植物胁迫应答范文

植物胁迫应答范文（精选3篇）

植物胁迫应答 第1篇

关键词：悬浮培养细胞,非生物胁迫,应答,蛋白质组

悬浮细胞是由未分化的多个单细胞组成的细胞团, 具有脱分化和再分化能力, 是研究植物发育与逆境应答的良好模式系统。由于在植物体内很难获得大量的游离单细胞, 悬浮培养细胞成为进行植物单细胞蛋白质组学研究的良好材料, 已被广泛应用于植物非生物胁迫应答机制的研究。目前, 人们已经得到了模式植物拟南芥 (Arabidopsis thaliana L.) [1,2,3,4,5]、水飞蓟 (Silybum marianum L.) [6]、凹唇姜 (Boesenbergia rotunda L.) [7]、水稻 (Oryza sativa L.) [4,8]、泡泡刺 (Nitraria sphaerocarpa L.) [9]悬浮培养细胞应答非生物胁迫 (Na Cl、苯丙氨酸、磷、低温、水杨酸、ATP、脱落酸、茉莉酸甲酯、甲基环糊精) 的蛋白质表达谱。

本文整合分析了悬浮培养细胞应答非生物胁迫的蛋白质表达特征, 为深入研究植物非生物胁迫应答的网络调控分子机制提供了重要信息。

1 通过G蛋白偶联受体介导的信号转导通路和可逆磷酸化过程应答胁迫信号

当细胞受到胁迫刺激时, 一些受体会感知环境信号, 并对环境信号进行传递。蛋白质组学研究发现, 当悬浮培养细胞受到外源胁迫后, 会引发G蛋白和小G蛋白的表达发生变化。在Na Cl胁迫条件下, 植物悬浮培养细胞中异源三聚体G蛋白的上调表达[9]表明胞外受体接收信号转移至胞内效应分子的信号转导过程被激活[10]。

此外, 与细胞运输过程相关的2种小G蛋白, Ran蛋白[7]和Rab[2,6]蛋白在苯丙氨酸、茉莉酸甲酯、甲基环糊精胁迫条件下也都上调表达。它们上调表达暗示着植物悬浮培养细胞的G蛋白、小G蛋白介导的信号通路受外界胁迫诱导, 并且由于信号途径的参与可能引发生物合成、核酸转运、细胞周期调控、囊泡运输、分泌等过程来应对胁迫[10,11,12]。G蛋白介导的信号转导也可以通过磷脂酰肌醇信号通路, 其信号转导是通过效应酶磷脂酶C完成的, Na Cl胁迫下磷脂酶C表达与活性的提高[9]有助于传递胁迫信号。

蛋白质可逆磷酸化调节多种生物学过程, 蛋白激酶和磷酸酶分别催化蛋白质磷酸化与去磷酸化过程。在Na Cl、苯丙氨酸、脱落酸处理条件下, 细胞壁相关蛋白激酶4蛋白及细胞壁相关受体激酶4蛋白同工型[9]、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶[2,7]、钙依赖蛋白激酶[2,9]、核苷二磷酸激酶都上调表达。这表明, 植物细胞通过增强蛋白激酶表达丰度来识别细胞外刺激并对信号进行传递[13]。

2 利用活性氧 (ROS) 清除机制抵御胁迫

在胁迫条件下, 悬浮细胞内的正常稳态受到扰乱, 形成活性氧簇 (ROS) 。ROS能造成蛋白、DNA和脂类的氧化破坏[14]。胁迫增强了ROS的产生, 造成ROS相关损伤, 同时ROS清除机制在保护植物胁迫过程中显示出重要的作用[15]。

在磷、水杨酸和ATP胁迫条件下, 悬浮培养细胞的超氧化物歧化酶[5]和过氧化物酶[3,5]都上调表达, 它们可以直接清除H2O2。细胞还可以通过抗坏血酸-谷胱甘肽循环对植物提供保护, 抵御由胁迫带来的氧化胁迫[16]。在苯丙氨酸、磷、Na Cl胁迫条件下, 抗坏血酸过氧化物酶[4,7]、脱氢抗坏血酸还原酶[5]、谷胱甘肽过氧化物酶[7]、谷胱甘肽还原酶[4]均为上调表达。

