蛋白質組學揭示油菜卷葉機理（一）

題目：Histological, Physiological, and Comparative Proteomic Analyses Provide Insights into Leaf Rolling in Brassica napus

期刊：Journal of Proteome Research

影響因子：4.268

合作技術：iTRAQ
 
研究背景

葉片是大多數植物光合作用的主要器官，葉片發育影響作物產量和植物結構。適度的卷葉被認為是作物理想型育種的一個重要組成部分，它能夠改變植物的結構，提高光合效率，延緩葉片衰老，減輕干旱、高溫和高光等脅迫帶來的損害。近年來，在擬南芥和水稻等物種中，已經分離出了卷曲葉片突變體，并對它們的分子機制進行了深入的研究。油菜作為世界上最重要的油料作物之一，雖然也發現了一些卷曲葉片的突變體，但是對于其作用機制仍有待進一步的研究。

本文作者主要利用iTRAQ定量蛋白質組學技術分析油菜卷葉突變株Bndcl1與野生株（WT）的差異蛋白，闡明了卷葉機理及其對植物的生理影響，有望促進油菜的理想株型育種。

研究內容及結果

1. 本研究中，作者選取了油菜卷葉突變株Bndcl1，首先經組織學對比發現，相比于野生株（WT），突變株（Bndcl1）幼苗期的葉片表型上比較緊湊（圖 1A和B）。組織切片結果中發現Bndcl1葉綠體數目明顯增多，特別是在海綿狀的葉肉細胞中(圖1C和D)。此外，作者發現，在Bndcl1突變體中，在遠軸端韌皮部組織細胞較少，而在其葉脈以下的遠軸端表皮細胞明顯增大(圖1E和F)。

圖1.葉片的組織學分析                               

2. 為了評估卷曲葉片對Bndcl1突變株光合性能的影響，作者測定了Chl的含量、Chl熒光和氣體交換參數。與野生株相比，Bndcl1株中的葉綠體數量、PSII和凈光合速率的有效量子產量顯著增加。

3. 活性氧(ROS)的生成在光合作用的光反應過程中是不可避免的，PSII極易受到光破壞的影響。光抑制的光合作用不可避免的損失會因ROS的產生而加劇，而ROS的產生會減慢PSII的修復。為了減少光氧化傷害，光合生物體已經進化出多種機制，而對抗氧化劑的上調是調節機制的一部分。因此，作者檢測了Bndcl1和WT葉子的酶活性、脂質過氧化和ROS水平，發現在Bndcl1葉片中O2? ? 和H2O2較低，由此說明其ROS水平也將明顯降低(圖2A和B)。此外，TBARS在突變株的低水平同樣說明其膜脂過氧化的水平降低(圖2C)。作者還檢測比較了兩者的SOD、POD和CAT酶活性，發現相比于WT株，在Bndcl1葉片中此酶活性顯著增加。由此說明Bndcl1的光系統能更好的避免受到光氧化傷害。

圖2. 野生株（WT）和突變株（Bndcl1）的葉子酶活性、脂質過氧化和ROS水平            

4. 作者應用iTRAQ定量蛋白質組學技術研究Bndcl1與WT葉片蛋白質表達水平的差異，總共鑒定到5019個蛋白，差異蛋白有943個，其中發生上調的蛋白有451個，發生下調的蛋白有492個。作者對這些蛋白進行了GO、COG、KEGG等注釋分析。通過對差異蛋白中發生上調和下調的蛋白分別進行GO分析并對比發現，在“細胞增殖”、“生物過程的調節”、“色素沉著”等功能方面，下調的蛋白數目要比上調的蛋白數多，具有抗氧化活性的功能的上調蛋白數目是下調蛋白數目的3倍多（圖3）。COG分析表明，大多數下調蛋白參與翻譯、核糖體結構和生物發生，而上調蛋白主要參與碳水化合物的運輸和代謝、轉錄翻譯后修飾、蛋白質的周轉、分子伴侶和能量的產生和轉化（圖4）。KEGG 注釋結果顯示，盡管在“代謝途徑”、“次生代謝產物的生物合成”和“淀粉和蔗糖代謝”中均有上調和下調的蛋白質參與，但在不同的途徑中也涉及到不同差異蛋白質（圖5）。

圖3.差異表達蛋白的GO功能注釋分析