蛋白质组学在植物逆境胁迫研究中的进展

植物应答逆境胁迫分子机制的研究进展作者：许存宾来源：《种子科技》 2018年第9期摘要：植物在生长过程中经常遭受各种胁迫因子的影响，随着分子生物学技术的发展，植物适应逆境的机制研究也从生理水平步入分子水平。

对植物应答逆境胁迫的转录组、蛋白组和调控分子机制3个方面的研究进行了概述。

关键词：植物；应答逆境胁迫；分子机制；研究进展植物经常遭受各种逆境胁迫，对生长发育造成不利影响，甚至引起死亡。

植物的逆境胁迫通常包括非生物胁迫和生物胁迫，前者主要由一定的物理或化学条件引发，如高温、干旱、冷害、高盐、重金属、机械损伤等，后者主要由各种生物因子引发，如真菌、细菌、病毒、线虫和菟丝子等引起的病虫害[1]。

植物为了适应逆境环境，会在分子、细胞、器官、生理生化等水平上作出及时调节[2～3]。

植物对逆境胁迫的响应是一个非常复杂的生命过程，其分子机制至今尚未完全阐明。

随着全球环境的日益恶化，各种逆境胁迫对植物生长发育带来的影响也日渐严重，成为制约现代农业发展的重要因素，各国学者对植物逆境应答机制的研究也投入了越来越多的力量[4]。

早期科学家们对植物在不利环境中的形态变化和生理指标变化研究较多，随着分子生物学技术的不断发展，对植物适应逆境机制的研究从生理水平进入分子水平，使得植物在逆境胁迫条件下的代谢机理研究取得了重要进展。

植物受到逆境刺激后，通过系列信号分子对相关抗逆基因和蛋白的表达进行调节，进而改变自身形态和生理生化水平来适应逆境[5]。

此研究不仅能探索生命现象的本质，而且能更好地进行分子育种和植物次生代谢产物合成研究。

本文就植物应答逆境胁迫的转录组学、蛋白组学和分子调控机制3个方面的研究进展进行了概述。

1植物应答逆境胁迫的转录组学研究进展转录组学（transcriptomics）是一门在RNA水平上研究生物体中基因转录的情况及转录调控规律的学科，即从RNA水平研究基因表达的情况。

转录组学可定量分析生物体不同组织、不同发育阶段和不同环境条件下的基因表达变化情况。

水稻响应非生物逆境胁迫的蛋白质组学研究进展王斌;姚勤;陈克平【摘要】The paper described the research advances in the proteomics for the rice response to salt stress, heavy metal stress, temperature stress, drought stress and other abiotic stress, and then forecasted their future development.%文中从盐胁迫、重金属胁迫、温度胁迫、干旱胁迫和其他非生物胁迫5个方面对水稻响应非生物逆境胁迫的蛋白质组学研究进展进行了详细地阐述,并对其未来的发展进行了展望.【期刊名称】《安徽农业科学》【年(卷),期】2012(000)012【总页数】5页(P6989-6992,7000)【关键词】水稻;蛋白质组学;非生物胁迫【作者】王斌;姚勤;陈克平【作者单位】江苏大学生命科学研究院,江苏镇江212013;江苏大学生命科学研究院,江苏镇江212013;江苏大学生命科学研究院,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】S511水稻是一种非常重要的农作物，它为全球一半以上的人口提供了稳定的食物来源。

同时，由于水稻的基因组较小且与其他的单子叶植物具有较高的共线性，因此，水稻被看做是单子叶植物研究的模式植物［1］，其基因组测序的完成［2－3］，标志着水稻研究进入功能基因组时代。

由于基因的功能是由蛋白质来执行的，所以对蛋白质的分析是确定其对应基因功能的最有效途径，由于蛋白质组能在基因组和生命活动之间建立沟通的桥梁，所以蛋白质组学成为了功能基因组学时代重要的研究领域。

1 水稻蛋白质组学的研究概况蛋白质组学(Proteomics)是从整体水平上研究细胞内蛋白质的组成、动态变化及蛋白质之间相互作用的学科。

其研究目的是对组织或细胞内的蛋白质进行分离与鉴定，分析组织或细胞内蛋白质的组成、表达时间、表达量变化以及翻译后修饰等，从而揭示蛋白质在生命过程中的功能，阐明生物生命活动规律的分子机制［4］。

