蛋白质组学研究揭示的植物细胞壁逆境应答蛋白质

马晓琳　赵琪　戴绍军

摘要 细胞壁是植物细胞最外层的屏障，参与细胞支撑、物质运输与抵御逆境等过程。近年来，定量蛋白质组学技术被应用于植物细胞壁逆境应答调控机制的研究，已经报道了小麦、玉米、大豆和番茄等植物根、下胚轴和茎等器官细胞壁应答生物胁迫（如青枯病菌感染）与非生物胁迫（如水淹和缺水）过程的蛋白质变化，为揭示细胞壁逆境应答机制提供了新线索。

关键词 植物；细胞壁；逆境胁迫；蛋白质组学

中图分类号 S757.2+1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）08-0151-03

Abstract Cell wall acts as the barrier for plant cells and plays important roles in cell structure，material transport，and response to environmental stresses.In recent years，quantitative proteomics technologies have been applied to investigate the regulatory mechanism underlying plant cell wall stress responses.The expression patterns of 308 differentially abundant proteins in cell wall were studied in roots，hypocotyls and stems of wheat （Triticum aestivum），maize （Zea mays），soybean （Glycine max） and tomato （Solanum lycopersicum and Solanum pimpinellifolium） in response to biotic stresses （e.g.，Ralstonia solanacearum infection） and abiotic stresses （e.g.，flooding and water deficit）.This paper gave an integrative analysis of these results and provided new clues for understanding the environmental stress-responsive network in plant cell wall.

Key words plant；cell wall；stress；proteomics.

細胞壁是植物细胞最外层的屏障，最先感知胁迫信号[1]，并将胁迫信号转导至细胞内，调节细胞生命活动[2]。细胞壁是由多聚糖、酶和结构蛋白构成的网状结构[3]。细胞壁成分的变化影响其延展性、机械支撑与物理防御功能。在应对胁迫时，细胞壁蛋白质在细胞壁结构、代谢、信号转导方面起重要作用[4]。近年来，细胞壁蛋白质分离技术的完善，以及蛋白质组学研究平台的建立，为高通量、大规模地研究细胞壁蛋白质组成与功能奠定了基础。已经报道了小麦（Triticum aestivum）[2]、玉米（Zea mays）[1]、大豆（Glycine max）[5]和番茄（Solanum lycopersicum和Solanum pimpinellifolium）[6]等植物根、下胚轴和茎等器官的细胞壁在应答生物胁迫[如青枯病菌（Ralstonia solanacearum）感染]与非生物胁迫（如水淹和缺水胁迫）过程中的308种丰度差异蛋白质。本文整合分析了这些蛋白质表达模式的变化特征，为全面理解细胞壁逆境应答分子机制提供了新线索。

1 细胞壁重塑相关蛋白质

聚糖是植物细胞壁的主要组成成分，参与细胞壁糖类物质调节的蛋白质的丰度变化在应对外界胁迫过程中至关重要。蛋白质组学研究发现，在缺水胁迫下，玉米根细胞壁中的葡聚糖酶（glucanase）、α-L-阿拉伯呋喃糖酶/β-D-木糖苷酶同工酶（α-L-arabinofuranosidase/β-D- xylosidase isoenzyme，ARA）、β-D木糖酶（β-D-xylosidase）、α半乳糖苷酶（α-gala-ctosidase）和β半乳糖苷酶（β-galactosidase）的丰度均下降，β葡糖苷酶（β-glucosidase）丰度也改变[1]，而在水淹胁迫的小麦根细胞壁内丰度下降[2]。该类蛋白质主要是通过参与调解细胞壁内糖类物质的代谢过程来抑制细胞壁松弛，从而应对外界胁迫。β葡糖苷酶还可通过对脱落酸—葡萄糖酯的水解作用调节ABA在根部的积累，进而调节根延伸生长，从而应对缺水胁迫。

果胶是细胞壁的重要组成成分。果胶酯酶（pectinesterase）可以水解聚半乳糖醛酸并形成果胶酸酯凝胶，此过程有利于细胞壁的固化[3]。蛋白质组学研究发现，青枯病菌感染的番茄茎细胞壁内[6]，果胶酯酶可通过增强细胞壁去甲酯化作用固化细胞壁，从而应对外界胁迫。

