杀雄剂SQ-1诱导小麦生理型雄性不育小花完整叶绿体差异蛋白质的鉴定

为了在蛋白质水平揭示小麦雄性不育的分子遗传机制,以小麦经杀雄剂SQ-1诱导的生理型雄性不育系,以及对应正常可育系所构建的等生理差异系为试材,应用差速离心和蔗糖密度梯度离心,首先分离出供试材料小花的完整叶绿体,制备蛋白样品后采用固相IEF/SDS-PAGE双向凝胶电泳技术对完整叶绿体蛋白质进行了分离、银染,得到了重复性较好的双向电泳图谱.PDQuest2DE软件分析识别出约150个较为清晰的蛋白质点,采用MALDI-TOF鉴定出的6个差异表达蛋白质分别是:PAP-fibrillin、ATRABB1A、底物同源结构域蛋白/RhoGAP结构域蛋白、铜锌超氧化物歧化酶(Cu/Zn-SOD)、R2R3-MYB转录因子及1个假定蛋白质.生物信息学功能分析暗示,这些蛋白直接参与了花药内激素调节、蛋白质转运、蛋白质互作、活性氧积累及花药的发育,表明SQ-1诱导的小麦生理型雄性不育其败育机理可能就与这些生理代谢过程的变异直接相关.     

小麦遗传型与生理型雄性不育花药蛋白质双向电泳分析

为了研究小麦雄性不育蛋白表达机制, 以具有异质同核的3个亲本: 即遗传型不育系ms(S)-西农1376、对应的保持系(A)-西农1376和生理型(化学杀雄剂SQ-1诱导)雄性不育系ms(A)-西农1376为材料, 利用IEF/SDS-PAGE凝胶电泳技术, 对发育到单核后期的花药全蛋白特异性进行了比较分析, 得到320~350个清晰的蛋白点。结果表明: 遗传型和SQ-1诱导的生理型不育系蛋白质图谱与正常保持系在蛋白质(多肽)表达量上存在一定的差异, 同时发现有几种蛋白质的表达有明显的特异性, 两个不育材料2D胶上共有几个明显的特异蛋白点, 而在保持系中未发现; 两个不育材料又分别具有自己的特异蛋白表达, 不育机理不同; 比较分析可知, 不育系中某些蛋白的表达受到了抑制, 并开启了与花药败育有关的特定蛋白的表达, 可能使物质能量代谢受阻,导致雄性不育的发生。     

化学杂交剂诱导的小麦生理型雄性不育花药的活性氧代谢

以化学杂交剂SQ-1诱导的生理型小麦雄性不育及其对照植株花药为材料,研究了不同花粉发育时期花药中超氧阴离子(O-·2)生成速率、过氧化氢(H2O2)和丙二醛(MDA)含量以及主要抗氧化酶活性的变化,以探明小麦花药活性氧代谢和生理型雄性不育的关系.结果表明,在幼穗时期,O-·2生成速率、H2O2和MDA含量、超氧化物歧化酶(SOD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性均高于相应对照,而过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性则低于或显著低于对照;在单核早期以及花粉败育主要发生期(单核后期和二核初期),O-·2生成速率、H2O2和MDA含量极显著高于对照,而SOD、POD、CAT和APX酶活性却极显著低于对照;在败育后的花药中,O-·2生成速率和H2O2含量与对照之间差异幅度缩小,但MDA含量依然加大,同期的几种抗氧化酶活性依然极显著低于对照.在败育的关键期,品种'西农1376'处理株花药的活性氧升高幅度比'西农2611'处理株较大,抗氧化酶活性降低幅度也较大,且'西农1376'处理株的相对雄性不育率也较高.可见,化学杂交剂SQ-1能诱导小麦花药中O-·2和H2O2大量积累以及SOD、POD、CAT和APX活性的极显著降低,引起花粉关键败育期花药活性氧代谢严重失衡和严重膜脂过氧化,导致大量花粉母细胞发育受到严重抑制,最终造成小麦生理型雄性不育.     

