水稻干旱脅迫蛋白質(zhì)組相關(guān)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(xué)方法研究水稻對(duì)干旱脅迫的應(yīng)答機(jī)制，進(jìn)而研究抗旱機(jī)理，對(duì)于全面揭示植物干旱適應(yīng)的遺傳基礎(chǔ)，發(fā)掘干旱應(yīng)答相關(guān)基因、蛋白和代謝物具有重要的意義。本文通過關(guān)聯(lián)蛋白質(zhì)組、轉(zhuǎn)錄組和代謝組的數(shù)據(jù)，運(yùn)用生物信息學(xué)手段探討了水稻在干旱脅迫下的整體反應(yīng)、分析水稻抗旱的分子機(jī)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(duì)電導(dǎo)率和脯氨酸含量升高，葉水勢(shì)和土壤含水量下降。
　　 用雙向電泳對(duì)水稻葉片全蛋白進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)1200多個(gè)可溶性蛋白，經(jīng)T檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)71個(gè)蛋白點(diǎn)豐度發(fā)生1.5倍以上顯著變化（48個(gè)上調(diào)，23個(gè)下調(diào)）。將這些差異蛋白點(diǎn)進(jìn)行MALDI-TOF-TOF-MS分析，有60個(gè)蛋白點(diǎn)得到有效的鑒定。大部分蛋白質(zhì)是以前報(bào)道的與干旱等逆境脅迫相關(guān)，有4個(gè)是首次發(fā)現(xiàn)的與干旱應(yīng)答有

3、關(guān)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(duì)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(guān)的文獻(xiàn)查詢對(duì)其功能進(jìn)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(xì)胞骨架（cytoskeleton）等六個(gè)方面，其中與調(diào)節(jié)因子類相關(guān)的蛋白最多，占總蛋白數(shù)的40％。
　　 通過cDNA芯片對(duì)水稻葉片mRNA的表達(dá)情況進(jìn)行調(diào)查，總共發(fā)現(xiàn)4427個(gè)變化倍數(shù)在2倍以上的差異表達(dá)基因，其中有1812個(gè)上調(diào)基因、2615個(gè)下調(diào)基因。隨機(jī)挑選

5、40個(gè)差異基因設(shè)計(jì)引物進(jìn)行熒光定量PCR（RT-PCR）驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)兩者的相關(guān)系數(shù)為0.95。通過Gene Ontology（GO）分類系統(tǒng)對(duì)這些差異基因進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)這些基因主要分布在7個(gè)類別：細(xì)胞（cell）、細(xì)胞組分（cell part）、細(xì)胞器（organelle）、結(jié)合功能（binding）、催化功能（catalyitc）、亞細(xì)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(guān)性分析發(fā)現(xiàn)所有差異蛋白與其對(duì)應(yīng)mRNA的表達(dá)水平的相關(guān)性系數(shù)只有0.08，同時(shí)各功能類蛋白的相關(guān)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(guān)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(duì)水稻葉片的全代謝物進(jìn)行調(diào)查。共發(fā)現(xiàn)129個(gè)代謝物，主成分分析（PCA）發(fā)現(xiàn)脅迫組和對(duì)照組可以明顯分開。T檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有38個(gè)

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(jī)酸等。采用生物信息學(xué)方法對(duì)56個(gè)差異蛋白所參與的代謝通路（pathway）進(jìn)行基于離散分布的顯著性分析，總共發(fā)現(xiàn)13個(gè)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(duì)碳固定進(jìn)行映射（mapping）分析，發(fā)現(xiàn)38個(gè)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