论文部分内容阅读
土壤盐碱化是限制植物生长和农作物产量的主要环境因子。盐碱逆境会造成植物受到离子胁迫、渗透胁迫与氧化胁迫。此前，人们更多地开展了离子胁迫与渗透胁迫的研究，然而，植物盐碱逆境引起的氧化胁迫的分子调控机制还不清楚。星星草（Puccinellia tenuiflora）是我国北方盐碱地广泛分布的耐盐碱牧草，是研究盐生单子叶植物盐碱应答机理的良好模式植物。研究星星草盐碱逆境引起的氧化胁迫的分子调控机制具有重要意义。
本研究利用刚刚建立的星星草全基因组数据库，开展了碱性盐应答转录组、蛋白质组和氧化还原蛋白质组学研究，在全基因组水平分析了星星草Na2CO3应答的分子调控网络，系统揭示了叶片与根部碱性盐应答的转录、翻译与翻译后调控分子机制，并利用分子遗传学手段初步解析了碱性盐应答的信号转导机制。
转录组学研究结果表明，星星草叶片与根部分别有13，290和15，859个基因参与Na2CO3胁迫（0.5h、6h和7d）应答。这些基因表达模式表明，叶片中参与光合作用、转录调控、蛋白质合成与降解和基础代谢等，根中参与胁迫防御、信号转导、膜与运输等途径在盐碱应答过程中具有重要作用。其中，研究发现，30多个基因可能是根部糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白(LLG)与类受体激酶(RLK)FERONIA(FER)信号通路中的重要成员。
定量蛋白质组学与氧化还原蛋白质组学研究结果表明，在应答Na2CO3胁迫(0.5h和6h)过程中，星星草叶片的189种蛋白质丰度改变，62条肽段氧化还原水平改变;根部347种蛋白质丰度改变，168条肽段氧化还原水平变化。这些蛋白质的丰度与氧化还原水平变化模式表明，激酶信号通路、膜运输、细胞骨架重塑、ROS稳态、胁迫与防御、基因表达和蛋白质周转、糖代谢，以及氨基酸代谢等途径在盐碱应答过程中发挥了重要作用。
通过整合转录组学、蛋白质组学与分子遗传学的研究结果，推测星星草利用多种策略应答Na2CO3胁迫，主要包括:(1)叶片参与光合电子传递、ATP生成和碳同化过程的蛋白质丰度和氧化还原水平改变，从而调节光合作用:(2)通过蛋白质氧化还原水平变化调控膜泡运输、蛋白质转运、脂质运输，以及小分子物质（水分、离子和代谢产物）转运等过程;(3)动态调节ROS清除酶系统中多种酶的蛋白质丰度和氧化还原水平调控其酶活性，维持ROS稳态;(4)根中LLG-FER-FLS2信号通路调控盐碱应答基因表达。
定位于细胞质膜的PutLLG1，作为FER的共受体，在根中优势表达，并受到Na2CO3的诱导。PutLLG1保守基序中Cys130氧化水平在Na2CO3胁迫时显著上升，这暗示着Cys130的氧化还原变化对PutLLG1的蛋白质功能可能有影响。PutLLG1内有8个保守的Cys残基形成4对二硫键（Cys50-Cys98、Cys66-Cys76、Cys77-Cys121和Cys85-Cys130）。酵母双杂实验结果表明，不同Cys位点突变对PutLLG1与PutFER互作的强度影响不同。PutFER与PutLLGC85/130A互作强度明显弱于其它各组合，推测Cys85-Cys130可能调节PutLLG1构象影响其与PutFER互作，进而调节下游信号通路。
本研究的结果为深入认识盐生牧草盐碱胁迫应答分子调控网络提供了新的线索，为开发利用盐碱地植物资源，进而利用分子设计育种技术创制农作物新品种奠定了基础。
本研究利用刚刚建立的星星草全基因组数据库，开展了碱性盐应答转录组、蛋白质组和氧化还原蛋白质组学研究，在全基因组水平分析了星星草Na2CO3应答的分子调控网络，系统揭示了叶片与根部碱性盐应答的转录、翻译与翻译后调控分子机制，并利用分子遗传学手段初步解析了碱性盐应答的信号转导机制。
转录组学研究结果表明，星星草叶片与根部分别有13，290和15，859个基因参与Na2CO3胁迫（0.5h、6h和7d）应答。这些基因表达模式表明，叶片中参与光合作用、转录调控、蛋白质合成与降解和基础代谢等，根中参与胁迫防御、信号转导、膜与运输等途径在盐碱应答过程中具有重要作用。其中，研究发现，30多个基因可能是根部糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白(LLG)与类受体激酶(RLK)FERONIA(FER)信号通路中的重要成员。
定量蛋白质组学与氧化还原蛋白质组学研究结果表明，在应答Na2CO3胁迫(0.5h和6h)过程中，星星草叶片的189种蛋白质丰度改变，62条肽段氧化还原水平改变;根部347种蛋白质丰度改变，168条肽段氧化还原水平变化。这些蛋白质的丰度与氧化还原水平变化模式表明，激酶信号通路、膜运输、细胞骨架重塑、ROS稳态、胁迫与防御、基因表达和蛋白质周转、糖代谢，以及氨基酸代谢等途径在盐碱应答过程中发挥了重要作用。
通过整合转录组学、蛋白质组学与分子遗传学的研究结果，推测星星草利用多种策略应答Na2CO3胁迫，主要包括:(1)叶片参与光合电子传递、ATP生成和碳同化过程的蛋白质丰度和氧化还原水平改变，从而调节光合作用:(2)通过蛋白质氧化还原水平变化调控膜泡运输、蛋白质转运、脂质运输，以及小分子物质（水分、离子和代谢产物）转运等过程;(3)动态调节ROS清除酶系统中多种酶的蛋白质丰度和氧化还原水平调控其酶活性，维持ROS稳态;(4)根中LLG-FER-FLS2信号通路调控盐碱应答基因表达。
定位于细胞质膜的PutLLG1，作为FER的共受体，在根中优势表达，并受到Na2CO3的诱导。PutLLG1保守基序中Cys130氧化水平在Na2CO3胁迫时显著上升，这暗示着Cys130的氧化还原变化对PutLLG1的蛋白质功能可能有影响。PutLLG1内有8个保守的Cys残基形成4对二硫键（Cys50-Cys98、Cys66-Cys76、Cys77-Cys121和Cys85-Cys130）。酵母双杂实验结果表明，不同Cys位点突变对PutLLG1与PutFER互作的强度影响不同。PutFER与PutLLGC85/130A互作强度明显弱于其它各组合，推测Cys85-Cys130可能调节PutLLG1构象影响其与PutFER互作，进而调节下游信号通路。
本研究的结果为深入认识盐生牧草盐碱胁迫应答分子调控网络提供了新的线索，为开发利用盐碱地植物资源，进而利用分子设计育种技术创制农作物新品种奠定了基础。