蛋白质组学分析揭示玉米籽粒发育过程中胁迫相关蛋白质的表达特性

【作者】 于涛； 李耕； 刘鹏； 董树亭； 张吉旺； 赵斌；

【机构】 山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室；

【摘要】 【研究背景】在籽粒发育过程中不可避免的遭受多样的胁迫环境,显著影响籽粒产量与品质的形成。本研究从蛋白质组学的层面探讨玉米籽粒发育过程中胁迫相关蛋白质的表达特性,分析其功能,揭示籽粒自身防御系统的分子调控机制;【材料与方法】大田条件下,以玉米品种登海661(DH661)为供试材料,67500株/hm~2密度下种植,开花期人工饱和授粉后3、5、10、15、20、30、40、50 d取果穗中部籽粒。采用TCA-丙酮沉淀法提取籽粒总蛋白,用于同位素相对标记与绝对定量(iTRAQ)蛋白质组学分析。通过匹配Uniprot玉米蛋白数据库鉴定玉米籽粒总蛋白。基因本论(GO)注释按照生物过程、分子功能及细胞组件对玉米籽粒总蛋白进行功能分类。定量分析鉴定籽粒发育过程中显著差异表达的胁迫相关蛋白。分层聚类展现这些胁迫相关蛋白在籽粒发育过程中的表达模式;【结果与分析】通过匹配玉米蛋白数据库,玉米籽粒中总计鉴定到4751个蛋白质,这些蛋白质涉及多样的生物过程与分子功能,其中代谢过程与分子过程是最主要的两个生物过程,而催化活性与绑定功能占据最大的两个分子功能类别,表明这些生物过程与分子功能对籽粒发育具有重要作用。定量分析检测到123个胁迫相关蛋白在玉米籽粒发育过程中显著差异表达,这些蛋白质主要参与籽粒蛋白质修饰(33个)、活性氧(ROS)体内平衡(31个)、贮藏物质保护(17个)、病虫害响应(8个)及其他胁迫响应(34个)过程。蛋白修饰相关蛋白主要包含一系列的热激蛋白、肽基脯氨酰顺反异构酶及蛋白质二硫键异构酶,且这些蛋白在籽粒不同的发育阶段均显著积累,这对稳定蛋白质结构具有重要作用。ROS相关蛋白包含了多样的抗氧化酶系,且主要在籽粒发育的前、后期显著积累,维护了ROS的体内平衡。贮藏物质保护相关蛋白主要包含多样的蛋白酶抑制剂、油脂体蛋白及油脂体固醇蛋白,且这些蛋白随着籽粒发育不断上调表达,保护了贮藏物质的合成与积累。与贮藏物质保护相关蛋白的表达模式相似,病虫害响应相关蛋白也在籽粒发育后期显著积累,增强了籽粒对生物胁迫的抗性。其他胁迫响应相关蛋白主要包括一系列的晚期胚胎丰富蛋白(LEA)、膜联蛋白、脂质转移蛋白、非特异性脂质转移蛋白及脂氧合酶,其中所有的LEA在籽粒发育后期显著积累,膜联蛋白与脂氧合酶主要在发育前期显著表达,而脂质转移蛋白及非特异性脂质转移蛋白在不同的发育阶段均有积累,表明这些蛋白在籽粒不同的发育阶段发挥重要作用;【结论】胁迫相关蛋白在籽粒不同的发育阶段显著积累,构建了一个协同、多样、稳定的防御调控机制,维护了籽粒正常的发育过程更多还原