植物蛋白质在调控植物抗逆的作用植物是重要的生态系统组成部分，他们是生命存在的基石。

同时，植物也面临着各种生态和环境压力。

比如说，干旱、盐碱、低温和高温等都是植物不得不面对的抗逆性挑战。

为了确保植物的生存和生长，现代农业需要依靠大规模的种植和耕作。

植物抗逆性的提高是现代农业研究的重点之一。

这其中，植物蛋白质是非常关键的组成部分。

植物蛋白质对植物的生长和发育有着重要的影响，此外它也能调节植物的抗逆性。

本文将会探讨植物蛋白质在调控植物抗逆性方面的作用。

1. 植物蛋白质是调节植物抗逆性关键因素植物蛋白质是植物体内重要的调节因子，它通过调节植物生理生化代谢和信号转导通路，影响植物的生长和发育。

同时，植物蛋白质在调节植物抗逆性方面也有着重要的影响。

近年来的一些研究表明，植物蛋白质能够参与到植物的抗逆性调节中，对干旱、盐碱、低温、高温等方面的胁迫具有一定的调节作用。

2. 植物蛋白质在干旱抗逆性中的作用干旱是植物生长和发育中的一个重要胁迫因子。

研究表明，植物蛋白质代表的信号通路能够参与干旱反应和适应的过程中。

比如说，ERF (Ethylene Response Factor) 这一家族的蛋白质能够调控植物的干旱胁迫响应和适应。

此外，MYB和WRKY等蛋白质也能够调节植物的干旱适应。

现有的研究表明，植物蛋白质的调节作用能够促进逆境适应，改善植物的干旱抗性。

3. 植物蛋白质在盐碱抗逆性中的作用盐碱是制约植物生长的重要因素，其胁迫破坏了植物体液平衡和代谢过程。

植物蛋白质也被发现在盐碱逆境中发挥着重要的调节作用。

近年来的研究表明，HKT (High-Affinity K+ Transporter) 这一蛋白质家族能够影响植物对盐碱胁迫的响应，提高植物对盐碱胁迫的抵御能力。

除此之外，SNF1-related kinase1 (SnRK1) 这一调控氧化还原及代谢的蛋白质也显著提高了植物对盐碱胁迫的耐受性。

4. 植物蛋白质在低温抗逆性中的作用低温胁迫是限制植物生长和发育的重要因素之一，它可以造成植物的冻害和低温休眠。

生物大数据技术在农作物抗逆性研究中的应用案例农作物的抗逆性是指其在恶劣环境条件下生存、生长和产量表现出的适应能力。

随着全球气候变化和人类活动的影响，农作物面临着越来越多的生态压力和环境威胁。

为了提高农作物的抗逆性，科研人员运用生物大数据技术来解析全基因组、转录组和蛋白质组等数据，以揭示作物在逆境条件下的生物学特征和调控机制，进而为育种和遗传改良提供科学依据。

本文将介绍生物大数据技术在农作物抗逆性研究中的应用案例。

首先，生物大数据技术在农作物基因组测序和比较基因组学中的应用已经取得了重要的突破。

通过对多个农作物基因组序列的测定和比较，科研人员可以揭示不同作物的遗传变异和基因组结构差异，进而找到与抗逆性相关的候选基因。

例如，在研究水稻抗旱性方面，科研人员通过对多个水稻品种的基因组数据进行比较，发现了一系列与根系发育和水分调控相关的基因，为进一步的功能研究和育种提供了重要的线索。

