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2006年中国植物科学若干领域重要研究进展

2007.7.23

3 蛋白质组学、功能基因组学与基因进化

蛋白质组学分析北京大学朱玉贤研究组利用 2-DE、 MALDI-TOF MS 和 ESI-MS/MS 等蛋白质组学的方法研究了拟南芥中的 cp29A 和 cp29B 蛋白。cp29A 和 cp29B 是拟南芥8个叶绿体核糖核蛋白 (cpRNPs) 基因中起主导作用的2个基因(Wang et al.，2006a)。2 -DE、MALDI-TOF MS 和 nano-ESI-MS/MS 的分析发现，cp29A 蛋白可以在 N 端发生乙酰化修饰，而 cp29B 蛋白具有2种不同的修饰方式，一是在蛋白质 N 端发生5个氨基酸残基的切除，二是在蛋白质 N 端发生乙酰化修饰。对 cp29A 和 cp29B 蛋白的不同存在形式在种子萌发后各个时期的表达量分析表明，二者从种子萌发后0小时起表达量开始升高，到萌发后48—96小时达到稳定值。另外，虽然在暗条件下萌发的拟南芥白化幼苗中 cp29A 和 cp29B 的表达量同光照条件下萌发时的水平相差不大，但 cp29A 和 cp29B 相应的修饰形式(N-乙酰化和 N 端5个氨基酸残基的切除)的含量远低于光照条件下萌发的拟南芥幼苗。并且，对这些暗条件下萌发的拟南芥幼苗进行光照处理后，可导致 cp29A 和 cp29B 的修饰形式含量上升。这说明对 cp29A 和 cp29B 蛋白的修饰受到光信号的调控，是一种翻译后调控而非转录调控。研究表明这种对叶绿体核糖核蛋白的修饰可能导致 CP29A 和 cp29B 与 RNA 分子的结合能力降低，从而释放更多的 RNA 分子参与翻译过程。

水稻中连接下部茎秆与穗的最上部节间形成了运输来自根系矿物质和叶片( 特别是剑叶)光合产物的重要通道。乳熟期是种子成熟的第一个时期，水稻乳熟期的最上部节间对种子品质和产量极为重要。中国科学院植物研究所沈世华研究组利用蛋白质组学方法对水稻(籼稻)最上部节间总的可溶性蛋白进行了分析，对在 2-D 胶分离到的762种蛋白质中的132种丰度较高的蛋白质进行了 MALDI -TOF-MS 分析，根据蛋白质数据库的分析，确定了80个基因产物的98种蛋白质：这些蛋白质分别属于主要与能量生成相关的11个功能组：蛋白质的大量积累与代谢、信号以及抗逆等过程有关，说明水稻最上部节间具有较高的生理和抗逆活性(Yang et al.，2006b)。这一研究结果同时也丰富了水稻蛋白组数据库的内容，为研究水稻的生理学研究提供了重要的依据。中国科学院北京基因组研究所刘思奇研究组比较了杂交水稻 LYP 及其亲本 99311 和 PA64S 胚乳与幼胚的蛋白质表达谱的差异，发现杂交稻与其亲本胚乳蛋白数目和分布模式都非常相似，但是，它们的胚蛋白质表达谱的分布模式却存在显著的差异，子代胚中的蛋白质点或来自于父本或遗传于母本。其自身不存在新的蛋白(Xie et al.，2006)。这一研究成果为水稻杂交品种的优势品质的预测提供了新的思路和可操作性的实验技术。

Lee 等(2006)利用蛋白质组学方法分析了 Prunus campanulata 种子休眠的蛋白质基础，通过比较休眠与休眠解除后种子的蛋白质表达谱的变化，发现了一些可能参与种子休眠调节的蛋白质。Wu 等(2006)利用竹子幼茎的水溶性蛋白质制备了单克隆抗体库，获得了192种单克隆抗体，并利用免疫印渍验证了这些抗体的有效性，为研究蛋白质的互作关系提供了新的材料。

木材的形成是一个复杂的、包含许多生物学反应的过程。为阐述木材形成的关键发育阶段，中国林业科学院林业研究所卢孟柱研究组利用毛白杨剥皮再生系统模拟形成层细胞的形成和分化，研究在形成层细胞形成和分化的不同时期的差异表达蛋白质(Du et al.，2006)。他们通讨形态学观察，证明在毛白杨剥皮后的几周内有新的形成层和木质部细胞的再生：利用蛋白质组学技术研究不同再生阶段蛋白质表达的变化，通过肽质量指纹鉴定共获得244种差异表达蛋白质，对其中199种进行功能分类的结果表明，调控细胞周期、细胞分化的基因主要在形成层形成过程中表达；参与调控细胞次生壁形成的基因主要在木质部发育阶段表达。他们的研究结果表明，基因表达类型的变化与次生维管系统再生发生的时间和部位相对应。这一研究结果，不仅有助于揭示木材形成的分子机制，而且也为进一步通过基因工程手段提高木材质量奠定基础。

