植物耐盐性分子生物学和蛋白质组学研究

植物耐盐性分子生物学和蛋白质组学研究

毕永贤孟令波陈甡(哈尔滨学院黑龙江哈尔滨

【中图分类号】R111【文献标识码】A【文章编号】1672-5085(2009)21-0118-02

【摘要】植物耐盐性是一个复杂的生理生化过程，涉及诸多基因、蛋白以及多种耐盐机制的协调作用。植物对盐逆境的耐(抗)性机制是基于与盐逆境有关基因的激活与调控，这些基因和蛋白涵盖于整个盐胁迫应答过程中。以下就近年来植物耐盐性分子生物学和蛋白质组学研究情况作一综述。

土壤盐渍化是影响农业生产和生态环境的严重问题，已经危及全球。根据联合国粮农组织（FAO）和联合国教科文组织（UNESCO）的土壤地图分析，全世界约有8.31亿hm2土地遭受盐渍化侵袭。在1.5亿hm2耕地中，0.77亿hm2受到盐害的影响。我国约有盐荒地2000万hm2，次生盐渍化土壤670万hm2，约占全国耕地总面积的14%。此外，次生盐渍化土壤面积还在以每年3%的速度扩展。土壤中高浓度的盐分会造成植物体内离子失衡、氧化伤害、水分亏缺、营养缺乏并导致生物大分子破坏、生长迟缓、甚至植株死亡，从而导致作物的减产或绝收。研究植物种子萌发期的耐盐机理、了解盐胁迫的响应调控机制、发现及验证相关基因及其蛋白，对于培育耐盐植物品种、加强盐碱土的生物治理与综合开发有重要意义。本文对近年来植物耐盐性分子生物学和蛋白质组学研究情况作一综述。

1植物耐盐性分子生物学研究

植物耐盐性是一个复杂的生理生化过程，涉及诸多基因以及多种耐盐机制的协调作用。植物对盐逆境的耐(抗)性机制是基于与盐逆境有关基因的激活与调控，这些基因涵盖于整个盐胁迫应答过程中。下面把目前已经发现并验证的耐盐性基因作一下简单概述。

1.1与渗透调节物质生物合成有关的基因细胞内主要的渗透调节物质包括氨基酸及其衍生物，糖醇类及其衍生物等。盐胁迫后，植物积累最多的氨基酸及其衍生物主要是甘氨酸甜菜碱和脯氨酸。研究证实，盐诱导植物中甜菜碱合成途径的两个关键酶（乙酞胆碱单加氧酶(CMO)和甜菜碱醛脱氢酶(BADH)）的表达，转基因植物耐盐性得到提高。对水稻的脯氨酸合成的关键酶是△`-二氢吡咯-5-羧酸合成酶((P5CS)基因的Northern分析表明，P5CS基因可被高盐、脱水、ABA和低温诱导。同时，盐胁迫可使拟南芥植株中PSCS基因的转录水平提高5倍，说明盐胁迫下该基因的转录水平的提高与脯氨酸含量升高有关。

植物体内高水平的糖醇与渗透胁迫耐性有关。比较盐生植物冰晶松叶菊和对盐胁迫敏感的拟南芥在肌醇生物合成方面的差异，结果表明，在水分胁迫下，冰晶松叶菊的Inpsl,Imtl的转录及其编码的酶的活性均被诱导。Inps1编码肌醇-1-磷酸合成酶(肌醇生物合成中的第一个酶)，而Imtl编码松醇合成的关键酶—肌醇-O-甲基转移酶(IMT)。IMT只有在遭受胁迫时才会通过Imtl基因的转录激活，胁迫诱导由肌醇合成松醇，通常积累达到渗透调节作用的显著水平。另外，山梨醇和海藻糖等也都是细胞渗透调节时产生的重要的可溶性物质，有利于增强植物的耐盐性。

