过量铜对柑橘叶蛋白质组及相关生理指标的影响

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铜(Cu)是高等植物正常生长发育所必需的微量元素,在植物光合、呼吸、抗氧化、细胞壁代谢以及激素响应中起着重要作用,但过量时对植物高度有毒。长期以来,含Cu农药广泛应用于农业生产,以控制柑橘等作物的真菌和细菌病害,提高作物产量和品质。目前,全球农业土壤Cu污染呈上升趋势。由于大量持续使用含Cu农药防治炭疽病和溃疡病等果叶病害,老柑橘园中土壤Cu过量积累是一种普遍现象,柑橘连作园土壤中Cu的含量和有效性均随柑橘园生产期的延长而增加。近年来,有关过量Cu对柑橘生长和生理的影响已有一些报道,但对Cu毒引起的蛋白质谱的变化却知之甚少。本研究以沙田柚(Citrus grandis)和雪柑(Citrus sinensis)实生苗为试验材料,每天用含0.5(对照)、200、300、400μM Cu Cl2的营养液浇灌。处理6个月后,研究过量Cu对实生苗生长,以及叶气体交换和基于双向电泳(2-DE)揭示蛋白质组的影响,旨在鉴定柑橘叶片中的Cu响应蛋白和筛选可能与柑橘耐Cu性有关的候选蛋白,最终提高柑橘的耐Cu性,为柑橘高产优质栽培和柑橘产业的可持续发展提供理论支撑。主要研究结果如下:.1、当营养液Cu浓度从0.5μM增加到300(200)μM时,雪柑(沙田柚)实生苗生物量变化不大,然后随Cu浓度的进一步增加而减少;在每一供Cu水平,沙田柚实生苗的生物量均高于雪柑实生苗。随着Cu浓度的增加,叶片Cu含量增加,两种柑橘之间无显著差异,除300μM Cu时,雪柑叶Cu含量比沙田柚叶高外。当Cu浓度从0.5μM增加到200μM时,叶CO2浓度和气孔导度(gs)保持不变或增加,然后随着Cu浓度的进一步增加而降低。供Cu对胞间CO2浓度与大气CO2浓度之比(Ci/Ca)的影响不大,除了沙田柚200μM Cu处理叶Ci/Ca比300-400μM Cu处理沙田柚叶稍高外。雪柑和沙田柚叶CO2同化、gs和Ci/Ca之间无显著差异。根据上述结果,300-400μM Cu处理被认为是Cu过量。2、利用基于2-DE的质谱(MS)方法,本研究分别从200、300和/或400μM Cu处理的沙田柚和雪柑叶片中鉴定了41个和37个差异丰富蛋白(DAP)点,包含先前并没有在Cu处理根叶中报道的新的DAPs[即:铁氧还蛋白NADP还原酶,叶型同工酶(ferredoxin-NADP reductase,leaf-type isozyme,LFNR2)、景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶(sedoheptulose-1,7-bisphosphatase,SBPase)、6-磷酸葡萄糖酸内酯酶4(6-phosphogluconolactonase 4,PGL4)、铁蛋白(ferritin)、S-腺苷-L高半胱氨酸水解酶(S-adenosyl-L-homocysteine hydrolase)和类脱落酸-胁迫-成熟蛋白1(abscisic stress-ripening protein 1-like)]。超过50%的DAPs参与光合作用、碳水化合物和能量代谢,其次是抗氧化和解毒、蛋白质折叠和组装(即:伴侣和折叠催化剂)和信号转导。80%以上的DAPs仅在沙田柚或雪柑叶片中被鉴定;Cu处理沙田柚叶片中丰度增加的DAPs多于丰度下降的DAPs,Cu处理的雪柑叶片则相反。3、在沙田柚总的DAPs中,有8条显著富集的KEGG途径,分别是光合生物碳固定(ko00710)、外显子(ko04147)、糖酵解/糖异生(ko00010)、果糖和甘露糖代谢(ko00051)、光合作用(ko00195)、伴侣和折叠催化剂(ko03110),光合作用蛋白(ko00194)和磷酸肌醇代谢(ko00562);而在雪柑总的DAPs中,仅光合生物碳固定、外显子、三羧酸循环(ko00020)和光合4条KEGG途径是显著富集的。主成分分析(PCA)显示,雪柑叶DAPs的关联模式(association patterns of DAPs)比沙田柚更明显。4、Cu毒(过量)可能影响参与光合光合电子传递和CO2同化的蛋白质的丰度,从而降低电子传递速率和CO2同化。Cu毒对雪柑叶光合电子传递的损伤大于对沙田柚叶光合电子传递链的损伤大。与抗氧化和解毒、蛋白质折叠组装(即:分子伴侣和折叠催化剂)及信号转导有关的DAPs可能与柑橘Cu毒性和耐Cu性有关。总之,本研究揭示了一些有关植物(柑橘)Cu毒和耐Cu的新机制。
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