去除杂点后，每块胶得到700个左右蛋白质点，各蛋白质的pI范围为3.5—10.0，Mr范围为14.4—116.2 KD(图 1)。
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| 图1 不同浓度镉处理水稻根差异表达图谱 Fig.1 2-DE maps of proteins in rice roots under different Cd2+ concentrations A、B、C分别为0、50、100 μmol/L Cd2+处理下PI312777根蛋白表达图谱，D、E、F分别为0、50、100 μmol/L Cd2+处理下IR24根蛋白表达图谱;A、D中数字为差异蛋白质点编号 |
以0 μmol/L Cd2+处理为对照，在抗镉水稻PI312777和镉敏感水稻IR24根中都发生差异表达的蛋白质点共有18个(图 1)。对凝胶图谱中重现性好，Cd2+胁迫下丰度值发生1.5倍以上变化的18个差异蛋白点进行串联质谱分析，除表达丰度较低而无法检测的蛋白点外，共有12个蛋白得到鉴定(表 1)。其中镉胁迫下水稻根部关键蛋白质的表达情况见表 2。
| 蛋白质 点编号 Protein spot No. | 蛋白质名称 Protein identification | 分子量 Mr.(D) | 等电点 pI | 得分 Score | 生物学功能 Biological function | 表达模式 Expressing pattern | |||
| PI312777 | IR24 | ||||||||
| 镉浓度 Cd concentration/ (μmol/L) | |||||||||
| 50 | 100 | 50 | 100 | ||||||
| 1 | 依赖NADP谷氨酸脱氢酶(NADP-GDH) | 41641.3 | 7.66 | 60 | 氮代谢 | ○ | ↓ | ↓ | ↓ |
| 6 | 推定的含有HVA22域蛋白 | 21959.6 | 6.18 | 174 | 胁迫诱导蛋白 | ↑ | ↑ | ↓ | ↓ |
| 7 | ABA-胁迫-成熟诱导蛋白5(ASR5) | 15455.5 | 6.2 | 61 | 胁迫诱导蛋白 | ↑ | ↑ | ○ | ○ |
| 8 | 谷氨酸脱氢酶(GDH) | 44594 | 6.32 | 108 | 氮代谢 | ○ | ↓ | ↓ | ↓ |
| 10 | 60S酸性核糖体蛋白P0 | 34356 | 5.38 | 164 | 信号转导 | ○ | ↓ | ○ | ↑ |
| 11 | S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS) | 42509 | 5.74 | 345 | 氨基酸代谢 | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
| 12 | 推定的磷酸甘油酸变位酶 | 60752 | 5.42 | 382 | 碳代谢 | ○ | ↓ | ↓ | ↓ |
| 13 | 蛋氨酸腺苷转移酶(MAT) | 42874 | 5.38 | 61 | 氨基酸代谢 | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ |
| 15 | 推定的过氧化物酶(POD) | 35954.3 | 8.72 | 65 | 氧化胁迫反应 | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ |
| 16 | 类萌发素蛋白前体 | 24212 | 5.92 | 55 | 胁迫反应 | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ |
| 17 | GTP结合核蛋白Ran-2 | 225023 | 6.66 | 165 | 信号转导 | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
| 18 | 谷氨酰胺合成酶(GS) | 39176 | 5.51 | 257 | 氮代谢 | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ |
| ○无差异表达； ↓表达量下调； ↑表达量上调 | |||||||||
