杨树干旱胁迫应答蛋白质组学研究进展

摘要 杨树是主要的经济树种，也是林木基因工程的重要模式植物。干旱胁迫是限制杨树生长的主要因素之一，研究杨树响应干旱胁迫的分子机制具有重要意义。近年来，随着杨树基因组测序工作的完成，高通量蛋白质组学技术在杨树干旱应答机理研究中被广泛应用。本文整合分析了已经报道的参与杨树叶片和形成层干旱胁迫应答的78种非冗余蛋白质的信息，为深入揭示杨树干旱胁迫响应的分子网络调控机制提供了新的线索。

关键词 杨树；干旱胁迫；应答机制；蛋白质组学

中图分类号 S792.11 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）12-0138-02

Abstract Populus spp.is one of the main economic tree species，and is also an important model plant for genetic engineering.Drought stress is one of the main factors limiting poplar growth，and it is very important to study the drought stress-responsive molecular mechanism in poplar.In recent years，with the accomplishment of the poplar genome sequencing，high-throughput proteomics has been widely applied into the investigation of drought-responsive mechanism in poplar.In this paper，the 78 drought-responsive protein in poplar leaves and cambium were analyzed integratively，which provided new clues for understanding the regulatory mechanism of the drought-responsive networks in Populus spp..

Key words Populus spp.；drought stress；responsive mechanism；proteomics

杨树（Populus spp.）在我國主要分布于东北、西北、华北和西南等地，具有重要的经济价值。干旱胁迫造成杨树水分缺失、气孔关闭、渗透调节失衡，从而造成活性氧（ROS）大量积累，严重损伤细胞结构，导致杨树生物量降低甚至无法正常生长[1]。研究杨树干旱胁迫应答的分子机制，筛选抗旱、优质的杨树品种具有重要意义。人们利用蛋白质组学技术分析了杨树叶片和形成层在干旱胁迫应答过程中259种蛋白质丰度变化特征，通过整理后对其中78种变化特征显著的非冗余蛋白质进行分析，系统揭示了杨树应对干旱胁迫的多种调节机制。本文整合分析了这些蛋白质表达模式揭示的杨树干旱胁迫应答的重要信号与代谢途径，为深入研究杨树干旱胁迫应答的分子机制提供了重要信息。

1 胁迫防御相关蛋白质

干旱胁迫会导致ROS在植物细胞不同区室中大量积累。过量ROS会导致蛋白质、DNA与脂质等发生氧化损伤。抗坏血酸过氧化物酶1（APX1）参与调控细胞内H2O2的水平，这一过程与形成层的木质化进程相关[2]。蛋白质组学研究发现，干旱胁迫12 d后的欧洲山杨×银白杨形成层中APX1丰度下调，将导致形成层细胞中的H2O2水平升高，从而促进木质部形成，使细胞壁厚度增加，防止水分流失[2]。此外，过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽硫转移酶（GST）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）在清除H2O2过程中也具有重要作用。蛋白质组学研究发现，干旱胁迫下欧洲山杨×银白杨叶片中的CAT[2]、青杨叶片中GPX[3-4]、康定杨和青杨叶片中的GST丰度都上调[3]，这将有助于ROS的清除。

2 光合作用相关蛋白

干旱胁迫将导致杨树光合作用下降。蛋白质组学研究发现，干旱胁迫影响了PSⅠ、PSⅡ和碳固定过程中的一些重要蛋白质的丰度。干旱胁迫12 d或复水7 d的欧洲山杨×银白杨叶片中的叶绿素a/b结合蛋3、光捕获蛋白复合体Ⅰ Lhca3和复合体Ⅱ Lhcb1等蛋白质的丰度都明显上调[2]；此外，干旱胁迫8～45 d或复水10 d的胡杨叶片放氧复合体（OEC）[5]和放氧增强子蛋白2（OEE2）的丰度也明显上调[2，6-7]。这些蛋白质的丰度上调有助于提高干旱胁迫下的光捕获能力。干旱胁迫7～45 d的杨树叶片中的NADP依赖的铁氧还蛋白（FNR）[2，6，8]和PSⅠ蛋白[8]的丰度却降低，这暗示着干旱胁迫抑制了FNR催化NADPH的形成，从而影响电子传递效率，并干扰了PSⅠ的装配。干旱胁迫影响了卡尔文循环，如Rubisco是碳同化的限速酶，其活性受Rubisco活化酶（Rubisco activase）调控，并且对干旱等胁迫十分敏感。臭氧和干旱协同胁迫7～28 d的欧洲山杨×银白杨叶片、干旱胁迫12 d的欧洲山杨×银白杨叶片、形成层，以及干旱胁迫45 d的青杨叶片中的Rubisco大亚基的丰度都明显下降[2，6，8]，干旱胁迫12 d的青杨叶片中的Rubisco小亚基的丰度也降低[6]。这表明，干旱胁迫抑制了杨树的碳固定过程。