小麦质核互作型雄性不育系及其保持系花药差异蛋白质组学分析

为了能从蛋白质水平揭示小麦细胞质雄性不育的分子遗传机制,采用IEF/SDS-PAGE双向凝胶电泳技术,对小麦质核互作型雄性不育系(S)-1376A及其保持系(A)-1376B在花药发育的单核期、二核期蛋白质进行了差异蛋白质组学研究,经考马斯亮蓝染色,得到了重复性较好的双向电泳图谱．PDQuest 软件在分子质量9.0～100.0 ku、等电点4～7 线性范围内,可识别约610个蛋白质点,对28个差异表达的蛋白质点采用基质辅助激光解吸分离飞行时间质谱进行肽指纹图谱分析,并利用Mascot 软件在NCBInr数据库搜索,鉴定出12个差异表达蛋白,其中5个差异表达蛋白可能与雄性不育有关,分别是泛素结合酶E2、甘氨酸富集蛋白、抗坏血酸过氧化物酶、假定半胱氨酸蛋白酶抑制剂及1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶小链克隆512,它们参与了物质能量代谢、细胞程序化死亡及花发育调控等过程,推测不育系(S)-1376A 雄性不育性可能与这些生理生化代谢有关．研究结果为揭示雄性不育机理提供了理论依据．     

基因芯片分析杀雄剂SQ-1诱导小麦生理型雄性不育的基因差异表达

为揭示小麦生理型雄性不育的分子机理,更好地为小麦杂种优势利用提供理论依据和技术支撑,本研究以SQ-1诱导的西农558生理型雄性不育的花药为试验材料,以未经SQ-1处理的西农558的花药为对照,利用基因芯片技术对两者的基因表达差异进行了分析,并对部分基因运用半定量PCR技术进行了验证.结果表明,在55 052个转录本中, 两材料间差异表达的转录本有2 052条, 其中1 294个基因表达上调,758个基因表达下调.功能分类表明这些基因主要参与了毒性物质响应、逆境响应、多糖代谢及信号转导等重要生命过程.为验证芯片数据的可信性, 利用cDNA半定量 PCR 法对11个差异表达显著的基因(Ta.116, Ta.5629, TaAffx.122333, Ta.30726, Ta.13682, Ta.4057, Ta.4101, Ta.4139, Ta.11957, Ta.25934, Ta.27552) 进行验证.结果证明,无论是上调表达的还是下调表达的基因,其表达模式都与基因芯片的检测结果的一致.这些基因可作为育性相关候选基因开展下一步研究.     

两个育性相关基因在几类小麦雄性不育材料中的表达研究

以1B/1R类K型不育系K3314A及其保持系3314B,非1B/1R类K型不育系732A及其保持系732B,YS温敏雄性不育小麦A3017为材料,提取不同温度处理下各时期小穗的总RNA进行反转录,对AY914051和AY660990两个目标基因进行半定量PCR和电泳分析,测定其在小麦中的表达变化趋势,以分析其与这几种不育系的育性相关关系,探讨这几种不育小麦败育的关键发育时期。结果表明,除AY914051基因在2种保持系3314B和732B中表达量变化不大之外,其它均有明显差异;2个目标基因与这几种雄性不育系的败育有关,但与育性相关程度不同,不育系两个目的基因的表达受温度变化影响程度明显大于保持系。由实验结果推测,1B/1R类K型不育系、非1B/1R类K型不育系和YS温敏雄性不育系的败育关键时期为单核期或单核期至二核期之间;温度差异可能会导致YS温敏雄性不育系的育性相关基因表达时期错位,错位后的表达差异积累可能最终导致其败育。     

粘类非1BL/1RS小麦CMS基因定向选择及其育性特性的研究

对携有不同不育基因的4个粘类小麦雄性不育系进行了定向选择与鉴定,并对其育性特性进行研究,以选育更具应用价值的粘类非1BL/1RS小麦雄性不育系,推动三系杂交小麦的实际应用.结果表明:(1)根尖体细胞随体鉴定和A-PAGE技术分析筛选出的SP4、莫迦小麦为非1BL/1RS类型,其它供试不育系均属于1BL/1RS类型;(2)减数分裂及成熟花粉粒形态观察,粘类非1BL/1RS小麦雄性不育系其不育性是在整个配子发育过程中连续产生的,且在B型不育细胞质背景下,SP4和莫迦小麦的花粉细胞学形态与在K、Ven型2种不育细胞质背景下的不同,B型不育细胞质背景下SP4和莫迦不育系的花粉萌发率比K、Ven型不育细胞质背景下的花粉萌发率高;(3)以不同来源不育基因培育成的粘类K、Ven型非1BL/1RS不育系育性恢复性测定发现,SP4、莫迦小麦2种雄性不育系育性恢复性有一定差异,莫迦小麦不育类型育性恢复性高于SP4.     