| 蛋白质名称 Protein identification | 水稻品种 Rice cultivar | 镉浓度 Cd concentration/ (μmol/L) | ||
| 0 | 50 | 100 | ||
| 推定的含有HVA22域蛋白(6) Putative protein with HVA22 domain | PI312777 | 
| ||
| IR24 | ||||
| ABA-胁迫-成熟诱导蛋白5(ASR5)(7) Abscisic acid-stress-ripening-inducible 5 protein (ASR5) | PI312777 | |||
| IR24 | ||||
| S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS) (11) S-adenosylmethionine synthetase | PI312777 | |||
| IR24 | ||||
| GTP结合核蛋白Ran-2(17) GTP-binding nuclear protein Ran-2 | PI312777 | |||
| IR24 | ||||
镉胁迫处理下，在抗镉和镉敏感水稻根部具有相同表达模式的差异表达蛋白6个，包括SMAS、MAT、POD、类萌发素蛋白前体、GTP结合核蛋白Ran-2和GS。其中在不同浓度镉处理下均发生上调表达的蛋白为SAMS、GTP结合核蛋白Ran-2(表 1，表 2)；在不同浓度镉处理下均发生下调表达的蛋白为MAT、POD、类萌发素蛋白前体和GS(表 1)。
镉胁迫处理下，在抗镉与镉敏感水稻根部具有不同表达模式的差异表达蛋白6个，包括依赖NADP-GDH、含HVA22域蛋白、ASR5、GDH、60S酸性核糖体蛋白P0和磷酸甘油酸变位酶。其中50 μmol/L和100 μmol/L Cd2+胁迫下，IR24根部依赖NADP-GDH、GDH和磷酸甘油酸变位酶均发生下调表达，而PI312777根部这3个蛋白仅在100 μmol/L Cd2+胁迫下才发生下调表达(表 1)；含HVA22域蛋白在PI312777根部发生上调表达，而在IR24根部发生下调表达(表 1，表 2)；ASR5在PI312777根部上调表达，而在IR24根部的表达量与对照无显著差异(表 1，表 2)；在50 μmol/L Cd2+胁迫下，60S酸性核糖体蛋白P0在两种水稻根的表达量未发生变化，在100 μmol/L Cd2+胁迫时两种水稻根部的60S酸性核糖体蛋白P0表达量在水稻PI312777根中减少，在水稻IR24根中增加(表 1)。
3 讨论与总结镉胁迫对植物最重要的伤害是氧化胁迫，这种胁迫导致植物体内活性氧(ROS)增加。ROS一方面诱导清除活性氧相关的酶活性升高，另一方面又可直接攻击生物大分子，使植物体内酶活性丧失[12]。过氧化物酶(POD)是植物在逆境条件下酶促防御系统的关键酶之一，参与植物体内ROS清除。类萌发素蛋白(GLPs)是PRs家族中的一类胞外糖蛋白,在植物中普遍存在。GLPs主要以酶、受体和结构蛋白的形式参与多种生理生化过程,能清除植物体内过多的ROS，解除植物的氧化胁迫[13]。MAT催化蛋氨酸和ATP形成S-腺苷甲硫氨酸的反应，是蛋氨酸循环的关键酶，而Mg2+和K+是该酶产生活性的重要元素[14]，Cd2+的存在可能会破坏MAT的结构，降低其酶活性。不同浓度镉胁迫下两种水稻根系与自由基清除相关的POD、类萌发素蛋白前体和MAT的表达量均下调(表 1)，表明水稻根系部分酶的活性丧失，不利于自由基的清除，从而直接影响水稻的生长发育。这与肖美秀等发现镉胁迫抑制了水稻生长发育的研究结果相吻合[7]。
植物通常可以通过拒绝吸收重金属或者诱导一些基因表达，产生一些物质直接或间接地参与重金属结合固定或者把重金属从敏感的位点移除排除，以增强对重金属污染的耐性。螯合肽(PCs)是植物体中Cd2+最重要的配体之一，它由谷胱甘肽(GSH)还原合成，结合金属镉离子后可将其转运至液泡，从而减轻金属在胞液中的毒性。半胱氨酸作为GSH的合成底物，在植物重金属解毒方面发挥重要作用[15]，S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS)可催化甲硫氨酸和ATP生成S-腺苷甲硫氨酸，进而形成甲硫氨酸和半胱氨酸[16]，能促进GSH的合成。因此SAMS活性的提高能增强水稻的镉解毒能力[17, 18]。研究表明不同浓度镉处理诱导了两种水稻根部的SAMS表达增强，研究结果与Wang等研究镉胁迫下小麦根系SAMS的表达量显著增加相一致[19]。谷氨酰胺合成酶(GS)是植物催化谷氨酸盐(Glu)转变为谷氨酰胺(Gln)的关键酶，在镉胁迫下该酶活性受到极大的抑制[20]。其活性的降低促进了Glu的积累，有利于镉解毒物质GSH的生物合成[21]。研究发现镉胁迫下两种水稻根系的GS均下调表达，有利于水稻根系镉解毒的进行。