3 碳与能量代谢相关蛋白质

干旱胁迫影响了杨树体内糖类和能量代谢过程[9]。研究发现，干旱胁迫下欧洲山杨×银白杨叶片中的顺乌头酸酶[8]、胡杨叶片中的琥珀酸脱氢酶黄素蛋白亚基[5]的丰度都上调，这暗示着三羧酸循环可能受到促进，以保证能量供应。干旱胁迫下青杨[6]、胡杨[5]、美洲黑杨×欧洲黑杨[7]，以及欧洲山杨×银白杨[2，8]叶片中的ATP合成酶β亚基丰度都明显上调。这表明杨树在干旱胁迫下通过增加产能来降低胁迫损伤。此外，青杨叶片中乙醇脱氢酶（ADH）的丰度也上调[6]，这将促进糖酵解的进行。

4 基础代谢相关蛋白质

在杨树应答干旱胁迫过程中，以氨基酸代谢为基础的多种代谢途径发挥重要作用。干旱胁迫18 d的美洲黑杨×欧洲黑杨叶片和干旱胁迫28 d欧洲山杨×银白杨叶片中谷氨酰氨合酶（GS）的丰度明显下降[7-8]，GS参与脯氨酸合成[10]，也为植物含氮化合物合成提供原料[11]。这表明干旱胁迫影响了杨树叶片氮代谢和渗透保护物质脯氨酸的合成。此外，干旱处理21～28 d的欧洲山杨×银白杨和胡杨叶片或复水10 d后的胡杨叶片中的S-腺苷甲硫氨酸合成酶（SAMS）的丰度降低[5，8]。SAMS能够催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）合成，也可作为甲基供体参与多种甲基转移反应[12]。这也进一步表明干旱胁迫影响了杨树的基础代谢过程，导致基础代谢物质不足。

5 基因表达、蛋白质翻译与翻译后调控相关蛋白质

干旱胁迫影响了杨树叶片基因转录过程。转录因子BTF3b参与蛋白质合成和细胞周期调控[13]，也作为胁迫响应蛋白参与胁迫耐受和环境适应[14]。在臭氧、干旱协同胁迫7 d的欧洲山杨×银白杨叶片中的BTF3b丰度上升[8]。对小麦、玉米、番茄的研究证明了BTF3b丰度上调有助于抵抗干旱胁迫[15-17]。

干旱胁迫影响了杨树叶片或形成层的蛋白质合成。真核起始因子（eIF）是蛋白质翻译起始过程中重要成员之一。干旱胁迫86 d的美洲黑杨×欧洲黑杨叶片中的真核翻译起始因子3亚基B和真核起始因子4A-9的丰度上升[7]。真核延伸因子（eEF）通过催化核糖体上氨基酸链的延伸来参与调控蛋白质合成过程。干旱胁迫12 d的欧洲山杨×银白杨叶片中延伸因子EF-2、胁迫37 d的康定杨和青杨叶片中的延伸因子1-β丰度均上升[2-3]。此外，核糖体蛋白是参与蛋白质合成的重要成员之一，康定杨和青杨叶片中的核糖体蛋白L5、核糖体蛋白S3和线粒体60S核糖体蛋白L16的丰度均明显上升[3，6]。这表明杨树积极进行蛋白质合成，以应对干旱胁迫。

热激蛋白（HSP）和分子伴侣（CPN）参与蛋白质折叠、装配、转移和降解，在植物抵抗胁迫过程中起到重要的保护作用[18]。研究发现，杨树可以通过调节HSP/CPN家族蛋白中的HSP100、HSP90、HSP83、HSP70、HSP68、小热激蛋白、同源热激蛋白70和同源细胞基质Ⅱ型smHSP以及多种分子伴侣的丰度水平，保证蛋白质的正确折叠，并调节蛋白质和细胞膜系统的稳定性[1-3，5-7]。结果表明，杨树通过增加HSP家族蛋白、smHSP蛋白和一些CPN的丰度来调整蛋白质的折叠状态，从而减轻干旱胁迫对蛋白质造成的影响[18]。

6 跨膜转运与细胞骨架相关蛋白质

H+-ATP酶能够利用ATP水解产生的能量将H+转运到膜内，形成跨膜H+电化学势，为离子跨膜转运供能。干旱胁迫8～28 d、复水10 d的欧洲山杨×银白杨和胡杨叶片中的ATPaseβ亚基，TPaseα亚基丰度都明显上调[2，5]，有助于杨树应对干旱胁迫中的物质吸收与转运。干旱胁迫导致杨树叶片细胞结构改变，并影响细胞的分裂与分化。肌动蛋白是构成细胞骨架的主要成分，逆境下肌动蛋白的动态平衡对维持细胞形态与生长具有重要作用[19]。干旱胁迫8 d和12 d的欧洲山杨×银白杨形成层中的肌动蛋白（Actin）丰度明显上调[2]。此外，肌动蛋白解聚因子1丰度下调，这将有利于肌动蛋白聚合，從而抵抗干旱胁迫[2]。

7 结语

蛋白质组学技术揭示的杨树应答干旱胁迫的分子机制主要为利用抗氧化酶系统等多种防御机制降低氧化损伤；调控光合作用、糖类和能量代谢等过程来保持能量供应；在转录、翻译以及翻译后水平上调控干旱响应蛋白质的表达与功能；调节细胞骨架动态重塑保持细胞结构完整性。这些结果为进一步明确杨树干旱应答的调控网络和杨树品种选育与栽培实践提供理论基础。

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