植物氮代谢及其环境调节研究进展

氮代谢是植物的基本生理过程之一,也是参与地球化学循环的重要组成部分,植物氮素同化的主要途径是经过硝酸盐还原为铵后直接参与氨基酸的合成与转化,期间硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酰胺合酶(GOGAT)、天冬酰胺转氨酶(AspAT)等关键酶参与了催化和调节,以氨基酸为主要底物在细胞中合成蛋白质,再经过对蛋白质的修饰、分类、转运及储存等,成为植物有机体的组成部分,同时与植物的碳代谢等协调统一,共同成为植物生命活动的基本过程,文中概述了植物氮素同化的途径、几种关键酶的特性和调控机制,简述了氮素代谢的信号传导、植物细胞蛋白质的形成、转运、储存和降解过程,基于水分胁迫等关键生态因子对氮代谢的影响及其调节机制的评述,强调了未来需加强研究的7个方面。     

食源性肥胖大鼠下丘脑差异表达蛋白的蛋白质组学分析

建立食源性肥胖大鼠模型,对正常大鼠和肥胖大鼠下丘脑全蛋白进行双向凝胶电泳,产生下丘脑蛋白双向凝胶电泳图谱.对图谱进行比对分析后,从凝胶上切取差异表达的蛋白点,经胶内酶解,通过基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS) 对酶解后的肽段进行分析,再经数据库（NCBInr）检索,对蛋白质进行鉴定.研究发现,正常组表达图谱可检测到1　160±15（n=5）个蛋白点,肥胖组表达图谱可检测到1　070±10 （n=5）个蛋白点,与对照组相比,匹配率大于80％.并且成功鉴定了17种差异表达蛋白质,其中有7 种在肥胖组表达上调,10种表达下调.它们分别属于代谢酶、细胞周期调控因子、抗氧化蛋白、信号传导蛋白、蛋白酶体相关蛋白、细胞骨架蛋白以及未知蛋白等. 与正常对照组相比,肥胖组的蛋白质表达存在着较大差异,通过对差异表达蛋白的分析,提示了在肥胖发生的过程中,下丘脑神经中枢经历了一个非常复杂的信号活动和特定改变,为深入认识肥胖的发病机制奠定了基础.     

大鼠脑皮质表达蛋白质组学研究

文章用蛋白质组学方法初步分析大鼠脑皮质蛋白质的表达。提取大鼠脑皮质蛋白质,双向凝胶电泳分离,考马斯亮蓝染色,胰蛋白酶胶内酶解,用基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱对酶解后的肽段进行分析,根据肽质量指纹图谱,检索专业数据库(Swissprot),对蛋白质进行鉴定。鉴定出84个蛋白,分别属于代谢酶、细胞骨架蛋白、热休克蛋白、抗氧化蛋白、信号传导蛋白、蛋白酶体相关蛋白、神经元特异蛋白及神经胶质蛋白等。文章结果丰富了大鼠脑皮质蛋白质组数据库,为在大鼠模型上研究神经疾病奠定了基础。     

不同氮素水平下水稻生育后期叶片和籽粒的蛋白质组学

以超级杂交水稻“两优培九”为试验材料,运用蛋白质双向电泳技术研究了水稻生育后期不同氮素水平下（正常供氮水平的1/2,20 mg·L^-1;正常供氮水平,40 mg·L^-1;正常供氮水平的2倍,80 mg·L^-1）叶片和籽粒蛋白质组水平的变化,并鉴定分析了其差异蛋白质点（共鉴定出16个叶片蛋白质、9个弱势粒蛋白质、4个强势粒蛋白质）的生物功能.结果表明：生育后期氮素是通过影响与光合有关的酶的活化、CO₂的活化及光系统单位和电子传递链构成来影响和调节植物的光合作用;氮素可促进弱势粒中与能量合成和生长相关酶的表达;高氮水平不利于强势粒淀粉的合成,但充足的氮素对水稻物质累积及代谢具有重要作用.因此,在生育后期合理运用氮肥对提高水稻剑叶光合性能、增强源的功能、延缓功能性早衰及强化籽粒灌浆具有积极作用.     

