玉米早期发育阶段粒位效应的蛋白质组学分析

【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】玉米果穗小花自然授粉或人工同步授粉后,果穗籽粒的发育均呈现出中部发育最好,基部次之,上部发育最差的粒位效应。深入了解玉米粒位效应的机理,对促进上部籽粒发育,减少败育,提高籽粒产量与品质具有重要意义。本研究从蛋白质组学的角度研究早期发育阶段玉米上、中部籽粒差异表达的蛋白质,分析其功能,探明玉米粒位发育差异的分子机理;【材料与方法】在大田条件下,以粒位效应显著的玉米品种登海661(DH661)为供试材料,90 000株/hm~2密度下种植,在开花期人工饱和授粉后0、3、6、12 d取果穗上部与中部籽粒。采用TCA-丙酮沉淀法提取籽粒总蛋白,双向电泳分离后获得蛋白质图谱。分别以0、3、6、12 d中部籽粒的凝胶作为参考胶,将上部籽粒凝胶与其进行比对,利用Image master 2D 7.0软件分析籽粒早期发育不同阶段上、中粒位蛋白质表达的差异。通过MALDI-TOF/TOF MS质谱分析及NCBI数据库搜索,对差异表达蛋白质进行鉴定并分析其涉及的生物学功能;【结果与分析】较高密度种植后,果穗籽粒早期发育阶段共检测到超过1000个清晰蛋白质点。通过图像处理软件成对匹配分析,果穗上、中部籽粒早期发育阶段差异蛋白质点为66个,其中52个蛋白质点与NCBI数据库匹配,鉴定率为78.8%。差异蛋白质涉及籽粒呼吸与能量代谢(10个蛋白质点,19%)、胁迫与防御(9个蛋白质点,17%)、蛋白质代谢(9个蛋白质点,17%)、氮代谢(6个蛋白质点,11%)、细胞分化与增殖(5个蛋白质点,10%)、转录与翻译(5个蛋白质点,10%)、次生物质代谢(3个蛋白质点,6%)等功能范畴。对相关的差异蛋白质表达丰度分析,与中部籽粒相比,上部籽粒涉及细胞分化与增殖、呼吸与能量代谢的大部分蛋白质在一个或多个时间段内均显著下调,说明上部籽粒胚乳细胞增殖及呼吸能量代谢能力显著降低。同时,上部籽粒涉及胁迫与防御的多种抗氧化酶系、乙二醛酶1以及涉及蛋白质代谢的4个分子伴侣蛋白质在发育早期也处于低水平表达,说明上部籽粒应对逆境条件防御能力较弱且蛋白质结构不稳定。另外,与中部籽粒相比,上部籽粒氮代谢中丙氨酸转氨酶以及S-腺苷甲硫氨酸合成酶1在授粉后6—12 d内均下调表达,说明上部籽粒氮同化能力较弱,影响后续的氨基酸合成与蛋白质代谢过程;【结论】与果穗中部籽粒相比,上部籽粒细胞分化与增殖相关蛋白质的表达水平较低,呼吸与能量代谢能力较弱,导致上部籽粒库容与库活性降低。另外,面对氧化应激等逆境时,上部籽粒相关的抗氧化酶以及分子伴侣蛋白表达水平较低,致使其防御能力低于中部籽粒。丙氨酸转氨酶、S-腺苷甲硫氨酸合成酶1的差异表达也可能是导致粒位效应的重要原因。更多还原