紫杉醇(taxol)在癌症的治疗方面有重要的应用。传统上主要通过从紫杉中提取这种植物次生代谢产物。为了保护生态环境及珍稀植物，人们一直试图利用细胞培养的方法获得紫杉醇。但是培养细胞中紫杉醇含量很低，难以形成有经济价值的生产体系。因此对培养条件下紫杉醇生物合成的基础性研究显得尤为重要。天津大学化工学院元英进研究组通过蛋白组学的分析方法，比较了悬浮培养和固着培养紫杉(Taxus cuspidata)细胞的蛋白组，结果发现：两种培养方式下细胞蛋白组存在一些丰度差异显著的蛋白质，其中6种蛋白质与碳水化合物、氮以及硫代谢的调控相关；与悬浮培养方式相比，固着培养方式下中间层细胞和中部细胞的紫杉醇产量增加；这种紫杉醇产量的增加与细胞的分裂指数呈负相关，细胞分裂指数较高的培养细胞中紫杉醇产量较低，细胞分裂指数较低的培养细胞中紫杉醇产量则较高；固着培养细胞中丰度差异显著的蛋白质S-腺苷甲硫氨酸合成酶(S-adenosylmethionine synthetase) 的丰度与细胞分裂活性呈正相关。他们的研究结果为改进紫杉细胞的培养条件，获得有经济价值的紫杉醇生产体系提供了重要的理论依据(Cheng and Yuan，2006)。

基因组与基因进化 Wang等(2006c)将水稻所有全长 cDNA 序列，经过去冗余、剔除可能非编码蛋白质的基因(开放读码框＜100个氨基酸)，并过滤掉可能是转座子的序列，得到13089个较可信的编码蛋白质的基因，并利用这些序列在水稻(ssp.indica)全基因组中进行比对，最终得到898个可能由反转录转座机制(retroposition)形成的新基因。这些基因中的大部分在进化中受到负选择作用，因而可能是具有功能的反转座基因(retrogene)。在这898个基因中，42％的序列在进化的过程中“招募”了其它序列，从而形成具有新功能的嵌合基因(chimeric gene)。这些嵌合基因有的还相当“年轻”，暗示着通过反转录转座机制形成新基因可能是一个持续进行的过程，并且其发生速率要比在灵长类动物中的速率大得多。长期以来，人们认为在植物中很少通过反转录转座机制形成新基因。2005年 Plant Physiology 上发表的一篇文章，也报道了在拟南芥中仅找到69个可能通过反转录转座机制形成的新基因，并且其中大于1/3的基因被认为是假基因，而剩下的那些基因具有未知的功能(种康等，2006)。中国科学院王文、王俊等人与芝加哥大学龙漫远等人合作的研究通过在水稻的全基因组中搜索反转座基因，并利用 RT-PCR 实验对其进行验证，反驳了这种观点，并且认为通过反转录转座形成新基因是水稻等禾本科植物中非常普遍的机制。

Tian 等(2006)比较了籼稻 93-11 和梗稻来源的 PA64S 线粒体基因组序列，通过比较多态性位点序列在这2个线粒体基因组的多态性，认为籼梗稻线粒体基因组的分化发生在 45000-250000 年之前。Sun 等(2006)分析了水稻枯萎病抗性相关的受体激酶抗性基因家族成员的进化，结果显示在选择压力下点突变是该基因家族成员分化的主要进化动力。水稻基因组的完成使我们能够在基因组水平上比较单子叶和双子叶植物在基因数量和调控因子的构成、进化和功能。张大兵研究组比较了水稻中 basic/helix-loop-helix(bHLH) 转录因子家族。水稻基因组中有167个 bHLH 基因，通过分析其家系、DNA 结合域、内含子/外显子结构特征等，表明基因和基因组水平的复制是该家族扩增的主要原因之一(Li et al.，2006b)。部分 bHLH 基因在其表达的时空上具有相似性，说明它们在功能上的保守性。这些分析为进一步研究 bHLH 转录因子提供了方便。

全长 cDNA 对于基因组注释和基因的功能分析是十分重要的，但是目前已知的玉米全长 cDNA 的数量十分有限。中国农业科学院作物科学研究所王国英研究细通过改进的 CAP trapper 方法，构建了玉米苗在渗透逆境条件下富含全长 cDNA 的文库。他们从中得到 1728 (83.4％)个新的基因全长 cDNA 序列(Jia et al.，2006)。用 cDNA 微列阵芯片对这2073个玉米全长 cDNA 的表达进行分析的结果表明：79个基因被逆境处理上调，而329个基因被下调；在上调的79个基因中，30个基因在启动子中含有 ABRE,DRE,MYB,MYC 等核心序列或者含有其他对非生物逆境反应的顺式作用元件。这些研究结果说明这些顺式作用元件以及它们相应的转录因子参与了植物对渗透胁迫的反应。此外，分析结果还表明乙烯信号途径可能也参与了玉米对干旱的反应。这一研究结果对玉米基因组分析以及基因功能分析都具有重要的意义，同时也为植物对干旱逆境的研究提供了重要的信息。