参与细胞壁代谢相关酶的抑制蛋白虽然不能直接作用于细胞壁组分，但它们间接地影响细胞壁组分的降解或合成。多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白（polygalacturonase inhib-itor protein，PGIP）能够抑制由真菌或细菌病原体产生的多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）活性。PG可以降解植物细胞壁中的多聚半乳糖醛酸多糖成分，导致细胞壁降解。蛋白质组学研究发现，缺水胁迫导致玉米根细胞壁中PGIP的丰度变化[1]，这可能是通过调节PG参与的植物细胞壁重塑过程应对胁迫[7]。内源α-淀粉酶/枯草杆菌蛋白酶抑制蛋白（α-amylase/subtilisin inhibitor）可以抑制α-淀粉酶水解。此外，水淹胁迫导致小麦根细胞壁内的α-淀粉酶/枯草杆菌蛋白酶抑制蛋白丰度下降，这有助于降低对α-淀粉酶的抑制作用，从而增强细胞壁的延展性来，应对水淹造成的渗透胁迫[2]。

内木葡聚糖转移酶（endoxyloglucan transferase，EXT）可催化木葡聚糖分子内和分子间的拼接，进而调节植物细胞壁内木葡聚糖间的分子交联[8]。细胞壁的膨胀过程是通过葡聚糖和纤维素微纤丝等物质的嵌入来维持细胞壁的机械厚度及特性来实现的，这一过程依赖EXT的催化作用[8]。木葡聚糖内切转糖基酶（xyloglucan endo-transglycosylase，XET）也与细胞壁松弛相关，具有催化木葡聚糖切割和重组的功能[8-9]。蛋白质组学研究发现，EXT和XET在缺水胁迫的玉米根细胞壁中丰度均下降，这表明植物可以通过抑制细胞壁的膨胀应对缺水胁迫[1，9]。此外，甲硫氨酸合酶（methionine synt-hase，MetS）催化甲硫氨酸的合成，早期人们认为MetS是一种胞质蛋白质[10]。随着研究的深入，Komatsu等[5]发现MetS是一种不具有分泌肽信号的细胞壁蛋白。在干旱胁迫条件下，鹰嘴豆细胞壁中MetS丰度上升能促进甲硫氨酸合成，增加S-腺苷-甲硫氨酸积累，为木质素前体的甲基化提供甲基基团[10]，这有助于植物通过调节细胞壁木质化程度来应对干旱胁迫。在水淹胁迫下，大豆下胚轴[5]与小麦根[2]细胞壁内MetS的丰度下降会抑制木质素合成，这有利于植物通过维持细胞壁的延展性来应对水淹胁迫。

2 细胞壁抗氧化、渗透和病原体侵染胁迫相关蛋白质

在胁迫条件下植物细胞会产生大量的活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）[11]。ROS会与蛋白质、DNA和脂质等相互作用，进而抑制光合作用、增强电解质渗透率、加快细胞衰老和细胞凋亡[12]。细胞壁内ROS清除机制的研究起始于对胡萝卜（Daucus carota）细胞非原生质体氧化爆发的研究，该研究表明，非原生质体内的氧化爆发是整个细胞氧化爆发的必要条件[13]。在应对氧化胁迫时，植物通过调节体内抗氧化酶或非酶系统来维持ROS的平衡。蛋白质组学研究发现，过量ROS引发的氧化胁迫导致抗氧化酶丰度改变[1，5]，包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）、过氧化物酶（peroxidase，POD）、抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）和乙二醛酶（glyoxalase，GLO）等。蛋白质组学研究发现，在缺水胁迫条件下的玉米根细胞壁内，SOD、POD和APX丰度均上升[1]，而受水淹胁迫的大豆细胞壁内SOD丰度下降[5]。番茄茎细胞壁的CAT在响应青枯病菌胁迫时丰度下降[6]。以上结果表明，通过调节细胞壁内H2O2的积累可调节酚类物质氧化成苯氧基的过程，从而影响木质素的聚合反應，进而通过控制细胞壁的机械厚度来应对水分胁迫[1]或病原菌入侵[6]。此外，蛋白质组学研究发现，在玉米根[1]、番茄茎[6]及小麦根[2]的细胞壁内的GLO和谷氨酰转肽酶（γ-glutamyl transpepti-dase，GGT）在应对外界胁迫时丰度也发生变化。GLO和GGT可参与调节还原型谷胱甘肽（GSH）的代谢。还原性的GSH可清除过量的ROS，高浓度的GSH还可以诱导植物抗毒素和木质素合成相关基因的表达[14]。这表明，GLO和GGT通过调节GSH在细胞壁内的积累影响细胞壁内ROS清除及木质素合成来应对胁迫。此外，水淹胁迫的小麦根细胞壁中苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase，PAL）丰度下降[2]。PAL催化L-苯基丙氨酸去氨基化生成氨及反式肉桂酸，肉桂酸再经过甲基化等一系列反应形成木质素单体，最终木质素单体聚合形成木质素[15]。因此，PAL丰度的下降可能是通过减少细胞壁中木质素的合成降低细胞壁的木质化程度，从而增强其延展性应对水淹胁迫。

