低磷介導(dǎo)的玉米軸生根伸長(zhǎng)的蛋白質(zhì)組學(xué)分析.pdf

1、磷是植物不可或缺的大量元素,它不僅是植物體內(nèi)許多化合物的重要組分,而且在光合作用、能量代謝、酶的活性調(diào)節(jié)及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等方面發(fā)揮重要作用,可以說(shuō)磷幾乎參與了植物體的所有生命活動(dòng)過(guò)程,磷缺乏必將嚴(yán)重影響作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。由于土壤磷含量較低,且易與其它元素形成難溶性磷,導(dǎo)致土壤中能被植物直接吸收的有效磷含量極低,遠(yuǎn)不能滿足植物的生長(zhǎng)發(fā)育需求。玉米是重要的糧食和經(jīng)濟(jì)作物,在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。土壤有效磷不足已成為限制其產(chǎn)量的重要因子。植物

2、主要通過(guò)根系吸收土壤中的磷,根系具有高度可塑性,其形態(tài)和生長(zhǎng)發(fā)育狀況決定著植物對(duì)土壤磷庫(kù)的吸收利用效率和作物產(chǎn)量。深入研究低磷介導(dǎo)的玉米根系形態(tài)建成的調(diào)控機(jī)制具有重要的理論意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　隨著低磷脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)玉米軸生根生長(zhǎng)發(fā)育的變化
　　本研究以水培去胚乳玉米小苗作為玉米缺磷反應(yīng)快速響應(yīng)體系,對(duì)不同低磷處理時(shí)間下玉米軸生根生長(zhǎng)速率及長(zhǎng)度、植株磷濃度和生物量等進(jìn)行了檢測(cè)分析。結(jié)果表明隨著低磷處理時(shí)間的延長(zhǎng),玉米植

3、株體內(nèi)磷濃度不斷降低,地上部生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制,而軸生根的生長(zhǎng)卻受到了一定程度的誘導(dǎo)。低磷處理的前3天,-P與+P植株的軸生根生長(zhǎng)速率無(wú)顯著差異,到第7天時(shí)-P植株的軸生根生長(zhǎng)速率開始顯著高于+P的,到第11天時(shí)差異變得更加明顯。伴隨而來(lái)的是-P處理至第7天時(shí)玉米軸生根的長(zhǎng)度較+P的表現(xiàn)出了伸長(zhǎng)趨勢(shì),到第11天時(shí)達(dá)到顯著差異水平。從細(xì)胞水平而言,細(xì)胞數(shù)目增加和/或細(xì)胞長(zhǎng)度增加是可能導(dǎo)致軸生根伸長(zhǎng)的兩個(gè)重要原因。為從細(xì)胞水平上明確導(dǎo)致低磷脅

4、迫下玉米軸生根伸長(zhǎng)的主要因素,我們對(duì)不同低磷處理時(shí)間下玉米軸生根成熟區(qū)和分生區(qū)細(xì)胞進(jìn)行了石蠟切片觀察,發(fā)現(xiàn)不同處理時(shí)間下-P和+P植株的軸生根成熟區(qū)細(xì)胞大小均無(wú)明顯差異,而隨著低磷脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)軸生根分生區(qū)細(xì)胞分裂能力卻有所增強(qiáng),到低磷處理11天時(shí)達(dá)到顯著差異水平。上述結(jié)果表明了低磷脅迫下根尖分生區(qū)細(xì)胞增殖能力的提高是導(dǎo)致低磷脅迫時(shí)玉米軸生根生長(zhǎng)加速,并最終導(dǎo)致其長(zhǎng)度增加的主要原因。
　　不同低磷處理時(shí)間下玉米軸生根根尖片段的比較

5、蛋白質(zhì)組學(xué)分析
　　目前有關(guān)低磷介導(dǎo)的玉米軸生根生長(zhǎng)加速和伸長(zhǎng)的調(diào)控機(jī)制還相當(dāng)不清楚。為加深了解玉米軸生根對(duì)低磷環(huán)境的適應(yīng)性調(diào)控機(jī)制,我們分別收取了1000μM(對(duì)照)和5μMKH2PO4處理1、3、7、11天時(shí)的玉米軸生根根尖片段,對(duì)其進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)分析。低磷處理1、3、7和11天時(shí)分別檢測(cè)到924、936、947和962個(gè)分離良好的蛋白點(diǎn),其中分別有48、71、80和70個(gè)蛋白點(diǎn)在-P和+P間存在量的顯著差異。上述結(jié)果表明低

6、磷脅迫導(dǎo)致玉米軸生根的蛋白質(zhì)組發(fā)生了較大程度的差異調(diào)控。進(jìn)一步分析上述差異蛋白點(diǎn)發(fā)現(xiàn),不同低磷脅迫程度下參與玉米軸生根脅迫響應(yīng)的蛋白存在很大差異,僅有極少部分差異蛋白同時(shí)參與了不同磷脅迫程度下的軸生根磷饑餓反應(yīng)過(guò)程。由此可知在不同缺磷程度下玉米根系會(huì)啟動(dòng)不同的低磷脅迫適應(yīng)性調(diào)控機(jī)制以應(yīng)對(duì)不同程度的缺磷狀況,維持不同低磷脅迫程度下軸生根的正常代謝和生長(zhǎng)發(fā)育,這從蛋白水平上表明了低磷介導(dǎo)的玉米軸生根生長(zhǎng)加速和伸長(zhǎng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)調(diào)控過(guò)程。<