植物硝酸还原酶的研究进展

一、硝酸还原酶的特性 硝酸还原酶(NR )是植物中显著的诱导酶之一,易被诱变得到突变体。酶结构复杂,田多个亚基组成;含有不同组分酶,其活性易受体内外因素影响,为氮素代谢的关键酶,影响农作物的总氮和蛋白氮水平,与作物的耐肥性有密切关系。该酶同时具有功能多样性的特点,在植物的其他代谢过程中,如能量代谢、铁离子同化与运转、水分胁迫、光呼吸、氯离子还原、分子O_2的分解释放等也有重要作用。NR在植物基因表达、蛋白质分子基础研究和植物代谢途径及调控研究中占有十分重要的地位。 1952年埃文斯(H.Evans)和纳松(A.Na-son)在红色链孢霉中最早发现NR,次年又在高等植物中发现,此后发现NR广泛分布于细     

感染布氏杆菌后的THP-1细胞的蛋白质组学研究

在布氏杆菌(Brucella)的感染免疫过程中,单核巨噬细胞的应答起着非常关键的作用,而毒力不同的布氏杆菌引起的宿主反应截然不同。用双向电泳技术对THP-1单核细胞受毒力不同的布氏杆菌株侵袭后的全细胞蛋白谱进行差异比较和分析,共发现了38个差异表达的蛋白质点。这些点经过胶内酶切后进行MALDI-TOF质谱鉴定,每个蛋白质点的肽质量指纹图谱都在人类的蛋白质组数据库中用Mascot进行检索后,发现这些差异表达的蛋白主要集中在结构蛋白,信号传导途径和物质代谢等领域,还有一些功能未知的蛋白。这一结果为研究布氏杆菌的感染与致病机制提供了方向,对深入探讨病原菌-宿主的相互作用模式具有参考价值。     

高效絮凝菌A9在不同碳源培养条件下差异表达蛋白鉴定及分析

研究了高效絮凝菌A9在普通培养基、葡萄糖培养基和甘露糖培养基的培养条件下蛋白质组表达的差异。从这3种不同培养基培养的菌体中提取蛋白,进行蛋白质双向电泳,胶图分析后选取差异蛋白进行质谱鉴定。胶图分析结果表明:絮凝菌A9在不同碳源培养条件下蛋白质表达有较大差异。通过质谱分析,共有54个蛋白得到成功鉴定,包括二氢硫辛酸脱氢酶、磷酸丙糖异构酶、果糖-1,6-二磷酸酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶、磷酸甘油酸激酶、顺乌头酸酶、磷酸酰基转移酶、肽基脯氨酸顺反异构酶、延伸因子G等。这些差异蛋白的功能主要与能量代谢、糖类合成和代谢、脂类运输和代谢、蛋白翻译后修饰以及核糖体结构和生成有关。本文从蛋白水平阐明了絮凝菌A9在不同碳源培养条件下部分蛋白表达差异,为优化菌株絮凝剂培养条件提供了依据。     

植物内生菌促进宿主氮吸收与代谢研究进展

内生菌与植物共生能够提高宿主的氮吸收与氮代谢水平,这可能是由于内生菌在植物体内引发的多种效应的综合结果.植物内生菌能够通过促进植物根系发育和固氮作用为宿主植物提供更多的无机氮素;能够通过分泌多种胞外酶系如漆酶、蛋白水解酶等使宿主植物更好地利用有机氮素;能够提高宿主氮代谢关键酶如硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)等酶的活性;能够提高宿主植物激素水平和维生素含量从而促进宿主氮代谢;能够通过影响宿主植物氮代谢促进宿主植物分蘖、提高宿主植物叶绿素含量和光合速率等等.综述了国内外关于植物内生菌促进宿主氮代谢的相关报道,归纳了植物内生菌影响宿主氮素吸收与代谢的可能机制,并展望了关于植物内生菌促进宿主氮代谢机制方面的研究方向.     

