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    蛋白質組學技術在植物逆境生物學中的使用

    來源:原創論文網 添加時間:2020-04-02

      摘    要: 逆境脅迫會對植物生長發育造成制約,并且對作物產量、質量等造成影響,植物應答脅迫分子機理的分析為人們尤為重視的內容。植物蛋白質組學的研究能夠系統性的揭露在脅迫條件不同時,植物蛋白質表達的情況,以此對基于環境脅迫下植物基因表達調控機制進行掌握。以此,簡單分析了蛋白質組學技術在植物逆境生物學中的使用。

      關鍵詞: 植物逆境; 生物學; 蛋白質組學;

      0、 引言

      功能基因組時代指的是繪制人類基因圖譜之后對于基因功能的分析,在完成人類基因組計劃之后,實現大量植物基因組測序的完成,生物界在基因方面的研究重點為基因功能的探索。基因關系著生物體潛在表型,但是具有不同的蛋白質,蛋白質與周圍環境、蛋白質會使植物個體的最終表型不同[1]。所以,基于蛋白水平,實現發生變化蛋白質定性定量的測定,分析植物在逆境脅迫下調控機制為植物抗逆性的主要手段,并且在多種植物研究過程中具有一定的進展。

      1 、蛋白質組學的研究

      1.1 、雙向聚丙烯酰胺凝膠電泳技術

      科學家目前就已經開始使用電泳與層析技術或者結合兩者對蛋白質進行分離,但是雙向聚丙烯酰胺凝膠電泳技術(2D-PAGE)發展歷經了多階段。Tiselius將移動界面方法作為蛋白電泳研究的工具,其研究對于后來雙向電泳發展具有重要作用。Raymond在1962年證實了通過不同濃度聚丙烯酰胺凝膠實現雙相凝膠電泳分離血清蛋白,得到類似雙向紙層析非線性效應。在1975年Farrell使用變性2D-PAGE實現了細胞蛋白的區分,之后通過改進使用固相pH梯度完善了2D-PAGE。2D-PAGE原理為第一向等點聚焦,利用第一向全部蛋白聚焦的等電點以PI分離,之后實現第二向SDS-PAGE。目前,2D-PAGE還是分離蛋白主要的方法[2]。

      1.2 、質樸技術

      分析化學家都是利用質譜對小分子進行分析,之后John實現了電噴霧離子化的發明,實現了質譜分離大生物分子。John還因為發明生物大分子質樸分析方法得到諾貝爾化學獎,表示了其對于生物大分子研究的意義。目前,質譜技術為蛋白質組學研究的主要技術。基于質譜蛋白質組學為生物研究過程中的主要工具,在各研究中廣泛使用,包括蛋白質定量、鑒定、描述與蛋白的作用研究等。質譜原理為實現樣品分子離子化,以離子之間質荷比差異實現分離并且對質量確定。一般的流程為使樣品利用生化方法片段化或者親和層析,使樣品片段化,之后使蛋白利用酶消化成為多肽,之后利用高壓液相色譜分離多肽,最后實現質譜分析。

      1.3 、蛋白質芯片技術

      微陣技術為大規模與高通量生物學主要工具,蛋白質芯片為高通量與自動化蛋白質分析技術,被廣泛應用到臨床診斷與藥物發現中,目前已經在分析抗體、抗原互作、蛋白與核酸互作等研究中使用。蛋白質芯片技術的重點為選擇合適單克隆抗體,使不同翻譯之后修飾蛋白質進行區分[3]。
     

    蛋白質組學技術在植物逆境生物學中的使用
     

      2、 蛋白質組學技術在植物逆境生物學中的使用

      自然界中有大量非生物與生物因子都會影響到植物生長發育,嚴重的時候還會導致植物出現死亡。植物對于逆境脅迫的響應機制較強,能夠利用通過細胞到生理應答反應滿足此不利環境條件。使用蛋白質組學技術對逆境脅迫中植物蛋白質種類與表達量變化進行研究,能夠使人們通過整體與動態蛋白質水平掌握脅迫因子傷害機制與植物適應機制。

      2.1、 非生物斜坡植物蛋白質組學

      2.1.1 、溫度脅迫。

      溫度會對植物生長發育與農作物產量造成影響,目前研究大部分為溫度脅迫下差異表達蛋白質鑒定與植物響應的高低分析機制解析。Canmulla等人在研究過程中使24日齡的水稻秧苗葉片劃分成為5℃(12 d)、12℃(20 d)低溫與28℃(36 d)、36℃(44 d)高溫環境中處理3 d,對蛋白質組變化進行檢測。使用無標記鳥槍法,實現所有處理組三個生物學重復的蛋白質定量分析。通過研究結果表示,在一個或者多個處理組織中所鑒定蛋白,有四百個以上都實現了溫度脅迫響應。另外,對比其他溫度處理,12℃(20 d)處理之后的水稻葉片蛋白質組變化較為明顯。其次,此試驗還對20個新脅迫響應蛋白進行鑒定[4]。

