水稻干旱脅迫蛋白質(zhì)組相關數(shù)據(jù)和生物信息分析研究.pdf

1、干旱是影響很多重要作物產(chǎn)量和地理分布的主要非生物脅迫之一。水稻（Oryza sativa L．）不僅是世界上最重要的糧食作物，也是單子葉植物的模式種。利用組學方法研究水稻對干旱脅迫的應答機制，進而研究抗旱機理，對于全面揭示植物干旱適應的遺傳基礎，發(fā)掘干旱應答相關基因、蛋白和代謝物具有重要的意義。本文通過關聯(lián)蛋白質(zhì)組、轉(zhuǎn)錄組和代謝組的數(shù)據(jù)，運用生物信息學手段探討了水稻在干旱脅迫下的整體反應、分析水稻抗旱的分子機制。
　　 四周大小

2、的早稻品種IRAT109幼苗停止?jié)菜?天之后，水稻葉片出現(xiàn)卷曲，相對電導率和脯氨酸含量升高，葉水勢和土壤含水量下降。
　　 用雙向電泳對水稻葉片全蛋白進行檢測，發(fā)現(xiàn)1200多個可溶性蛋白，經(jīng)T檢驗發(fā)現(xiàn)71個蛋白點豐度發(fā)生1.5倍以上顯著變化（48個上調(diào)，23個下調(diào)）。將這些差異蛋白點進行MALDI-TOF-TOF-MS分析，有60個蛋白點得到有效的鑒定。大部分蛋白質(zhì)是以前報道的與干旱等逆境脅迫相關，有4個是首次發(fā)現(xiàn)的與干旱應答有

3、關的蛋白質(zhì)，分別為腺苷高半胱氨酸水解酶（adenosylhomocysteinase）、醇酮酸還原異構(gòu)酶（ketol-acid reductoisomerase）、蔗糖-LJDP葡糖基轉(zhuǎn)移酶2（sucroce-UDP glucosyltransferase 2）、甲酸脫氫酶（formate dehydrogenase）。對所鑒定的蛋白質(zhì)通過Expasy、KEGG和NCBI數(shù)據(jù)庫分析以及相關的文獻查詢對其功能進行了分類，發(fā)現(xiàn)這些蛋白質(zhì)的功

4、能涉及調(diào)節(jié)因子（regulatory factor）、過氧化物平衡（redox homeostasis）、代謝和能量（metabolism and energy）和細胞骨架（cytoskeleton）等六個方面，其中與調(diào)節(jié)因子類相關的蛋白最多，占總蛋白數(shù)的40％。
　　 通過cDNA芯片對水稻葉片mRNA的表達情況進行調(diào)查，總共發(fā)現(xiàn)4427個變化倍數(shù)在2倍以上的差異表達基因，其中有1812個上調(diào)基因、2615個下調(diào)基因。隨機挑選

5、40個差異基因設計引物進行熒光定量PCR（RT-PCR）驗證，發(fā)現(xiàn)兩者的相關系數(shù)為0.95。通過Gene Ontology（GO）分類系統(tǒng)對這些差異基因進行分類，發(fā)現(xiàn)這些基因主要分布在7個類別：細胞（cell）、細胞組分（cell part）、細胞器（organelle）、結(jié)合功能（binding）、催化功能（catalyitc）、亞細胞過程（cellular process）和代謝過程（metabolic process），整體上與差

6、異蛋白的GO功能分類結(jié)果相吻合。相關性分析發(fā)現(xiàn)所有差異蛋白與其對應mRNA的表達水平的相關性系數(shù)只有0.08，同時各功能類蛋白的相關系數(shù)卻不盡相同：調(diào)節(jié)因子類為-0.35、過氧化物類為0.03、能量與代謝類為0.02、抗旱相關類為0.82。
　　 利用氣相色譜（GC）和氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用的方法，對水稻葉片的全代謝物進行調(diào)查。共發(fā)現(xiàn)129個代謝物，主成分分析（PCA）發(fā)現(xiàn)脅迫組和對照組可以明顯分開。T檢驗發(fā)現(xiàn)有38個

7、代謝物含量發(fā)生1.5倍以上顯著變化，主要包括氨基酸、糖類和有機酸等。采用生物信息學方法對56個差異蛋白所參與的代謝通路（pathway）進行基于離散分布的顯著性分析，總共發(fā)現(xiàn)13個代謝通路在干旱脅迫下受這些差異蛋白的調(diào)控，其中最顯著代謝通路為光合作用中的碳固定（carbon fixation）過程。通過KEGG數(shù)據(jù)庫對碳固定進行映射（mapping）分析，發(fā)現(xiàn)38個差異代謝物中的天冬氨酸（旱脅迫之后上調(diào)2.7倍）正好是最顯著代謝途徑碳固