缺水胁迫会促进植株体内渗透保护物质的合成。甜菜碱是一种重要的渗透调节保护物质。腺苷浓度与腺苷激酶（aden-osine kinase，ADK）的活性可能影响着植物体内甜菜碱的合成。 蛋白质组学研究发现，在缺水胁迫条件下玉米根细胞壁内ADK丰度变化[1]，可能影响依赖S腺苷-甲硫氨酸的甲基化作用进而影响甜菜碱的合成来应对缺水胁迫。

几丁质酶（chitinase）可以催化β-1，4键连接的聚糖（如几丁质）水解[16]。几丁质是真菌细胞壁的组成成分，虽然在植物体内尚未发现几丁质，但几丁质酶在动植物体响应病原体入侵时发挥重要作用[16]。蛋白质组学研究为此提供了证据，在青枯病菌感染的番茄茎细胞壁中几丁质酶丰度上升，这有助于水解青枯病菌的几丁质[6]。蛋白质组学研究发现几丁质酶的丰度在水淹胁迫的小麦根细胞壁内上升[2]，而在缺水胁迫的玉米根细胞壁内下降[1]。这表明，细胞壁内的几丁质酶在植物应对水淹与干旱等非生物胁迫中也发挥了重要作用[2]。

R40C1蛋白含有一个富含组氨酸残基的金属结合域，其通过形成α螺旋结构与膜蛋白结合，从而响应多种胁迫[17]。缺水胁迫导致玉米根细胞壁中R40C1丰度上升[1]，在干旱胁迫的玉米幼苗中R40C1发生去磷酸化[11]。这表明，R40C1可能通过磷酸化/去磷酸化过程应答干旱胁迫。

此外，小麦萌发素类蛋白（germin like protein，GLP）是小麦胚发芽时在细胞壁内合成的同源五聚体糖蛋白。在小麦萌发和成熟过程中，细胞壁选择性地与不同亚型的GLP结合[18]。萌发素（germin）是一类定位于胞外基质，并与GLP序列高度同源的蛋白质[18]，具有草酸盐氧化酶、SOD和GLP活性，以及结构蛋白的功能。蛋白质组学研究发现，水淹胁迫的小麦根[2]及大豆下胚轴[5]细胞壁内的萌发素与GLP丰度均下降，而在缺水胁迫的玉米根细胞壁中丰度上升[1]。这表明，萌发素与GLP能通过调节细胞壁交联水平等多种途径来应对不同胁迫。

3 细胞壁修饰相关蛋白质

α-1，4-葡聚糖蛋白合成酶催化UDP-葡聚糖和蛋白質相互作用生成α-D-葡糖基化蛋白和UDP无导肽蛋白（leaderless secretory protein，LSP），大部分LSP与胁迫或病原体入侵相关[19]。蛋白质组学研究发现，水淹胁迫的小麦根细胞壁及干旱处理的玉米根细胞壁内，α-1，4-葡糖化蛋白合成酶的丰度发生变化[1-2]。这表明，α-1，4-葡糖化蛋白合成酶通过调节蛋白质与细胞壁聚糖的作用影响细胞壁疏松程度，应对水分胁迫。亚麻酶是另一种参与蛋白质加工的蛋白，可水解丝氨酸残基，且仅在细胞壁内具有活性[20]，并可参与响应机械损伤[21]。蛋白质组学研究发现，青枯病菌侵染的番茄茎细胞壁内的亚麻酶丰度上升[6]。此外，NaCl胁迫的水稻根细胞壁亚麻酶丰度下降，可能是通过减弱对细胞壁内蛋白质的水解作用，进而维持细胞壁机械厚度来应对盐胁迫[9，20]。

此外，缺水胁迫下玉米根细胞壁中亮氨酸氨基肽酶（leucine aminopeptidase，LAP）丰度上升[1]。LAP参与贮藏蛋白的水解过程进而释放氨基酸[22]。同时，蛋白质组学研究发现水淹条件下大豆下胚轴细胞壁中的茎28 kDa糖蛋白（stem 28 kDa glycoprotein）和茎31 kDa糖蛋白（stem 31 kDa glycoprotein）丰度下降[5]。这些糖蛋白参与早期细胞壁的生长过程，同时也作为催化剂或结构蛋白行使功能。此外，水淹胁迫的玉米根细胞壁中半胱氨酸蛋白酶抑制剂（cysteine proteinase inhibitor）丰度下降。半胱氨酸蛋白酶可由内质网转运至细胞壁[23]，通过水解储藏蛋白参与贮藏蛋白的动员过程[23]。半胱氨酸蛋白酶抑制剂可能通过抑制半胱氨酸蛋白酶的活性使细胞壁变得松弛，从而响应水淹胁迫。