1.2与自由基和有毒物质清除有关的基因植物细胞中的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、抗坏血酸-谷胱甘肽循环中的酶在清除盐胁迫下细胞内产生过多的活性氧方面起到重要作用。与自由基与有毒物质清除有关的基因在转基因植物中的转录水平提高也被证明增强了植物的耐盐性。

1.3与细胞内离子的转运、平衡及区域化有关的基因多种离子转运体和离子通道蛋白在盐逆境下植物重建体内离子平衡方面起了重要的作用。Ren等从水稻中分离到了SKC1基因，SCK1编码一个HKT型转运子(OsHKT8)，特异地转运Na+。受盐胁迫的诱导，该基因在根部表达最高，与抗盐有关。又有研究表明，K+转运的调控基因AtHAL3a，在酵母和拟南芥中的过量表达与耐盐性的提高相关。

1.4与细胞内水分转运和平衡有关的基因水通道蛋白在细胞水分转运中起重要作用。在盐胁迫下，它们对保持植物细胞内水分转运与水分平衡具有非常重要的意义。植物的质膜和液泡膜上都有水通道蛋白，在拟南芥中，已经鉴定了6个质膜水通道蛋白(PIP)。从水稻中分离的两个可能的水通道蛋白基因，在水稻的苗期，水分胁迫、盐胁迫及外源ABA作用下一个基因在叶片和根部的表达增强，而另一个基因只在叶片中表达。

1.5与耐盐性相关的分子伴侣有关的基因与耐盐性相关的分子伴侣主要包括晚期胚胎丰富蛋白和热激蛋白等。晚期胚胎丰富蛋白(LEA蛋白)具有较高的亲水性和可溶性，是一种脱水保护剂，可在营养生长过程中被干旱、寒冷、ABA、盐渍和渗透胁迫等诱导表达。对大麦中LEA蛋白类基因在转基因水稻中进行的表达分析证明，该基因与缺水和盐胁迫耐性有关。热激蛋白(Hsp)是一类受高温或其它逆境诱导而表达提高的分子伴侣，能帮助蛋白的正常折叠、膜间转运，以及受损蛋白的降解及清除等。细胞中主要的热激蛋白包括smHsp、Hsp60、Hsp70、Hsp90、Hsp100等。Liu等将水稻Hsp90基因转入烟草，使烟草苗期耐盐性增强。

1.6与盐逆境信号转导相关的调控因子或序列在环境胁迫下，植物体通过信号转导，启动或关闭某些胁迫相关基因，使这些基因在不同的时间、空间协调表达，从而达到抵抗逆境的目的。与这些信号转导相关的基因或序列包括顺式作用元件、转录因子以及信号传递途径中重要的蛋白激酶等。目前研究得比较清楚的顺式作用元件包括ABA应答元件(ABAresponsiveelement,ABRE)、偶联元件(couplingelement,CE)、干旱应答元件(droughtresponsiveelement,DRE)、乙烯应答元件(ethyleneresponsiveelement,ERE)等。与植物耐盐特性有关的转录因子主要有bZIP(basicdomain/leucinezipper)类转录因、AP2/EREBP类转录因子含锌指结构域的转录因子、MYB转录因子、HDZIP(homeodomainleucinezipper)转录因子等。

Ca2+作为第二信使，在植物生物和非生物胁迫的信号转导途径中起非常重要的作用。拟南芥调控体内离子平衡的SOS途径中的SOS3基因，产物为Ca2+结合蛋白，它与SOS2基因的产物(编码ser/thr蛋白激酶)形成SOS3-SOS2激酶复合体，激活质膜型的Na+/H+反向运输蛋白，将过多的Na+排出胞外。

2植物耐盐性蛋白质组学研究

植物的耐盐机制非常复杂，是许多耐盐性基因，通过信号网络的整合而协调一致地发挥作用，无论是耐盐机制研究，还是耐盐转基因育种研究，都不能脱离这个网络。这就需要从系统生物学的角度全面的对其进行分析，以便更加深入、清楚的了解盐对植物生长发育的影响和耐盐机制，并以此为基础，在这些逆境相关基因中找出重要的抗逆境基因来。蛋白质组技术的飞速发展为我们分离和鉴定出更多的盐胁迫诱导蛋白，预测这些蛋白的高级结构和生理生化功能，全面了解植物抗盐抗渗透胁迫的生理生化机制提供了有力的保障。以下就蛋白质组学分析在植物盐胁迫伤害机制、耐盐机制及其盐逆境植物信号转导途径等方面的研究状况进行一下综述。

