低磷介導的玉米軸生根伸長的蛋白質組學分析.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、酶的活性調節(jié)及信號轉導等方面發(fā)揮重要作用,可以說磷幾乎參與了植物體的所有生命活動過程,磷缺乏必將嚴重影響作物的生長和產(chǎn)量。由于土壤磷含量較低,且易與其它元素形成難溶性磷,導致土壤中能被植物直接吸收的有效磷含量極低,遠不能滿足植物的生長發(fā)育需求。玉米是重要的糧食和經(jīng)濟作物,在整個國民經(jīng)濟中占有重要地位。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)和生長發(fā)育狀況決定著植物對土壤磷庫的吸收利用效率和作物產(chǎn)量。深入研究低磷介導的玉米根系形態(tài)建成的調控機制具有重要的理論意義和潛在的應用價值。
　　隨著低磷脅迫時間的延長玉米軸生根生長發(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快速響應體系,對不同低磷處理時間下玉米軸生根生長速率及長度、植株磷濃度和生物量等進行了檢測分析。結果表明隨著低磷處理時間的延長,玉米植

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

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

5、蛋白質組學分析
　　目前有關低磷介導的玉米軸生根生長加速和伸長的調控機制還相當不清楚。為加深了解玉米軸生根對低磷環(huán)境的適應性調控機制,我們分別收取了1000μM(對照)和5μMKH2PO4處理1、3、7、11天時的玉米軸生根根尖片段,對其進行了蛋白質組學分析。低磷處理1、3、7和11天時分別檢測到924、936、947和962個分離良好的蛋白點,其中分別有48、71、80和70個蛋白點在-P和+P間存在量的顯著差異。上述結果表明低

6、磷脅迫導致玉米軸生根的蛋白質組發(fā)生了較大程度的差異調控。進一步分析上述差異蛋白點發(fā)現(xiàn),不同低磷脅迫程度下參與玉米軸生根脅迫響應的蛋白存在很大差異,僅有極少部分差異蛋白同時參與了不同磷脅迫程度下的軸生根磷饑餓反應過程。由此可知在不同缺磷程度下玉米根系會啟動不同的低磷脅迫適應性調控機制以應對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發(fā)育,這從蛋白水平上表明了低磷介導的玉米軸生根生長加速和伸長是一個復雜的動態(tài)調控過程。<

7、br>　　通過MALDI-TOF MS鑒定了低磷處理1、3、7和11天時的42、56、62和53個差異累積蛋白。功能分類分析表明它們分別涉及一個大的功能種類范圍,包括代謝相關蛋白、蛋白命運相關蛋白、蛋白合成相關蛋白、次級代謝相關蛋白、細胞結構蛋白、抗性或與環(huán)境互作相關蛋白、轉運相關蛋白、轉錄/細胞周期/信號轉導相關蛋白、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發(fā)育和低磷脅迫耐受性的改變是一個涉及多個途徑、多個層次的動態(tài)調

8、控過程。
　　其中,一些差異累積蛋白可能在低磷介導的玉米軸生根生長發(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程中發(fā)生了量的差異累積動態(tài)調控,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,也就是說大量碳代謝相關蛋白參與了玉米軸生根對低磷環(huán)境的感知及代謝

9、調控過程。結合已有的研究結果可知糖不僅作為代謝產(chǎn)物,而且極有可能作為信號分子參與到玉米軸生根的低磷響應過程。進一步分析這些碳代謝相關蛋白發(fā)現(xiàn)低磷脅迫過程中大部分氨基酸代謝相關蛋白的豐度相對降低,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增加,意味著低磷脅迫下玉米軸生根細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發(fā)育的需求,這也可能是低磷脅迫下玉米軸

10、生根生長加速及伸長的重要原因。此外,一些激素代謝、信號轉導等相關蛋白也參與到玉米軸生根的低磷脅迫響應過程,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聯(lián)蛋白、Ⅰ型蛋白磷酸酶、轉錄因子BTF3等,這些蛋白可能通過參與細胞周期調控和細胞內信號轉導等過程,進而參與調控低磷介導的玉米軸生根生長發(fā)育過程。
　　總之,本論文通過對不同低磷處理時間下玉米軸生根生長發(fā)育變化、成熟區(qū)及分生區(qū)細胞形態(tài)

11、觀察以及動態(tài)的蛋白質組學分析,明確了玉米軸生根生長改變與缺磷的內在關系;從細胞水平上揭示了一定低磷脅迫下玉米軸生根分生區(qū)細胞增殖能力的提高是導致其生長加速、長度增加的主要原因;從蛋白質水平上揭示了碳代謝調控、細胞周期及細胞信號轉導調控在低磷介導的玉米軸生根伸長過程中發(fā)揮重要作用,明確了低磷介導的玉米軸生根生長發(fā)育改變過程是多基因、多途徑參與的,涉及到細胞代謝狀態(tài)和基因表達改變的復雜的動態(tài)調控過程。這些結果加深了我們對玉米磷營養(yǎng)調控機制的