蛋白质组学在大豆与根瘤菌相互作用中的研究进展

刘向东

蛋白质（protein）是生命的物质基础，是有机大分子，是构成细胞的基本有机物，是生命活动的主要承担者。机体所有重要的组成部分都需要有蛋白质的参与，没有蛋白质就没有生命。随着功能基因组学的兴起，蛋白质组学（proteomics）已成为生命科学研究的重点之一，蛋白质组学又译作蛋白质体学，是对蛋白质特别是其结构和功能的大规模研究。蛋白质组学研究的宗旨是对组织或细胞的所有蛋白质（只是是大部分）进行分离与鉴定。通过蛋白质组的分析可以检测生命活动变化过程中蛋白质达量及翻译后修饰等的变化，从而阐明生物功能产生的分子机制。

蛋白质组学简介

蛋白质组（Proteome）一词，源于蛋白质（protein）与 基因组（genome）两个词的组合，意指“一种基因组所表达的全套蛋白质”，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。蛋白质组学本质上指的是在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互作用等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识，这个概念最早是由Marc Wilkins 在1994年提出的。

蛋白质组（Proteome）的概念最先由Marc Wilkins提出，指由一个基因组（genome），或一个细胞、组织表达的所有蛋白质（Protein）。蛋白质组的概念与基因组的概念有许多差别，它随着组织、甚至环境状态的不同而改变. 在转录时，一个基因可以多种mRNA形式剪接，并且，同一蛋白可能以许多形式进行翻译后的修饰。故一个蛋白质组不是一个基因组的直接产物，蛋白质组中蛋白质的数目有时可以超过基因组的数目。蛋白质组学（Proteomics）处于早期“发育”状态，这个领域的专家否认它是单纯的方法学，就像基因组学一样，不是一个封闭的、概念化的稳定的知识体系，而是一个领域。蛋白质组学集中于动态描述基因调节，对基因表达的蛋白质水平进行定量的测定，鉴定疾病、药物对生命过程的影响，以及解释基因表达调控的机制。作为一门科学，蛋白质组研究并非从零开始，它是已有20多年历史的蛋白质（多肽）谱和基因产物图谱技术的一种延伸。多肽图谱依靠双向电泳（Two-dimensional gel electrophoresis， 2-DE）和进一步的图象分析；而基因产物图谱依靠多种分离后的分析，如质谱技术、氨基酸组分分析等。

蛋白质组学在大豆与根瘤菌相互作用中的研究进展

在植物与微生物相互作用机理方面，大多数植物在受到微生物共生、寄生和疾病侵害时，将通过改变体内蛋白质的表达来完成信号的感应、传递，从而引起植物相应的反应，研究相关蛋白质有利于更好的了解生物之间的相互作用，在此方面关于豆科植物根瘤的蛋白质组成比较研究已有相关报道。Wan等应用蛋白质组学技术检测了大豆根与根瘤菌的相互作用，萌发4d的幼苗经B.japonicum野生型菌株和Nodc突变体菌株处理后，收集根和根毛，用水处理过的幼苗来对比，根与根毛的蛋白质组图谱比较显示，有96个蛋白表达差异，其中，共有12个蛋白是根毛中特有的。经MALDI-TOF MS分析，一共鉴定出23个蛋白，其中几丁质酶I和胁迫诱导基因H4是根毛特有。另一方面，对照与B.japonicum野生型菌株处理的根毛采用NanoLC-Q-TOFMS/MS分析后差异表达的有16个蛋白点，其中，脂氧合酶、苯丙氨酸解氨酶和抗坏血酸过氧化物酶1都是已知的对处理有反应的蛋白；也有一些是新鉴定出的。例如，肽链内切酶CLP ATP-结合酶、磷脂酶D、泡状融合酶和伴侣蛋白。10个蛋白在野生型菌株与突变体菌株处理的根毛中有表达量的变化，这组蛋白中包含一些已知的蛋白，一些新蛋白的鉴定还需要Nodc-功能表达分析。

Panter等分离出大豆根瘤中环形细菌的膜蛋白，共获得17个膜蛋白的蛋白质数据，其中有6个蛋白质是已知功能的同源蛋白。Hoale等比较大豆根瘤和根线粒体的蛋白，在根线粒体中检测到特异蛋白，其中差异表达的蛋白参与根瘤的代写。Sarma等研究大豆和土壤细菌间的共生固氮过程，利用双向电泳技术分离类菌体蛋白，证明类菌体在氮、碳代谢中表达了一个主要的、精细的蛋白网络。Larrainzar等确定了377个根瘤蛋白。Nathan等分析大豆根瘤细胞液，鉴定了69個蛋白，包括28%碳代谢，12%氮代谢，12%活性氧代谢蛋白，这些蛋白都参与了共生固氮作用。