      為了對成熟硬質小麥粒熱脅迫對于非淳溶谷蛋白的影響進行檢測,Laino等人使意大利栽培種Svevo實現兩個不同溫度處理。利用非淳溶谷蛋白2-D模型的檢測,鑒定在灌漿期受到熱脅迫影響多肽。此研究中發生變化多肽為132個,有47個是利用基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜與基質輔助激光解析電離串聯飛行時間質譜進行鑒定,大量熱誘導多肽為導致敏感植株反應。

      2.1.2、 干旱脅迫。

      在嚴重的荒漠化背景下,抗旱植物需求量不斷增加。干旱會對植物造成影響,由于水分減少使氣孔關閉,降低了蒸騰的作用,也影響了根部水分和無機鹽向上運輸。干旱導致的強光照會損害到葉綠素,破壞水分平衡,導致葉片失綠,減緩細胞的生長,降低代謝蛋白質的合成量。在白芥研究過程中,基于重度干旱的葉綠素結合蛋白等補光復合蛋白水平降低會損害對光系統功能與葉綠體捕光功能。在降低含水量的過程中,會降光合作用的速率[5]。

      2.1.3、 鹽脅迫。

      次生鹽堿地面積增加,對耐鹽堿植物需求量得到提高。植物在此背景下進化成為積累滲透保護物質等代謝機制和調控方式,利用蛋白質組學分析了野生型、耐鹽堿型的蛋白質表達種類與含量差異,在篩選栽培植物耐鹽能力與耐鹽植物方面具備生態、經濟的作用。植物以蛋白激酶的傳遞實現鹽脅迫感知,機械感應器朝著化學信號幀環邊,植物根組織與原生質體剛性分離,此機械運動式分離會轉變機械感應器為化學信號,通過MAP級聯途徑,激活P44MMK4激酶朝下傳遞,從而改變離子水平,受體蛋白激酶也有此作用。在分析棗樹與紅海欖植物的抗鹽性蛋白質組學表示,提高了參與異戊二烯合成蛋白質表達量,使基本代謝蛋白質表達量得到降低。大量鹽離子會使植物體離子失衡,但是植物體能夠利用上調膜轉運蛋白表達量,使大量鹽離子在液泡中束縛,或者排出細胞。所以,在鹽脅迫環境中,植物體正常的生命活動會受到嚴重干擾,光合作用水平的降低會影響到植物,并且還降低了部分離子毒害作用,從而導致植物體代謝紊亂[6]。

      3、 結語

      蛋白質組學作為后基因時代的主要研究手段,被廣泛到植物抗逆研究中,并且具有豐碩成果,對于傳統植物生理學和功能基因組學研究有所補充。但是,植物對于環境脅迫響應的過程較為復雜,人們對于逆境植物復雜生物學反應了解的比較少,此方面研究處于起步階段。在植物全基因組測序背景下,相應研究手段也在不斷改進。在今后會有大量的抗性相關蛋白與基因被挖掘,將植物抗逆性本質充分展現出來,以此為植物抗脅迫品種培養和選擇打下基礎。

      參考文獻

      [1] 馮宇.蛋白質組學技術在布魯氏菌病研究中的應用及發展[J].微生物學通報,2018,45(1):191-196.
      [2] 裘劼人,王淑珍,柴偉國.蛋白質組學技術在草莓上應用研究進展[J].杭州農業與科技,2018,(6):16-19.
      [3] 丁楠楠,于蒙溪,武志峰.蛋白質組學技術在眼底病研究中的應用進展[J].國際眼科縱覽,2017,41(1):52-55.
      [4] 王哲,柴里昂,樊懷福,等.植物響應鹽脅迫蛋白質組學研究進展[J].浙江農業學報,2019,(6):1021-1028.
      [5] 劉春曉,黃小慶,劉自廣,等.十字花科植物種子低分子RNA提取方法比較[J].基因組學與應用生物學,2019(3):1236-1241.
      [6] 胡軍華,王大偉,楊明磊,等.番茄C2H2型鋅指蛋白的鑒定及生物信息學分析[J].江蘇農業科學,2018,46(12):23-27.

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