此外, 谷胱甘肽硫转移酶能够催化H2O2的还原反应, 它的上调表达[5,9]在缓解ROS对植物造成的氧化损伤过程中发挥重要作用[17]。但是, 在Na Cl处理条件下, 脱氢抗坏血酸还原酶[8]、谷胱甘肽硫转移酶[8]下调表达。胁迫条件下, ROS清除对于植物悬浮培养细胞重建体内稳态并维持正常的代谢活动具有重要意义, 并且相关酶的表达丰度在不同物种和不同处理条件下表现出多样性。蛋白质组学研究同样鉴定到了在Na Cl、苯丙氨酸、脱落酸胁迫条件下, 硫氧还蛋白[8,9]、谷氧还蛋白[8]、非共生血红蛋白[7]、氧化还原酶[9]、脱水蛋白[1,9]的表达发生变化, 它们对植物抵御氧化胁迫都具有重要意义。

3 基础代谢与能量平衡为细胞应对胁迫所必需

糖类与能量代谢过程 (糖酵解途径、三羧酸循环等) 对于植物生长发育和逆境应答具有重要作用。在苯丙氨酸、Na Cl、茉莉酸甲酯、甲基环糊精、磷胁迫条件下, 参与糖酵解途径的蛋白酶表现为积极响应。在糖酵解途径中果糖二磷酸醛缩酶[7,8]、磷酸丙糖异构酶[8]、甘油醛-3-磷酸脱氢酶[6]、磷酸甘油酸变位酶和烯醇酶[5]、磷酸烯醇式丙酮酸[7,8]、磷酸葡萄糖变位酶[4]、蔗糖合成酶[4]、丙酮酸脱氢酶[7]、乙醇脱氢酶[6,8]均为上调表达, 但是在脱落酸胁迫条件下磷酸果糖激酶[2]下调表达。

此外, 还发现二氢硫辛酸脱氢酶也表现为上调表达[2,7], 该酶位于丙酮酸乙酰辅酶A的反应, 在糖酵解途径中调节和维持乙酰辅酶A的生产。这些结果表明, 胁迫条件下植物悬浮培养细胞通过调节体内糖酵解途径来保持基础物质的供应。

线粒体中三羧酸循环是产生能量的关键过程[18]。在苯丙氨酸、Na Cl、茉莉酸甲酯、甲基环糊精胁迫条件下, 顺乌头酸酶[7]、苹果酸脱氢酶前体[9]、苹果酸脱氢酶[6]的表达也都发生显著变化。蛋白质组学还鉴定到了在苯丙氨酸、低温、脱落酸胁迫条件下, 能量相关蛋白腺苷激酶[7]、ATP合成酶催化亚基A[7]、ATP合成酶β亚基[8]、ATP合成酶CF1α亚基和ATP合成酶CF1β亚基[2]也都上调表达。这些结果表明, 胁迫条件下植物悬浮培养细胞通过调节体内能量代谢途径来保证能量的供应。

在大多数情况下, 高水平的氨基酸代谢与逆境应答相关, 具有保护作用[19]。蛋白质组学研究发现, 在苯丙氨酸、Na Cl、脱落酸胁迫条件下, 磷酸甘油酸脱氢酶[7]、5-甲基四氢化蝶酰三谷氨酸-高半胱氨酸甲基转移酶[7,8]、S-腺苷甲硫氨酸合成酶[8]、天冬氨酸氨基转移酶[8]、谷氨酸脱氢酶[1,8,9]以及甲硫氨酸合成酶[9]的表达都发生变化。由于氨基酸参与多种代谢过程, 胁迫导致上述酶表达丰度的改变暗示着氨基酸代谢在蛋白质合成、碳骨架形成、渗透保护等过程中起重要作用。