4 细胞壁内其他代谢机制

在植物体内蔗糖可能通过质外体转运和韧皮部装载过程从叶片中转移至植物的其他组织消耗利用。蔗糖进入细胞壁后被水解为果糖和葡萄糖，这些游离的己糖需要被磷酸化，才能防止被薄壁组织或叶肉组织再吸收利用而不能装载到韧皮部中。果糖激酶（fructokinase）催化三磷酸腺苷的磷酸基团转移至果糖，形成二磷酸腺苷和1-磷酸果糖。蛋白质组学研究发现，在病原体侵染的番茄茎细胞壁中果糖激酶丰度上升[6]，这表明植物可能通过增强细胞壁内果糖的磷酸化，从而实现糖类转运来应对胁迫。

植物可以通过调节细胞壁内脂质代谢相关酶的活性来应对胁迫[1]。蛋白质组学研究发现，缺水胁迫2 d的玉米根细胞壁中脂酶（lipase）丰度变化[1]。脂酶可以水解三酰甘油生成脂肪酸和甘油。其N端具有一个典型的分泌肽信号（secretory signal peptide），因此可被分泌到细胞壁，脂酶在植物应对真菌胁迫过程中起重要作用。此外，脂氧合酶（lipoxygenases，LOX）可催化脂肪酸的氧化，生成脂肪酸过氧化物，如茉莉酸（jasmonic acid，JA）。JA及其具有挥发性的衍生物茉莉酸甲酯可以作为信号分子在防御胁迫中发挥重要作用[20]。蛋白质组学研究发现，水淹胁迫的小麦根细胞壁中LOX丰度下降[2]，表明水淹胁迫影响小麦根部的信号转导过程[1]。

蛋白质组学研究发现，苹果酸脱氢酶（malate dehydrog-enase，MDH）可调节苹果酸的合成和氧化，是苹果酸代谢机制中的一种关键酶。Sukalovic等[21]发现MDH以共价键或离子键与细胞壁结合。细胞壁MDH主要通过苹果酸—草酰乙酸的穿梭机制为细胞壁中的POD提供NADH。苹果酸—草酰乙酸的穿梭机制是通过分别定位于细胞壁与细胞膜上的MDH催化，利用苹果酸与草酰乙酸的相互转换来实现NAD+与NADH之间的转换，细胞内生成的NADH通过这一转运机制穿过细胞膜到达细胞壁，为细胞壁POD提供还原力清除H2O2。缺水处理的玉米根细胞壁中MDH与POD丰度上升，这有助于玉米应对干旱胁迫引发的氧化胁迫[1]。然而，水淹胁迫2 d的小麦根细胞壁中的MDH丰度下降，表明植物应对不同胁迫时选择性地启动基于MDH的POD途径[2]。

蛋白质组学研究发现缺水处理的玉米根细胞壁中磷酸丙糖异构酶（triose-phosphate isomerase，TPI）丰度下降，且其可能定位于细胞壁[1]。TPI催化半乳糖异构反应生成D-葡萄糖-6-磷酸，后者参与糖酵解过程。TPI含有一个半乳糖变旋酶类蛋白的功能结构域。在半乳糖转化成葡萄糖的过程中，半乳糖变旋酶催化β-D-半乳糖异构化成α-D-半乳糖[24]。α-D-半乳糖可由细胞壁向细胞内运输，在其运输过程中有效地实现了胁迫信号从细胞壁向细胞质的传递以及半乳糖向葡萄糖的转化。

5 结论

细胞壁作为植物细胞最外层的屏障，能将胁迫信号传递到细胞内，从而影响细胞内的代谢活动。蛋白质组学研究发现，在应答逆境胁迫过程中，植物细胞壁蛋白质通过调节细胞壁重塑、胁迫防御、糖与能量代谢以及其他代谢过程来维持细胞壁稳态，应对外界胁迫。在此基础上，今后需要进一步研究细胞壁蛋白质的翻译后修饰与相互作用关系，为解释植物细胞壁逆境应答机制提供更多有价值的信息。

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