小麦光温敏雄性不育系BS366铜锌超氧化物歧化酶基因的克隆及表达分析

超氧化物歧化酶(SOD,superoxide dismutase)是植物中一种主要的抗氧化酶,在植物应对逆境胁迫及抗衰老中起重要作用。本研究从基因芯片数据中筛选获得小麦Cu/Zn-SOD基因的EST序列,通过序列比对后拼接得到小麦Cu/Zn-SOD的候选基因,利用PCR技术在小麦光温敏雄性不育材料BS366中克隆并获得该基因。通过对Cu/Zn-SOD基因序列进行生物信息学分析,结果表明,该基因拥有连续且完整的开放阅读框,长495bp,编码164个氨基酸。氨基酸序列分析发现,该蛋白具有保守的Cu/Zn-SOD功能结构域与典型的Cu/Zn-SOD三维结构,且定位于细胞质中。通过同源进化分析表明,该蛋白与二穗短柄草(Brachypodium distachyon(L.)Beauv.)和大麦(Hordeum vulgare L.)的Cu/Zn-SOD蛋白亲缘关系较近,相似度分别为89%和94%。利用实时荧光定量PCR技术对其在小麦不同组织的表达特异性及不同逆境胁迫下的表达模式进行分析,结果表明,该基因在根、茎、叶、雌蕊、雄蕊、颖壳中均有表达,属于组成型表达,且在小麦的地上部含叶绿体的组织中含量较高;同时受多种胁迫诱导,可能参与了多种胁迫诱导调控途径。通过对该基因在不同育性环境中BS366育性转换期花药中的表达模式分析,发现可育环境下,在小孢子母细胞时期和减数分裂期的表达量分别约为对照的8倍与16倍;而不育环境下,该基因表达水平无明显变化。因而推测,小麦Cu/Zn-SOD基因可能参与了光温敏雄性不育系BS366的育性调控。本研究为深入研究Cu/Zn-SOD基因在小麦中的作用机理奠定了重要基础。     

小麦T型细胞质雄性不育系、保持系蛋白质双向电泳比较研究

以小麦T型细胞质雄性不育系为材料,利用双向电泳技术,对苗期、分蘖期、拔节期和孕穗期叶片和花粉母细胞减数分裂期、单核小孢子期、二—三核小孢子期蛋白质变化作了分析。在细胞质雄性不育系小麦拔节期、孕穗期叶片中,有一个33KD/PI6.3蛋白组分存在,保持系中没有发现这个蛋白组分。在花粉败育的关键时期二—三核小孢子期,小麦细胞质雄性不育系有53KD/PI5.5、50KD/PI5.7、48KD/PI5.6和20KD/PI7.5四种蛋白组分存在,而保持系中也没有存在。小麦细胞质雄性不育系叶片和小孢子发育过程中存在的这五种特异蛋白可能参与育性调控,与细胞质雄性不育特性的形成有关。     

小麦T型细胞质雄性不育系、保持系蛋白质双向电泳比较研究

以小麦T型细胞质雄性不育系为材料,利用双向电泳技术,对苗期、分蘖期、拔节期和孕穗期叶片和花粉母细胞减数分裂期、单核小孢子期、二—三核小孢子期蛋白质变化作了分析。在细胞质雄性不育系小麦拔节期、孕穗期叶片中,有一个33KD／P16．3蛋白组分存在,保持系中没有发现这个蛋白组分。在花粉败育的关键时期二—三核小孢子期,小麦细胞质雄性不育系有53KD／P15．5、50KD／P15．7、48KD／P15．6和20KD／P17．5四种蛋白组分存在,而保持系中也没有存在。小麦细胞质雄性不育系叶片和小孢子发育过程中存在的这五种特异蛋白可能参与育性调控,与细胞质雄性不育特性的形成有关。     