植物悬浮培养细胞受到苯丙氨酸、磷胁迫后, 核酸代谢表现出积极的响应。蛋白质组学研究表明, 组氨酸乙酰转移酶[7]上调可以调节核内染色质重塑和植物发育相关基因的表达[20], 而核糖核酸酶A的上调表达[5]利于调控细胞内RNA的种类与数量分布。胁迫导致核酸代谢加强, 积极参与核内染色质重塑、核糖核酸转录后的剪切、修饰和降解等过程, 以抵御外界胁迫, 维持自身稳态。

植物次生代谢过程也受到调节。萜类化合物生物合成在苯丙氨酸、Na Cl、脱落酸处理条件下的悬浮培养细胞中受到影响。2种涉及萜类化合物生物合成的蛋白质, 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原酶和1-羟基-2-甲基-丁烯基-4-二磷酸还原酶都上调表达[7]。这些蛋白质在植物质体中参与非甲羟戊酸途径, 从而产生类异戊二烯化合物和萜类化合物。

苯丙氨酸解氨酶是连接初级代谢和苯丙烷类代谢、催化苯丙烷类代谢第一步反应的酶, 是苯丙烷类代谢的关键酶和限速酶。苯丙氨酸解氨酶上调表达[9]对于细胞生长、抗病、抗逆反应具有重要作用[21]。此外, 蛋白质组学研究还发现芥子油苷代谢相关蛋白腈水解酶1、腈水解酶2和丁腈特异蛋白5上调表达[1], 这将促进芥子油苷代谢, 应对环境胁迫。

无机氮必须同化为谷氨酰胺和谷氨酸等有机氮才能为植物体所吸收和利用。蛋白质组学研究发现, 在苯丙氨酸胁迫条件下, 谷氨酰胺合成酶上调表达[7]能够平衡胞内的氮水平[22], 植物亚硝酸盐还原酶上调表达[7]有助于在铁氧还蛋白或甲基紫精还原形式作为电子供体的情况下催化亚硝酸盐还原成氨[23,24]。可见, 植物悬浮培养细胞的氮代谢过程在胁迫下表现出积极应答。

蛋白质组学研究还发现在水杨酸和ATP胁迫条件下, 细胞外基质蛋白酶表达发生改变, 如:黄瓜素类似丝氨酸蛋白酶、枯草杆菌酶和天冬氨酰蛋白酶[3], 它们涉及细胞程序性死亡过程中细胞与细胞信号转导的复杂蛋白酶网络。此外, 短链脱氢酶已被证明是NAD (P) (H) -依赖的还原酶[7], 在苯丙氨酸胁迫下, 它的上调表达反映了其参与调控细胞程序性死亡、植物生长激素的生物合成、营养信号的过程[25]。悬浮培养细胞在苯丙氨酸胁迫下, 脂代谢中GDSL也产生了应答[7], GDSL脂肪酶的上调表达有利于细胞形态建成、油脂代谢。

4 蛋白质合成与降解调节蛋白质表达模式

蛋白质组学研究发现, Na Cl、茉莉酸甲酯、甲基环糊精胁迫导致悬浮培养细胞中参与蛋白质合成的蛋白质表达改变。核糖体蛋白L12的上调表达[9]表明新合成的多肽链起始过程受到促进。在胁迫条件下, 蛋白质正确折叠与加工也发挥重要作用。HSP70[6,9]、HSP70相互作用蛋白、HSP60、ATP酶HSP90活化子[9]上调表达, 能够防止蛋白质错误折叠、并能维持蛋白质前体的伸展构象和防止其聚集变性和降解[26], 催化蛋白质折叠[27,28], s HSP上调表达[9]能防止热诱导的蛋白质聚集, 促进变性蛋白质复性, 降解受损伤的蛋白质[29]。