其次，转录组学是生物大数据技术在农作物抗逆性研究中的重要应用方向之一。

利用基因芯片和高通量测序技术，科研人员可以快速获取农作物在逆境条件下的基因表达谱，并分析差异表达基因的功能和调控机制。

例如，在剧毒农杆菌感染水稻的研究中，科研人员通过转录组分析发现了大量与抗病性相关的基因，并对其进行了功能鉴定，为进一步的分子育种和抗病机制研究提供了重要依据。

此外，蛋白质组学的发展也为农作物抗逆性研究提供了重要的工具和方法。

蛋白质组学可以全面解析农作物在逆境条件下的蛋白质组成和功能特征，从而揭示农作物抗逆性的分子机制。

例如，在研究水稻干旱胁迫响应的过程中，科研人员利用蛋白质组技术发现了多个与胁迫响应和保护机制相关的蛋白质，并鉴定了其功能和调控网络，为深入理解水稻抗旱性的分子机制奠定了基础。

最后，生物大数据技术在农作物种质资源和基因资源库中的应用也有助于加速农作物抗逆性研究的进展。

利用生物数据库和信息管理系统，科研人员可以收集、整合和共享农作物的遗传信息和基因组数据，为跨种和跨界的研究提供便利。

植物细胞核蛋白质组学研究进展摘要细胞核储藏有植物体的主要遗传信息。

植物细胞核蛋白质组的动态变化直接影响植物基因表达调控，进而调节植物生长发育与环境应答过程。

细胞核蛋白质组学研究为解析植物发育与逆境应答的分子机制提供了重要信息。

综述了近年来植物细胞核蛋白质组学研究的进展，以促进其进一步研究。

关键词植物；细胞核；蛋白质组学中图分类号 q942.6 文献标识码 a 文章编号 1007-5739（2013）05-0225-02在高等植物中，除韧皮部成熟的筛管等极少数细胞外，其他细胞都具有细胞核。

细胞核是遗传信息的储存场所，承担着基因复制、转录和转录产物加工等功能，也是细胞遗传与代谢活动的调控中心。

研究细胞核的蛋白质组成与动态变化，对于深入解析植物发育与逆境应答过程中的基因表达调控的分子机制具有重要意义。

近年来，不断发展的高通量蛋白质组学技术平台为全面解析植物细胞核蛋白质表达谱与动态特征提供了良好的技术平台。

人们已经将双向电泳、色谱技术与生物质谱技术相结合，初步研究了水稻（oryza sativa）、维柯萨（xerophyta viscosa）、洋葱（allium cepa）、拟南芥（arabidopsis thaliana）、鹰嘴豆（cicer arietinum）和大豆（glycine max）等植物细胞核的蛋白质组特征。

本文综述了近年来植物细胞核蛋白质组学研究进展。

1 植物细胞核与核蛋白质的制备目前的植物细胞核蛋白质组学研究，主要是从植物幼苗或悬浮培养细胞中提取细胞核。

从幼苗中提取细胞核，首先在低温条件下将幼苗研磨成粉末，进而通过以percoll为介质的密度梯度离心富集细胞核[1]。

从悬浮培养细胞中提取细胞核，利用匀浆机破碎或细胞壁水解酶除去细胞壁，然后通过改变细胞内外渗透压破碎原生质体，并利用密度梯度离心富集细胞核[1]。

获得细胞核以后，通常利用dapi染色后的显微观察，或通过测定细胞核制备液中叶绿素含量等方法来评价细胞核的纯度。

基于蛋白质组学的植物逆境响应机制解析随着气候变化和环境污染的加剧，植物逆境问题日益严重。

植物面对各种逆境压力时，往往会启动一系列的适应机制。

这些机制涉及到基因的表达调控、蛋白质合成、代谢和信号转导等方面的生物过程。

其中，蛋白质是植物逆境响应过程中的重要组成部分，起着重要的作用。

因此，基于蛋白质组学技术的研究，对于揭示植物逆境响应机制具有重要的理论和应用意义。

一、蛋白质组学技术的基本原理蛋白质组学是指利用现代生物学和分子生物学的手段对蛋白质进行全面、系统和深入的研究，以揭示其结构、功能和相互关系，并探索其在生物体内的生理和病理过程中的作用。