ASR5和HVA22都是ABA胁迫诱导蛋白，它们的表达水平反映了植物的抗性。ASR5是一类受逆境胁迫(如干旱、低温、盐胁迫、ABA 等)后大量表达，以减轻逆境引起的伤害的蛋白质[22]。HVA22是一个ABA胁迫诱导蛋白，它受干旱、盐和高温等环境胁迫诱导表达[23]，能抑制赤霉素介导的谷类糊粉细胞的程序性死亡，还能调节胁迫细胞的囊泡转运，减少植物细胞的非必需分泌，从而提高植物的抗逆境能力[24]。Arenhart 等研究发现Al胁迫下粳稻日本晴的ASR5表达增强[25]，盐胁迫下耐盐水稻中的ASR5蛋白上调表达，而在盐敏感水稻中无显著变化[26]。大麦幼苗在100 μmol/L ABA处理24 h，脱水处理3 d，或1 ℃冷处理4 d等条件下其HVA22基因均增强表达[23]。本研究发现，不同抗性水稻根中的这两个蛋白对镉胁迫产生了不同的表达反应。镉胁迫下，与对照相比，抗镉水稻PI312777根部的含有HVA22域蛋白和ASR5蛋白的表达量均增加，而在水稻IR24根部的含有HVA22域蛋白表达却降低，ASR5的表达量与对照无差异(表 1)。表明水稻根中的ASR5和HVA22蛋白的增强表达可能会提高水稻的镉抗性。
Ran2蛋白被认为是一种重要的细胞分裂调控因子,参与调控细胞周期中各个时期的许多细胞生命活动,如细胞核膜重建、DNA复制、RNA转录与加工运输、细胞核质转运、细胞分裂时纺锤体的组装等[27]。冷胁迫下水稻OsRAN2基因表达上调，其表达水平与水稻根尖的有丝分裂指数呈显著正相关，且该基因的过表达提高了水稻的抗寒能力[28]。不同浓度镉胁迫下两种水稻根部的GTP结合核蛋白Ran-2均上调表达，促进了根尖的有丝分裂，提高了水稻的镉耐性。
由以上水稻根响应镉胁迫的蛋白质表达变化，及前期对镉胁迫下水稻叶片的蛋白质组学分析结果显示[16]，水稻根和叶通过了不同的途径提高自身的抗镉能力(图 2)。这些途径的差异有：(1)镉解毒过程：水稻根部一方面通过增强S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS)的表达来提高半胱氨酸的含量；另一方面通过降低谷氨酰胺合成酶(GS)的活性来减少Glu转化为Gln，增加Glu的含量，进而合成更多的GSH用于解除镉毒害作用。而在水稻叶片则通过提高谷胱甘肽-抗坏血酸偶联的氧化还原系统中的关键酶抗坏血酸还原酶(DHAR)和谷胱甘肽还原酶(GR)的活性来消除镉引起的过氧化氢及其自身的毒害作用。(2)胁迫诱导蛋白的表达存在差异。水稻叶片通过诱导热激蛋白(HSP)和干旱诱导蛋白的表达来增强自身的镉抗性。而水稻根部则是提高了具有增强植物抗逆境能力的ABA胁迫诱导蛋白ASR5和HVA22的合成来提升抗镉能力。(3) 基因表达方面。水稻叶片通过DNA修复重组蛋白来恢复镉胁迫引起的水稻DNA结构和功能的损伤，维持水稻叶片的正常生长；而在镉胁迫环境下，水稻根部提高了参与调节细胞核膜重建、DNA复制、RNA转录与加工运输、细胞核质转运、细胞分裂时纺锤体的组装等活动的Ran2蛋白的生成，促进水稻根细胞分裂，降低镉对水稻生长的抑制作用。本研究从蛋白质水平探讨了水稻的根和叶在镉胁迫下的抗性调节过程，有助于加深人们对水稻抗镉分子机理的认识。
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| 图2 水稻对镉胁迫的响应途径及其在镉解毒过程中的蛋白质表达变化 Fig.2 A putative model of Cd response in rice and possible roles of differently expressed proteins in Cd detoxification |
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