参与蛋白质降解过程的蛋白质也受到胁迫的影响。在苯丙氨酸胁迫条件下, 蛋白酶体亚基β3和蛋白酶体β6上调表达[7]。蛋白酶体是ATP依赖的蛋白酶, 能够降解细胞内错误折叠和短命蛋白[30]。在植物响应环境胁迫过程中, 泛素介导的蛋白质降解有助于调节信号转导与转录[31]。

泛素/26S蛋白酶体途径是目前已知的最重要的、有高度选择性的蛋白质降解途径[32]。在Na Cl、脱落酸、水杨酸和ATP胁迫条件下, 此途径中的泛素结合酶E2[8]、F-box家族-相关蛋白、F-box家族蛋白[9]、20S蛋白酶体α亚基G[1,9]、泛素特异性蛋白酶[9]的表达丰度都发生变化。此外, 氨肽酶C[8]、枯草杆菌类似丝氨酸蛋白酶[3,5]上调表达。降解过程上调可能为细胞生存提供更多的原材料。

5 细胞结构重塑应对胁迫

细胞壁具有维持细胞形状、参与物质运输、参与细胞防御等功能。在低温、脱落酸、Na Cl、磷胁迫条件下, 细胞壁相关蛋白的表达发生改变。成束蛋白样阿拉伯半乳聚糖蛋白[2]、葡聚糖内切-1, 3-β-葡萄糖苷酶[2]、单铜氧类似蛋白[5]、木葡聚糖糖基转移酶6[5]、可逆糖基化多肽[5]等蛋白质上调表达, 这利用增加细胞壁的完整性, 积极抵御外界病原体侵袭。此外, α-半乳糖苷酶的下调表达[9]显示了细胞壁水解过程的减弱。

蛋白质组学研究发现细胞骨架相关蛋白质参与响应Na Cl和苯丙氨酸胁迫过程。胁迫条件引起细胞大小和形态发生改变, 细胞骨架相关蛋白质在此过程中发挥重要作用。微管蛋白β链[9]和γ-微管蛋白相互作用蛋白[9]等参与维持细胞形态的蛋白质下调表达, 而肌动蛋白、肌动蛋白样蛋白[7]、肌动蛋白结合蛋白[9]、肌动蛋白丝-衣壳蛋白原肌球蛋白[9]等细胞骨架蛋白质上调表达。这表明, 胁迫应答过程中细胞骨架蛋白对于维持细胞形态和胞内物质运输具有重要调节作用。

6 细胞跨膜转运与细胞周期相关蛋白质参与胁迫应答

植物悬浮培养细胞受到甲基环糊精、茉莉酸甲酯、脱落酸、低温胁迫之后, 物质吸收和转运状态也发生了改变。蛋白质组学结果表明, ABC转运蛋白家族中的ABCG2[6]、ABC转运子家族蛋白[2]、N-乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体[2]都显示出上调表达的趋势。此外, 病原体相关蛋白10上调表达可能利于储存或运输代谢产物[6]。由此可见, 细胞通过加强物质吸收与转运来维持代谢活动所需物质, 应对胁迫。

抗冻蛋白与植物低温胁迫反应 第2篇

抗冻蛋白与植物低温胁迫反应

植物抗冻蛋白是从许多抗冻植物中分离的、参与植物抵御冻害反应的一类新型蛋白.这类抗冻蛋白具有多个亲水性缚冰域,能直接作用于冰晶,阻止冰晶在细胞间隙形成和再结晶.一些植物抗冻蛋白与致病相关蛋白有序列同源性,具有抗冻和抗病双重活性.植物抗冻蛋白的表达和积累,既受控于发育及转录因子调节,又受到低温、短日照、脱水及乙烯等因素的.影响.异源超表达抗冻蛋白基因能赋予敏感宿主植物抗冻能力.文中论述了有关植物抗冻蛋白特性和鉴定,抗冻机制和表达调控,以及遗传转化等方面的研究进展.