杜仲叶片干旱胁迫响应相关差异蛋白的筛选与鉴定

为研究干旱胁迫下杜仲幼苗生理生化及分子响应机制,利用盆栽试验,通过持续（3、6、9、12、15 d）干旱胁迫处理和复水处理,研究杜仲幼苗的生理响应特性。同时,通过研究对照与处理15 d后的杜仲幼苗差异蛋白质组,分析杜仲幼苗对干旱胁迫的分子响应机制。结果表明,随着干旱处理时间的延长,杜仲叶片的水分饱和亏逐渐增加;光合速率、蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度均逐渐减小;SOD、POD、CAT活性呈先上升后降低的趋势;丙二醛含量则呈现先上升,然后下降,最后又上升的变化特点;脯氨酸和可溶性糖含量的变化趋势与SOD等活性变化一致,前期上升,后期下降。在复水后,杜仲叶片的所有指标均有所恢复,但未达到干旱处理之前的水平。表明干旱胁迫影响了杜仲叶片的正常生长代谢。通过对干旱处理15 d后杜仲叶片总蛋白进行双向电泳分离和MALDI-TOF-TOF生物质谱鉴定,成功鉴定出36个差异表达蛋白,其中22个上调表达,14个下调表达。对36个差异蛋白进行功能分析发现,这些差异蛋白主要涉及信号传导、光合作用、碳代谢、能量代谢、次级代谢物合成、抗氧化保护酶、氨基酸代谢和蛋白质代谢。推测杜仲为适应干旱胁迫,首先是感应干旱胁迫信号,并传导至细胞内,影响杜仲叶片中光合作用、次级代谢物合成和蛋白质的生物合成;同时,通过过氧化物保护酶的作用,将过多活性氧加以清除;另一方面,则是通过增强糖酵解,磷酸戊糖途径,产生能量供杜仲正常生长所需。从生理机制来看,杜仲叶片同过增加胞内脯氨酸、可溶性糖含量,降低胞内渗透势,减少叶片中水分损失,与氨基酸合成和糖代谢相关蛋白的表达量上升的结果一致。     

14-3-3蛋白与植物细胞信号转导

14-3-3蛋白通过直接蛋白质-蛋白质相互作用对植物代谢关键酶、质膜H^＋ -ATP酶等发挥广泛调节作用。越来越多证据显示14-3-3蛋白通过与转录因子和其他信号分子结合参与调控植物细胞信号转导。对植物细胞中14-3-3蛋白调控信号转导途径,尤其是植物细胞对胁迫响应的调控机制进行了综述。     

A proteomic approach to analyze nitrogen- and cytokinin-responsive proteins in rice roots

Nitrogen plays a central role in rice growth and development because it modulates a wide variety of processes, including cytokinin (CK) metabolism. CK-mediated signaling is also related to nitrogen metabolism. The functional relation between nitrogen and CK are extremely complex and unclear. In this study, a comparative proteomic analysis was carried out to analyze proteins regulated by nitrogen and CK in rice roots. Proteins extracted from rice roots are separated by two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis. Thirty-two protein spots that expressed similarly by nitrogen and CK treatments are selected for identification by mass spectrometry. Of these spots, 28 are successfully identified. These proteins were categorized into classes related to energy, metabolism, disease/defense, protein degradation, signal transduction, transposons, and unclear classification. Energy gives the largest functional category, suggesting that the glycolysis (two enzymes detected) and tricarboxylic acid cycle (six enzymes detected) are accurately regulated by nitrogen and CK, thus promoting the synthesis of amino acid. The identification of novel proteins provides new insights into the coordination of nitrogen and CK in rice. The possible role of these proteins is discussed.     

Regulation of nitrogen metabolism in Bacillus subtilis: vive la différence!

Nitrogen metabolism genes of Bacillus subtilis are regulated by the availability of rapidly metabolizable nitrogen sources, but not by any mechanism analogous to the two-component Ntr regulatory system found in enteric bacteria. Instead, at least three regulatory proteins independently control the expression of gene products involved in nitrogen metabolism in response to nutrient availability. Genes expressed at high levels during nitrogen-limited growth are controlled by two related proteins, GlnR and TnrA, which bind to similar DNA sequences under different nutritional conditions. The TnrA protein is active only during nitrogen limitation, whereas GlnR-dependent repression occurs in cells growing with excess nitrogen. Although the nitrogen signal regulating the activity of the GlnR and TnrA proteins is not known, the wild-type glutamine synthetase protein is required for the transduction of this signal to the GlnR and TnrA proteins. Examination of GlnR- and TnrA-regulated gene expression suggests that these proteins allow the cell to adapt to growth during nitrogen-limited conditions. A third regulatory protein, CodY, controls the expression of several genes involved in nitrogen metabolism, competence and acetate metabolism in response to growth rate. The highest levels of CodY-dependent repression occur in cells growing rapidly in a medium rich in amino acids, and this regulation is relieved during the transition to nutrient-limited growth. While the synthesis of amino acid degradative enzymes in B. subtilis is substrate inducible, their expression is generally not regulated in response to nitrogen availability by GlnR and TnrA. This pattern of regulation may reflect the fact that the catabolism of amino acids produced by proteolysis during sporulation and germination provides the cell with substrates for energy production and macromolecular synthesis. As a result, expression of amino acid degradative enzymes may be regulated to ensure that high levels of these enzymes are present in sporulating cells and in dormant spores.     