杀雄剂SQ-1诱导小麦雄性不育花粉粒差异蛋白质组学研究

采用固相pH梯度/SDS-PAGE双向凝胶电泳对经杀雄剂SQ-1处理和未处理的小麦(Triticum aestivum)成熟期花粉总蛋白质进行了分离, 银染显色, 获得了分辨率和重复性较好的双向电泳图谱. 通过PDQuest 2DE图像软件的分析, 在等电点4～7之间可识别350个以上较为清晰的蛋白质点, 其中差异表达明显的蛋白质点数为21个. 将11个差异点采用基质辅助激光解析电离飞行时间质谱进行了肽质量指纹图谱分析, 采用Mascot软件在Swiss-prot数据库查询, 鉴定出了7个蛋白质, 它们分别是液泡转化酶、动力蛋白轻链TCTEX-1、锰超氧化物歧化酶、果糖-1,6-二磷酸醛缩酶、抗坏血酸过氧化物酶、凝集素蛋白激酶和一种未知功能的蛋白. 对已知蛋白的功能进行分析, 推测杀雄剂SQ-1诱导小麦雄性不育可能与能量代谢失衡、淀粉合成受抑制、活性氧积累、细胞凋亡以及花器官发育调节基因作用失控等有关.     

Differential proteomic analysis of polyubiquitin-related proteins in chemical hybridization agent-induced wheat (Triticum aestivum L.) male sterility

Protein polyubiquitination is a significant regulator of diverse physiological functions, including sexual reproduction, in plants. Chemical hybridizing agents (CHA) SQ-1 has been shown to induce male sterility in wheat (Triticum aestivum L.) through inhibition of pollen development. This mechanism by which CHA induces male sterility in wheat is unclear. In this study, differential proteomic analysis of polyubiquitinated proteins associated with wheat male sterility was investigated. Wheat plants of the same genetic background were treated with or without CHA. Ubiquitinated proteins were then extracted and enriched for proteomic analysis. Differentially expressed polyubiquitinated proteins in trinuclear stage anther were identified by nanospray liquid chromatography/tandem mass spectrometry. A total of 127 and 131 differentially expressed polyubiquitinated proteins, including heat shock protein 70, ATPase subunit, glycosyltransferase, ubiquitin-related enzyme, and 20S proteasome subunit, were successfully identified by searching against wheat protein database and NCBInr database, respectively. Most of these proteins are related to photosynthesis, carbohydrate and energy metabolism, and multiple metabolic processes. These findings show that alteration of polyubiquitinated proteins is associated with male sterility in wheat.     

小麦Ven型胞质雄性不育植株与可育植株花药蛋白质组差异研究

普通小麦具有偏凸山羊草（Ae. ventricosa）细胞质的不育系为Ven型胞质雄性不育系（Ven cytoplasmic male sterility, Ven CMS）,是粘类小麦CMS的一种类型。该研究对小麦Ven型雄性不育系冀5418A及其同型保持系冀5419B的单核期和二核期的花药进行差异蛋白质组学分析,探讨小麦质核互作雄性不育的分子机制。通过双向电泳分离花药蛋白,基质辅助激光解析飞行时间串联质谱（MALDI TOF TOF）对差异表达蛋白进行质谱鉴定,利用生物信息学进行差异表达蛋白鉴定和功能注释分析。结果表明,在分子量19.0～100.0 kD、等电点4～7线性范围内,共检测到约2 000个蛋白点。2个时期共检测到差异蛋白98个,其中两个时期差异表达变化一致的蛋白点56个;数据库搜索获得鉴定的蛋白点41个,其中18个蛋白的表达量在冀5418A 中显著下调,23个在冀5418B 中明显下调。在不育系和可育系中均有参与能量代谢、活性氧代谢、核糖体合成、花粉物质合成的差异蛋白。GO分析预测差异蛋白生物学过程多涉及电子传递和能量代谢、核糖体代谢、活性氧代谢等,细胞组成主要是在膜区域和线粒体,分子功能主要是DNA和RNA结合功能和水解酶等。KEGG分析表明,较多蛋白分布于碳水化合物代谢、活性氧代谢和蛋白组装和折叠途径。推测不育系冀5418A 的雄性不育性除了涉及能量代谢、活性氧清除过程,核糖体蛋白、伴侣蛋白等也有重要作用,雄性不育性可能还与蛋白质加工、物质合成过程的紊乱有关。     