2.1植物盐胁迫伤害机制的蛋白质组学分析Ndimba等用2-DE电泳方法分离了拟南芥悬浮培养物的总蛋白，共检测到2949个蛋白点。其中266个蛋白在盐和渗透胁迫条件下表达丰度发生变化。用MALDI-TOFMS技术鉴定了75个响应盐和渗透胁迫的蛋白。这些蛋白分成10个功能类型，包括转运质子ATP酶、信号转导相关蛋白、转录和翻译相关蛋白、解毒酶、氨基酸和嘌呤合成相关酶、蛋白降解酶、热休克蛋白、碳水化合物代谢有关蛋白和生物功能未知蛋白。Yan等用150mmol/LNaCl在24、48、72h内处理3周苗龄的水稻幼苗，然后提取水稻根总蛋白，再用2-DE分离根总蛋白，检测到1100多个蛋白点，其中包括34个上调蛋白和20个下调蛋白。用质谱技术分析这些受盐胁迫影响的蛋白，共鉴定了12个蛋白点，代表10个非冗余蛋白。其中3个蛋白点鉴定为1个烯醇酶蛋白，4个蛋白为盐胁迫响应蛋白，6个蛋白如UDP-葡萄糖焦磷酸酸酶、细胞色素C氧化酶亚基6b-1、根谷氨酸同工酶、初生肽有关的复合体α链、剪接因子样蛋白和肌动蛋白结合蛋白为新蛋白。上述蛋白主要参与碳水化合物、氮和能量代谢调节、活性氧种类清除、mRNA和蛋白加工和细胞骨架稳定性。此外，还有Ramani和Apte在水稻幼苗中检测到35个受盐胁迫诱导的和17个受其抑制的多肽。Kim等采用水培的方法研究了盐逆境下水稻叶片蛋白质组的变化，结果表明共有55个蛋白质点发生显著变化，其中47个受盐胁迫而上调，8个下调，对其中的33个进行质谱分析；Requejo和Tena研究了砷盐胁迫后的玉米根系蛋白质组的变化情况，发现约有10%的蛋白发生了上调或下调表达，包括超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化物还原酶等，说明氧化胁迫是砷毒对植物伤害的主要原因。这些研究都从蛋白质学的角度向我们描述了植物盐胁迫伤害机制。

2.2植物耐盐机制的蛋白质组学分析Salekdeh等比较了耐盐和盐敏感水稻根蛋白的2-DE图谱，发现许多组成性或逆境诱导的差异。其中包括1个木质素合成酶（咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶）。在正常条件下，一些耐盐蛋白质（如抗坏血酸过氧化物酶）在耐盐品种中的表达丰度高于盐敏感品种。Majoul等在耐盐小麦品种的幼苗中鉴定了1个26kD受盐胁迫影响的多肽。

Hossein等人首次进行了关于盐生植物及其在盐逆境下蛋白质组学的研究。他们研究了碱蓬属一种类似盐地碱蓬(Suaedasalsa)的盐生植物Suaedaaegyptiaca的蛋白质组变化，鉴定出了已知的与抗盐有关的蛋白，例如与甘氨酸甜菜碱的合成和活性氧解毒系统有关的蛋白，以及与新的抗盐机制有关的蛋白，如氰酸盐解毒酶。虽然大多数盐胁迫应答蛋白还有待鉴定，但是他们的工作非常有意义。因为，确定盐生植物的抗盐机制对于验证“非盐生植物拥有盐生植物所具有的大多数抗盐基因，并具备其类似的调节途径和抗盐因子”这个推测是必须的。