活性氧介导的蛋白氧化修饰在盐芥适应盐逆境中的功能解析

In plants, many biotic and abiotic stresses trigger the excessive accumulation of reactive oxygen species (ROS), eventually resulting in oxidative stress. Plants have evolved sophisticated strategies to regulate cellular redox homeostasis and to utilize ROS as signals for mediating physiological and metabolic pathways. ROS-mediated oxidative modification of redox-sensitive proteins is one of the mechanisms that modulate the plant’s response to oxidative stress. NaCl treatment triggers rapid production of ROS in Arabidopsis, whereas it only causes a slight increase in Thellungiella salsuginea. It was proposed that efficient ROS-scavenging/control mechanisms and ROS-mediated redox regulation play an important role in T. salsuginea adapted to salt stress mechanisms. The genetic model plant Arabidopsis and its close relative halophyte T. salsuginea for studying plant adaptation to high salinity were used in this project. Here, a recently developed high-throughput quantitative proteomic approach termed cysTRAQ was applied for identifying proteins whose thiols undergo reversible oxidative modifications in plant subjected to salt stress (NaCl treatment) and oxidative stress (methyl viologen treatment). We focus on the redox-sensitive proteins and investigate their functions in cell signal transduction. Identification of salt tolerance-related redox-sensitive proteins in T. salsuginea, will reveal the role of redox regulation in salt stress adaptation. We focus on the role of redox regulation in salt stress adaptation of T. salsuginea at post-transcriptional levels that offer new detailed information and clues underlying the complex physiological and ecological mechanism of salt tolerance in plant.

环境胁迫会导致植物体内积累过量的活性氧，植物则通过调节细胞氧化还原平衡、利用活性氧信号调节生理代谢途径来维持正常生长。活性氧介导的氧化修饰氧化还原敏感蛋白就是植物应对氧化胁迫的重要策略之一。盐芥在盐胁迫下的活性氧积累量远少于不耐盐的拟南芥，我们推测高效的活性氧清除与调节机制及活性氧诱发的氧化还原调控在盐芥耐盐机制中应该具有特殊意义和重要作用。本项目以亲缘关系相近的盐芥（耐盐模式植物）和拟南芥（不耐盐的模式植物）作为研究对象，利用新近发展的cysTRAQ氧化还原蛋白质组学技术比较二者在盐胁迫（NaCl处理）和氧化胁迫（甲基紫精处理）下的氧化修饰蛋白质组，关注氧化还原敏感蛋白在细胞信号转导途径中的调控作用，挖掘盐芥特有的与盐胁迫直接相关的氧化还原调控蛋白，以明确氧化还原调控在盐芥适应盐逆境过程中的作用。重视从转录后调控水平探讨盐芥耐盐机制，将为阐明植物耐盐生理生态学机制提供更多的证据与线索。

盐芥（Thellungiella salsuginea）和拟南芥亲缘关系十分接近，具有极强耐盐、耐旱和耐低温等特点，是研究植物抗逆机制的理想材料。本项目以盐芥（耐盐模式植物）和拟南芥（不耐盐的模式植物）作为研究对象，分析了植物响应盐胁迫过程中活性氧产生与清除的相关生理指标，根据生理学实验结果确定了氧化还原蛋白质组样品的处理条件，运用质谱定量的氧化还原蛋白质组技术完成了盐芥和拟南芥中响应盐逆境氧化还原敏感蛋白质的鉴定。生理分析和基因表达检测显示，盐芥在300 mM NaCl处理下活性氧代谢较为活跃且保持较高活性的抗氧化能力，更高盐浓度则导致活性氧过量积累且对盐芥造成氧化损伤，而拟南芥应对盐胁迫时活性氧显著增加，150 mM NaCl处理下维持了较高活性的抗氧化能力。分别提取盐芥和拟南芥盐胁迫样品的总蛋白，进行了氧化还原蛋白质组分析，在盐芥和拟南芥中共鉴定到107和98个差异修饰蛋白质，对差异修饰蛋白质进行了亚细胞定位预测和功能富集，表明叶绿体和细胞质内蛋白氧化还原状态的改变对于植物应对盐胁迫有着重要意义，而且参与光合作用、复制与转录、胁迫与防御、膜与运输、碳水化合物与能量代谢及ROS平衡等生物学通路的氧化还原敏感型蛋白质比例较高。我们初步筛选了盐芥与非生物胁迫密切相关且上调表达的氧化修饰蛋白，即热休克蛋白（EUTSA_v10003676m）、伴侣蛋白（EUTSA_v10000164m）、谷胱甘肽过氧化物酶（EUTSA_v10017319m）、超氧化物歧化酶（EUTSA_v10008927m）进行功能验证，对氧化还原蛋白质组学数据的挖掘还在进一步深入。本项目研究结果为进一步研究氧化修饰对植物耐盐性的调控机制提供了重要的研究基础。