施氏假单胞菌氮代谢调控蛋白GlnK与碳信号分子α-酮戊二酸的体外互作研究

细菌中PⅡ蛋白是一类氮代谢调控因子,可通过感知胞内碳氮信号变化调整自身与靶蛋白的相互作用,从而实现对下游基因的级联调控。α-酮戊二酸是胞内碳状态的重要信号分子,前期研究发现PⅡ蛋白可结合α-酮戊二酸感应细胞内的碳状态,但不同菌中二者的结合存在差异。施氏假单胞菌A1501（Pseudomononas stutzeri A1501）只含有1种PⅡ蛋白GlnK,其在A1501固氮调控中发挥重要作用,但具体碳信号感知与转导机制有待进一步探索。基于此,通过大肠杆菌外源表达GlnK蛋白,并通过微量热泳动（microscale thermophoresis,MST）方法研究GlnK蛋白与碳信号分子α-酮戊二酸的体外互作,发现二者可以体外结合,且进一步证实GlnK蛋白的第89位甘氨酸（G89,Gly89）可能与互作相关。研究结果为进一步解析α-酮戊二酸在A1501中的信号转导奠定了基础,也为深入解析固氮菌的碳氮代谢偶联机制提供了理论支持。     

Interactions between nitrogen and cytokinin in the regulation of metabolism and development

Inorganic nitrogen is a substrate for nitrogen assimilation and also functions as a signal triggering widespread changes in gene expression that modulate metabolism and development. To integrate the actions of the nitrogen signal at the whole plant level, plants use multiple signaling routes that communicate internal and external nitrogen status. One route depends on nitrate itself and one uses cytokinin as a messenger. Recent genome-wide research has shown that the nitrate-specific signal regulates a wide variety of metabolic processes including nitrogen and carbon metabolism, and cytokinin biosynthesis. Cytokinin-mediated signaling is related to the control of development, protein synthesis and acquisition of macronutrients. The coordination and interaction of both regulatory pathways is important for normal plant growth under variable nitrogen supply conditions.     

龙眼松散型胚性愈伤组织发生过程中相关蛋白的表达分析

以龙眼‘红核子’品种(Dimocarpus longan Lour.cv.Honghezi)松散型胚性愈伤组织(FEC)为材料,采用固相双向凝胶电泳技术和质谱鉴定技术,对其生长过程中相关蛋白的表达变化进行研究。结果表明:(1)龙眼FEC生长过程中,总蛋白点数在400~800之间,蛋白点数变化虽有升降起伏,但总体呈上升趋势;蛋白质pI集中在4~7之间;蛋白质分子量在14~97kD之间,表达量相对较高的是分子量在30~66kD的蛋白质,且30~45kD的蛋白点逐渐增多,45~66kD的逐渐减少。(2)龙眼FEC生长过程中质谱鉴定66个蛋白,其中28.79%为功能未知蛋白,30.30%涉及胁迫应答和抗氧化,10.61%涉及能量和糖代谢,10.61%涉及蛋白代谢和修复,6.06%涉及细胞骨架重构,4.55%蛋白是调控蛋白,3.03%是核酸代谢相关蛋白,而所占比例最少的为信号转导与细胞凋亡相关蛋白、氨基酸代谢相关蛋白、脂类代谢相关蛋白,以及维生素代谢相关蛋白均为1.52%。(3)龙眼FEC生长过程中,胁迫反应/氧化还原相关蛋白(抗坏血酸类过氧化物酶R147、R158和HC21,苄基醚还原酶同系物TH6、谷胱甘肽过氧化酶以及过氧化物酶L26)表达高峰出现在前期10~20d,而过氧化物酶4多在后期40~50d表达;蛋白质合成及修复的相关蛋白,只有蛋白质异形体1在10~30d表达量高,其他蛋白的表达高峰出现在前期10~20d之间,能量与糖代谢相关酶在整个过程中都有较大量的表达。