蛋白质组学技术主要涉及到蛋白质的分离、鉴定、定量和功能分析等方面。

蛋白质的分离主要通过电泳分离、色谱分离、质谱分离等方法进行。

其中，二维凝胶电泳是一种常用的蛋白质组学分离方法，具有高分辨率、高准确性和高重复性等优点。

鉴定蛋白质的方法主要通过质谱技术完成，其中液相色谱质谱联用技术（LC-MS/MS）是一种常用的蛋白质组学鉴定技术。

定量方法主要采用同位素标记、印迹技术、多肽定量等方法，可以实现高通量的蛋白质定量。

功能分析方面，利用生物信息学手段进行蛋白质同源性比对、蛋白质交互作用网络分析，可以揭示蛋白质的生物学功能和调控机制等信息。

二、基于蛋白质组学的植物逆境响应研究进展植物在面对各种逆境压力时，往往会启动一系列的适应机制，其中涉及到大量的蛋白质的表达调控和功能改变等。

利用蛋白质组学技术对植物的逆境响应进行研究，可以全面地了解植物在逆境环境下蛋白质的表达变化、代谢途径改变和信号传导通路的调节等信息，为深入揭示植物逆境响应机制提供了重要的技术手段。

近年来，利用蛋白质组学技术进行植物逆境响应研究取得了一系列的重要进展，涵盖了温度逆境、盐碱逆境、干旱逆境、重金属逆境、病毒逆境等多种逆境类型。

例如，有研究报道了大豆在长期干旱胁迫下蛋白质组的变化情况。

研究发现，长期干旱胁迫会导致大豆保持细胞稳定的蛋白质表达增加，能量代谢相关酶的表达减少，抗氧化酶的表达增加等变化。

植物逆境胁迫下的生理生化响应研究植物生长发育受到许多环境因素的影响，其中逆境胁迫是指外界环境因素对植物生长发育的不利影响，如干旱、高温、低温、盐碱、重金属污染等。

这些逆境因素一旦出现，植物的生长发育、物质代谢、生理反应等都会遭到不同程度的损害。

为了适应和应对逆境环境，植物进化出了一套完备的逆境胁迫响应机制，以保证自身生存和繁衍。

本文将围绕植物逆境胁迫下的生理生化响应研究，分别从逆境胁迫的信号识别与传递、抗逆调节物质的合成与调控、逆境诱导基因组学及蛋白质组学等几个方面展开论述。

逆境胁迫的信号识别与传递在植物逆境胁迫情况下，植物酶类和植物激素等信号分子会发生变化，从而诱导出许多生理生化响应。

如干旱环境下，植物会通过根系和叶片的水分状态来感知干旱，从而逐渐开启整个植物的干旱应答途径，通过逆境胁迫信号识别和传递，激活一系列胁迫反应途径。

其中，胁迫信号的识别与传递是逆境胁迫响应的起始阶段。

欧洲黑杨（Populus tremula）与奶油杨（Populus euphratica）是地球上广泛分布的极端条件下生长的阔叶树种，因其对盐碱、低温等逆境条件具有高度适应性而备受关注。

研究表明，这两种杨树在逆境胁迫下的生理生化响应有很大的区别，其中逆境信号的感知、传递及下游调控机制可能起到重要的作用。

Salinity-Induced Protein Phosphorylation Changes in the Halophyte Populus euphratica and the Related Glycophyte Populus tremula，该研究结果显示，盐碱胁迫下欧洲黑杨的蛋白质磷酸化水平增加并与逆境信号识别与传递相关蛋白出现不同程度的调控，而奶油杨则显示出不同的信号转导途径，特别是腺苷酸调节蛋白家族的调控可能在干旱逆境中发挥了重要的作用。