作 者：王瑞云 李润植 孙振元 任有蛇 岳文斌 WANG Ruiyun LI Runzhi SUN Zhenyuan REN Youshe YUE Wenbin  作者单位：王瑞云,李润植,任有蛇,岳文斌,WANG Ruiyun,LI Runzhi,REN Youshe,YUE Wenbin(山西农业大学,太谷,030801)

孙振元,SUN Zhenyuan(中国林业科学院,北京,100094)

刊 名：应用生态学报  ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY 年，卷(期)：2006 17(3) 分类号：Q945.79 Q948.1 关键词：植物抗冻蛋白   抗冻蛋白的双重功能   抗冻性调控   遗传转化  

MiRNAs应答干旱胁迫研究 第3篇

干旱胁迫是常见的一种逆境条件,对植物的代谢过程如气孔开闭、营养吸收和光合作用同化产量具有毒害作用,最终导致作物损害。近年来,mi RNA作为一个重要的调节子,通过调控干旱应答基因在植物抗旱的过程中起重要作用。以下对干旱条件下mi RNA参与渗透调节、光合作用和呼吸作用进行论述。

1 参与渗透调节

干旱条件下,渗透调节是维持细胞压力和稳定蛋白质结构的一个通用机制,很多植物和其他生物体为了应答干旱胁迫产生并积累了多种渗透保护物质或是渗透因子,包括氨基酸(脯氨酸)、糖类和糖醇(苷类糖醇)和胺类(甜菜碱)[1,2]。这种渗透因子的合成和积累随着植物物种或是同一物种不同栽培类型的不同而各异[3]。

脯氨酸在防御机制中具有多功能作用,其作为一个渗透子是一个胁迫相关的信号,具有清除自由基的作用[4]。植物中的脯氨酸积累不仅由于脯氨酸生物合成引起,也由于脯氨酸降解失活引起。在高等植物中,脯氨酸受脯氨酸脱氢酶(PDH)催化降解成谷氨酸[3]。拟南芥PDH反向抑制导致脯氨酸积累[5]。玉米的mi R474与脯氨酸降解有关,因为其靶基因是PDH基因[6]。利用mi RNA微阵列测序技术检测到干旱条件下玉米、水稻、苜蓿的mi R474上调表达[7,8,9],降低PDH的表达水平,有助于脯氨酸的积累,从而改善植物对干旱条件的抗性[7]。在水稻和杨树中,mi R147还靶向PPR(蛋白激酶、驱动蛋白、富含亮氨酸的重复序列), 在细胞器基因表达调控和RNA加工的转录后调控过程中起作用[8,10]。但mi R474在渗透应答中的精确功能仍然需要进一步试验验证。

2 参与光合作用和呼吸作用

干旱胁迫能抑制光合活性和光合电子转运,但呼吸作用则增强[11,12,13]。CO2固定和淀粉生成是植物生长重要生化过程,干旱胁迫使植物逐步减少了光合活性并促进CO2吸收,维持生成碳氢化合物的一个合理速率有助于植物抵御干旱胁 迫。水稻 在干旱胁 迫下mi R397表达下调[8],但在拟南芥中,干旱处理和ABA处理,mi R397b表达则上调。大豆在缺水条件下,mi R397ab在敏感型中是上调,在抗性基因型中下调[14]。mi R397预测靶向β- 呋喃果糖苷酶,参与淀粉和蔗糖代谢[8]。因此,mi R397的表达变化在C还原(CO2固定)和能源提供中起作用。此外,mi R397还预测靶向一个漆酶基因,敲除漆酶基因的突变体在脱水情况下可减少根的生长[15]。但mi R397在干旱条件下的作用机制还有待进一步研究。

mi R398在呼吸作用调控中起作用,因为其靶基因是细胞色素c氧化酶亚基Ⅴ(COX5b),在线粒体呼吸途径电子转运过程中起作用。据报道,苜蓿和小麦在干旱胁迫下mi R398表达上调,导致COX5转录物下调,说明在缺水条件下,mi R398在线粒体呼吸过程中起调控作用[9]。

3 结论与展望