微管解聚剂和光合作用抑制型除草剂诱导的黑麦和玉米中蛋白质组分变化的比较研究

研究了黑麦、玉米在经甲基胺草膦和Atrazine两种除草剂处理后叶绿素含量、叶绿体和根尖分生组织内的蛋白质组份变化,实验结果表明,0.1 mg·L^-1的Atrazine可使黑麦中的叶绿素含量下降（分别从对照的1.72±0.034 mg·g^-1 FW下降到1.62±0.05 mg·g^-1 FW、1.25±0.015 mg·g^-1 FW）。2种除草剂均可使黑麦、玉米中的蛋白质组份产生改变,如当分别用0.1 mg·L^-1的Atrazine处理时,黑麦分生组织中,有4个蛋白质斑点,斑点7、斑点18~20被诱导产生,12个蛋白质斑点,斑点6、斑点8~17、斑点21消失。玉米分生组织中,有4个蛋白质斑点,斑点5、斑点14~16被诱导产生,4个蛋白质斑点,斑点17~20消失。黑麦叶绿体中,有两个蛋白质斑点被诱导产生,13个蛋白质斑点,斑点1~13消失,但Atrazine处理不引起玉米叶绿素含量和叶绿体蛋白质组份的变化。4 mg·L^-1 APM可引起黑麦和玉米分生组织蛋白质组份变化,在黑麦中,1个蛋白质斑点被诱导产生,4个蛋白质斑点,斑点2~5消失。玉米分生组织中,15个蛋白质斑点,斑点4~5、斑点7~16、斑点21~23被诱导产生,4个蛋白质斑点,斑点1~3、斑点6消失。APM均不能引起2种作物中叶绿素含量和叶绿体蛋白质组份的变化。     

小麦小花高纯度线粒体的分离及其蛋白质双向电泳体系建立

应用差速离心和Percoll不连续密度梯度法分离纯化小麦三核期小花线粒体. 在裂解液选择、IPG胶条pH值范围、SDS-PAGE胶浓度及蛋白质上样量等方面对线粒体蛋白质双向电泳体系进行探索和优化,确立了一套适用于小麦小花高纯度完整线粒体的分离方法及其蛋白质双向电泳的技术体系. 结果表明,采用20%、24%和40% Percoll密度梯度和28% Percoll自形成密度高速离心体系,获得了有活性、高纯度且较完整的线粒体;经TCA-丙酮法提取蛋白,以7 mol/L尿素,2 mol/L硫脲,4% CHAPS(W/V),65 mmol/L DTT,0.5% IPG缓冲液(V/V),0.001% 溴酚蓝(W/V)裂解液溶解蛋白,采用17 cm,pH 4～7 IPG胶条和11% SDS-PAGE分离胶,上样量为160 μg,硝酸银染色法,更适合小麦小花线粒体蛋白质组双向电泳分离. 经PDQuest 2DE 8.0.1软件包统计分析,在2-DE图谱上分辨出约150个蛋白点,蛋白点清晰呈圆形,无横条纹干扰,这为利用双向电泳技术在亚细胞水平对线粒体进行蛋白质组学研究与分析奠定了基础,更为进一步分析研究线粒体与雄性不育的关系提供了理论与技术支撑.     

Identification of differentially regulated proteins in response to a compatible interaction between the pathogen Fusarium graminearum and its host, Triticum aestivum

Using proteomic analyses, a study was carried out aimed at understanding the molecular mechanism of interaction between Fusarium graminearum and Triticum aestivum. Wheat spikelets were inoculated with H2O and conidia spores of F. graminearum. Proteins were extracted from spikelets harvested at three time points: 1, 2 and 3 days post inoculation. About 1380 protein spots were displayed on 2-D gels stained with Sypro Ruby. In total, 41 proteins were detected to be differentially regulated due to F. graminearum infection, and were analyzed with LC-MS/MS for their identification. The proteins involved in the antioxidant and jasmonic acid signaling pathways, pathogenesis-related response, amino acid synthesis and nitrogen metabolism were up-regulated, while those related to photosynthesis were less abundant following F. graminearum infection. The DNA-damage inducible protein was found to be induced and glycosylated in F. graminearum-infected spikelets. Using TargetP program, seven of the identified wheat proteins were predicted to be located in the chloroplast, implying that the chloroplast is the organelle mostly affected by F. graminearum infection. Eight identified fungal proteins possess possible functions such as antioxidant and acquiring carbon from wheat through glycolysis in a compatible interaction between F. graminearum and wheat.