7、br>　　通過(guò)MALDI-TOF MS鑒定了低磷處理1、3、7和11天時(shí)的42、56、62和53個(gè)差異累積蛋白。功能分類分析表明它們分別涉及一個(gè)大的功能種類范圍,包括代謝相關(guān)蛋白、蛋白命運(yùn)相關(guān)蛋白、蛋白合成相關(guān)蛋白、次級(jí)代謝相關(guān)蛋白、細(xì)胞結(jié)構(gòu)蛋白、抗性或與環(huán)境互作相關(guān)蛋白、轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白、轉(zhuǎn)錄/細(xì)胞周期/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)蛋白、以及未分類的或未知蛋白。這意味著低磷脅迫下玉米軸生根生長(zhǎng)發(fā)育和低磷脅迫耐受性的改變是一個(gè)涉及多個(gè)途徑、多個(gè)層次的動(dòng)態(tài)調(diào)

8、控過(guò)程。
　　其中,一些差異累積蛋白可能在低磷介導(dǎo)的玉米軸生根生長(zhǎng)發(fā)育改變中發(fā)揮重要作用。大量糖酵解、三羧酸循環(huán)、磷酸戊糖、氨基酸代謝等碳代謝途徑蛋白在低磷處理過(guò)程中發(fā)生了量的差異累積動(dòng)態(tài)調(diào)控,如蔗糖合成酶2、丙酮酸脫氫酶E1 B亞基、3-磷酸甘油醛脫氫酶、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶、磷酸丙糖異構(gòu)酶、烯醇化酶、6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶、ATP-檸檬酸合酶、蘋果酸脫氫酶等,也就是說(shuō)大量碳代謝相關(guān)蛋白參與了玉米軸生根對(duì)低磷環(huán)境的感知及代謝

9、調(diào)控過(guò)程。結(jié)合已有的研究結(jié)果可知糖不僅作為代謝產(chǎn)物,而且極有可能作為信號(hào)分子參與到玉米軸生根的低磷響應(yīng)過(guò)程。進(jìn)一步分析這些碳代謝相關(guān)蛋白發(fā)現(xiàn)低磷脅迫過(guò)程中大部分氨基酸代謝相關(guān)蛋白的豐度相對(duì)降低,而絕大部分糖酵解、磷酸戊糖以及三羧酸循環(huán)途徑蛋白的豐度卻相對(duì)增加,意味著低磷脅迫下玉米軸生根細(xì)胞將更多的碳源流向了糖酵解、磷酸戊糖以及三羧酸循環(huán)途徑,以產(chǎn)生更多的能量、還原力以及中間糖分子,滿足玉米軸生根生長(zhǎng)發(fā)育的需求,這也可能是低磷脅迫下玉米軸

10、生根生長(zhǎng)加速及伸長(zhǎng)的重要原因。此外,一些激素代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等相關(guān)蛋白也參與到玉米軸生根的低磷脅迫響應(yīng)過(guò)程,如β-葡糖苷酶、importinα亞基蛋白、酪蛋白激酶家族SRC2蛋白、絲氨酸蘇氨酸激酶受體關(guān)聯(lián)蛋白、Ⅰ型蛋白磷酸酶、轉(zhuǎn)錄因子BTF3等,這些蛋白可能通過(guò)參與細(xì)胞周期調(diào)控和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等過(guò)程,進(jìn)而參與調(diào)控低磷介導(dǎo)的玉米軸生根生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。
　　總之,本論文通過(guò)對(duì)不同低磷處理時(shí)間下玉米軸生根生長(zhǎng)發(fā)育變化、成熟區(qū)及分生區(qū)細(xì)胞形態(tài)

11、觀察以及動(dòng)態(tài)的蛋白質(zhì)組學(xué)分析,明確了玉米軸生根生長(zhǎng)改變與缺磷的內(nèi)在關(guān)系;從細(xì)胞水平上揭示了一定低磷脅迫下玉米軸生根分生區(qū)細(xì)胞增殖能力的提高是導(dǎo)致其生長(zhǎng)加速、長(zhǎng)度增加的主要原因;從蛋白質(zhì)水平上揭示了碳代謝調(diào)控、細(xì)胞周期及細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控在低磷介導(dǎo)的玉米軸生根伸長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用,明確了低磷介導(dǎo)的玉米軸生根生長(zhǎng)發(fā)育改變過(guò)程是多基因、多途徑參與的,涉及到細(xì)胞代謝狀態(tài)和基因表達(dá)改變的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)調(diào)控過(guò)程。這些結(jié)果加深了我們對(duì)玉米磷營(yíng)養(yǎng)調(diào)控機(jī)制的