抗逆调节物质的合成与调控为了应对逆境环境，植物通常合成出一系列抗逆调节物质。

生物大数据技术在植物逆境耐受性研究中的应用方法与技巧随着科学技术的不断发展，生物大数据技术在多个领域得到了广泛应用，尤其是对于植物逆境耐受性研究而言。

植物逆境耐受性是指植物在环境逆境下仍能保持正常生长和发育的能力，它对于农业生产和环境保护至关重要。

而生物大数据技术的应用可以帮助我们更好地理解植物的逆境应对机制，为培育具有较强逆境耐受性的植物品种提供理论依据和技术支持。

一、基因组学研究生物大数据技术在植物逆境耐受性研究中的应用方法之一是基因组学研究。

通过对植物基因组序列的测定和分析，可以挖掘出与逆境耐受性相关的基因。

首先，利用二代测序和单分子测序技术获取植物基因组的完整序列。

然后，利用生物信息学软件进行序列拼接和基因预测，进一步分析比较植物基因组与参考基因组的差异和变异。

最后，通过功能注释和差异表达分析，筛选出与逆境耐受性相关的基因。

这些基因可以是参与逆境应答的蛋白质编码基因，也可以是调控逆境耐受性的转录因子基因等。

二、转录组学研究转录组学研究是指对植物在逆境条件下的基因表达进行全面和系统的分析。

通过RNA测序技术，可以测定不同逆境条件下植物基因的表达水平，进而揭示植物逆境响应的调控网络和分子机制。

在转录组学研究中，可以用到分析同源基因家族的扩张和剪接变异、预测转录因子结合位点以及预测非编码RNA等生物信息学方法。

此外，还可以结合基因共表达网络分析、逆境相关基因集的富集分析等方法，揭示逆境应答的关键基因和信号通路。

转录组学研究不仅能够发现逆境响应的驱动基因，还可以发现新的逆境应答基因，对于揭示植物逆境耐受性的分子机制具有重要意义。

三、代谢组学研究代谢组学研究是对植物在逆境条件下代谢物组成的分析和研究。

代谢组学的主要目标是发现逆境应答的代谢途径和关键调控因子，揭示植物逆境响应的代谢调控网络。

通过高通量技术如质谱和色谱等，可以获得植物逆境条件下的代谢物谱图。

然后，通过生物信息学方法进行代谢物的定性和定量分析，找出在逆境条件下显著变化的代谢物。

植物抗冻蛋白及其基因工程研究的新进展抗低温蛋白（LowTemperatureProtein，LTP）是抗低温的主要基因类别，是植物通过调节生理机制来应对不同环境温度变化的重要标志物质，是植物逆境胁迫下存活和繁衍生息的重要因素。

近年来，随着基因工程技术的发展，人们逐步发现植物抗冻蛋白的分子特性，并在其基因组学与转录组学研究中发掘更多植物抗冻蛋白的新种类，这给植物发育环境的研究和利用抗冻蛋白建立分子育种提供了重要科学参考依据。

抗冻蛋白在植物细胞内发挥着重要的保护作用。

蛋白质通过两种主要的方式来应对低温胁迫：上调表达内质网内尔蛋白质，以及调节糖代谢。

其中，蛋白质上游机制中参与的蛋白质主要有热休克蛋白，抗氧化蛋白，抗蛋白酶，抗病毒蛋白，内质网蛋白，转录因子，叶绿素蛋白，糖原蛋白等。

而糖代谢机制已经被认为是植物抗寒响应的细胞和分子机制，其中以抗冻果糖、抗冻氨基酸和抗冻脱水酶等水溶性抗冻生物参与调节活性最为重要。

由此可知，植物抗冻蛋白的研究不仅对植物的发育有重要的意义，同时也拉开了胁迫下植物的基因表达调控，揭示了抗冻基因的分子机制。

近年来植物抗冻蛋白的研究迅速发展，经过多年的研究，科学家们已经发展起各种基因工程技术，例如转基因技术、敲除技术、抗低温蛋白编码基因克隆技术。

这些技术对于植物抗寒反应调控和分子育种都有重要的意义。

在使用基因工程技术研究和开发抗冻品种方面，科学家们发现，植物可以通过将多种抗冻基因从其他植物中引入，或是通过基因融合技术将多个抗冻基因放入同一细胞内，以提高植物的耐寒性，从而达到杂交育种的目的，这种基因工程研究也可以用于改变植物的形态、根系、或抗害性。

目前，科学家们已经开发出多种抗冻的基因，这些基因可以提高植物的耐寒性，从而更好地保护植物免受冻害。

然而尽管植物抗冻蛋白的研究取得了较大进展，但其基因工程研究仍面临许多挑战。

由于植物抗冻性涉及多种基因分子，因此基因工程技术的构建需要保证每个基因的有效表达，以及维持抗冻蛋白的稳定表达。