拟南芥响应酸雨的蛋白和基因表达差异及钙提高其对酸雨抗性的机制研究

摘要

酸雨已经成为世界十大环境问题之一。我国是继欧洲、北美之后,在世界上出现的第三大酸雨区。研究酸雨影响植物生长机制及探讨如何提高植物应对酸雨的抵抗能力对生态保护及农业生产具有重要的现实意义。目前,相关的研究报道主要是从生理水平上探讨酸雨对植物的影响,而在蛋白质及基因水平上的研究还鲜见报道。本文以模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)为材料,应用蛋白组学、转录组学并结合生理指标测定等,从差异蛋白质及差异基因表达的分子水平上探讨酸雨胁迫下植物响应情况。主要取得以下初步结果:
　　 (1)通过双向电泳(2-DE)结合质谱的方法研究了拟南芥对模拟酸雨的响应,分析了在酸雨处理下拟南芥的蛋白表达变化。通过2-DE的方法我们在每张电泳图谱上分离得到1000多个蛋白,其中有50个蛋白的表达变化达到2倍以上。通过分析了这些蛋白的功能,我们发现这些蛋白广泛分布于植物物质和能量代谢、细胞防御、蛋白折叠等多个细胞生理过程。另外,多个胁迫应答及茉莉酸途径中的相关蛋白也参与了植物对酸雨的响应。更为有趣的是,几个泛素化相关蛋白的表达在酸雨处理32小时后的表达显著下降,而酸雨对拟南芥的伤害表型也主要出现在32小时之后,我们认为这可能可以作为酸雨伤害表型的分子标记。
　　 (2)通过转录组学的方法对拟南芥在酸雨处理下的差异表达基因进行了分析,结合数据库检索,鉴定了这些差异基因的生物学功能。进一步通过生物信息学的研究手段分析差异表达基因所参与的生物代谢途径及信号转导过程,系统地研究了酸雨影响下拟南芥的应答过程。我们发现,酸雨处理后,植物多个初级代谢途径,如氮代谢、硫代谢、碳代谢、氨基酸代谢等都会产生应答。另外多个转录因子及信号转导相关基因的表达也发生变化,尤其是钙信号转导过程的相关基因变化显著,表明钙信号在响应酸雨胁迫中的重要作用。另外我们还比较了酸雨与其它环境因子(如机械损伤、温度、激素、重金属、盐胁迫等)中相同的差异表达基因。我们发现多个基因在不同环境因子下都有响应,可见植物响应不同环境因子中存在交联的应答途径。
　　 (3)通过比较在不同钙浓度培养条件下,野生型(WT)及钙受体(CAS)突变型(CASas)2种拟南芥植株响应酸雨的蛋白表达差异,我们发现,在不同浓度钙培养条件下,WT植株中共有86个蛋白的表达在酸雨处理下发生变化,CASas植株共有121个蛋白表达发生变化。根据蛋白的功能及变化方式,我们发现酸雨能够影响植物的糖代谢、氨基酸代谢、光合及能量利用等多个代谢过程。高钙存在的条件下能够有效的维持植物在酸雨胁迫下各个代谢过程的正常活动。另外高钙水平下,WT多个与钙信号相关的蛋白(如:C2-结构域蛋白,EF手型结构域家族蛋白,TSK-辅助蛋白及CBL-相互作用蛋白激酶等)活跃表达,是植物体维持胞内钙信号传导的有力保障。比较野生型与CASas植株在酸雨及钙处理下的响应我们可以发现,叶片伤害表型及蛋白响应差异都证明CASas植株更加不耐酸雨的危害,更多的光合及抗氧化相关蛋白在CASas植株中下调表达。且由于CAS的缺失,钙信号上游的蛋白在CASas植株没有被鉴定,而是多个与植物细胞免疫相关的蛋白表达上调,可能是植株为抵抗酸雨危害而采取的补偿措施。对植物抗逆相关蛋白的分析发现,在低钙水平下各个蛋白的表达较高钙上调明显,也间接说明了低钙水平下,酸雨对植物的危害更加严重。我们还发现高钙水平下能够通过维持植物细胞的正常pH值,而减小植物细胞膜质过氧化作用,从而进一步减小酸雨对植物细胞的破坏作用。