3  蛋白质组学、功能基因组学与基因进化

蛋白质组学分析  北京大学朱玉贤研究组利用 2-DE、

MALDI-TOF MS 和 ESI-MS/MS 等蛋白质组学的方法研究了拟南芥中的 cp29A 和 cp29B 蛋白。cp29A 和

cp29B 是拟南芥8个叶绿体核糖核蛋白 (cpRNPs) 基因中起主导作用的2个基因(Wang et al.，2006a)。2

-DE、MALDI-TOF MS 和 nano-ESI-MS/MS 的分析发现，cp29A 蛋白可以在 N 端发生乙酰化修饰，而

cp29B 蛋白具有2种不同的修饰方式，一是在蛋白质 N 端发生5个氨基酸残基的切除，二是在蛋白质 N 端

发生乙酰化修饰。对 cp29A 和 cp29B 蛋白的不同存在形式在种子萌发后各个时期的表达量分析表明，二

者从种子萌发后0小时起表达量开始升高，到萌发后48—96小时达到稳定值。另外，虽然在暗条件下萌发

的拟南芥白化幼苗中 cp29A 和 cp29B 的表达量同光照条件下萌发时的水平相差不大，但 cp29A 和

cp29B 相应的修饰形式(N-乙酰化和 N 端5个氨基酸残基的切除)的含量远低于光照条件下萌发的拟南芥幼

苗。并且，对这些暗条件下萌发的拟南芥幼苗进行光照处理后，可导致 cp29A 和 cp29B 的修饰形式含量

上升。这说明对 cp29A 和 cp29B 蛋白的修饰受到光信号的调控，是一种翻译后调控而非转录调控。研究

表明这种对叶绿体核糖核蛋白的修饰可能导致 CP29A 和 cp29B 与 RNA 分子的结合能力降低，从而释放

更多的 RNA 分子参与翻译过程。

水稻中连接下部茎秆与穗的最上部节间形成了运输来自根系矿物质和叶片(

特别是剑叶)光合产物的重要通道。乳熟期是种子成熟的第一个时期，水稻乳熟期的最上部节间对种子品

质和产量极为重要。中国科学院植物研究所沈世华研究组利用蛋白质组学方法对水稻(籼稻)最上部节间总

的可溶性蛋白进行了分析，对在 2-D 胶分离到的762种蛋白质中的132种丰度较高的蛋白质进行了 MALDI

-TOF-MS 分析，根据蛋白质数据库的分析，确定了80个基因产物的98种蛋白质：这些蛋白质分别属于主要

与能量生成相关的11个功能组：蛋白质的大量积累与代谢、信号以及抗逆等过程有关，说明水稻最上部节

间具有较高的生理和抗逆活性(Yang et al.，2006b)。这一研究结果同时也丰富了水稻蛋白组数据库的内

容，为研究水稻的生理学研究提供了重要的依据。中国科学院北京基因组研究所刘思奇研究组比较了杂交

水稻 LYP 及其亲本 99311 和 PA64S 胚乳与幼胚的蛋白质表达谱的差异，发现杂交稻与其亲本胚乳蛋白

数目和分布模式都非常相似，但是，它们的胚蛋白质表达谱的分布模式却存在显著的差异，子代胚中的蛋

白质点或来自于父本或遗传于母本。其自身不存在新的蛋白(Xie et al.，2006)。这一研究成果为水稻杂

交品种的优势品质的预测提供了新的思路和可操作性的实验技术。

Lee 等(2006)利用蛋白质组学方法分析了 Prunus campanulata 种子休眠

的蛋白质基础，通过比较休眠与休眠解除后种子的蛋白质表达谱的变化，发现了一些可能参与种子休眠调

节的蛋白质。Wu 等(2006)利用竹子幼茎的水溶性蛋白质制备了单克隆抗体库，获得了192种单克隆抗体，

并利用免疫印渍验证了这些抗体的有效性，为研究蛋白质的互作关系提供了新的材料。

木材的形成是一个复杂的、包含许多生物学反应的过程。为阐述木材形成

的关键发育阶段，中国林业科学院林业研究所卢孟柱研究组利用毛白杨剥皮再生系统模拟形成层细胞的形

成和分化，研究在形成层细胞形成和分化的不同时期的差异表达蛋白质(Du et al.，2006)。他们通讨形

态学观察，证明在毛白杨剥皮后的几周内有新的形成层和木质部细胞的再生：利用蛋白质组学技术研究不

同再生阶段蛋白质表达的变化，通过肽质量指纹鉴定共获得244种差异表达蛋白质，对其中199种进行功能

分类的结果表明，调控细胞周期、细胞分化的基因主要在形成层形成过程中表达；参与调控细胞次生壁形

成的基因主要在木质部发育阶段表达。他们的研究结果表明，基因表达类型的变化与次生维管系统再生发

生的时间和部位相对应。这一研究结果，不仅有助于揭示木材形成的分子机制，而且也为进一步通过基因

工程手段提高木材质量奠定基础。

紫杉醇(taxol)在癌症的治疗方面有重要的应用。传统上主要通过从紫杉中

提取这种植物次生代谢产物。为了保护生态环境及珍稀植物，人们一直试图利用细胞培养的方法获得紫杉

醇。但是培养细胞中紫杉醇含量很低，难以形成有经济价值的生产体系。因此对培养条件下紫杉醇生物合

成的基础性研究显得尤为重要。天津大学化工学院元英进研究组通过蛋白组学的分析方法，比较了悬浮培

养和固着培养紫杉(Taxus cuspidata)细胞的蛋白组，结果发现：两种培养方式下细胞蛋白组存在一些丰

度差异显著的蛋白质，其中6种蛋白质与碳水化合物、氮以及硫代谢的调控相关；与悬浮培养方式相比，

固着培养方式下中间层细胞和中部细胞的紫杉醇产量增加；这种紫杉醇产量的增加与细胞的分裂指数呈负

相关，细胞分裂指数较高的培养细胞中紫杉醇产量较低，细胞分裂指数较低的培养细胞中紫杉醇产量则较

高；固着培养细胞中丰度差异显著的蛋白质S-腺苷甲硫氨酸合成酶(S-adenosylmethionine synthetase)

的丰度与细胞分裂活性呈正相关。他们的研究结果为改进紫杉细胞的培养条件，获得有经济价值的紫杉醇

生产体系提供了重要的理论依据(Cheng and Yuan，2006)。

基因组与基因进化  Wang等(2006c)将水稻所有全长

cDNA 序列，经过去冗余、剔除可能非编码蛋白质的基因(开放读码框＜100个氨基酸)，并过滤掉可能是转

座子的序列，得到13089个较可信的编码蛋白质的基因，并利用这些序列在水稻(ssp.indica)全基

因组中进行比对，最终得到898个可能由反转录转座机制(retroposition)形成的新基因。这些基因中的大

部分在进化中受到负选择作用，因而可能是具有功能的反转座基因(retrogene)。在这898个基因中，42％

的序列在进化的过程中“招募”了其它序列，从而形成具有新功能的嵌合基因(chimeric gene)。这些嵌

合基因有的还相当“年轻”，暗示着通过反转录转座机制形成新基因可能是一个持续进行的过程，并且其

发生速率要比在灵长类动物中的速率大得多。长期以来，人们认为在植物中很少通过反转录转座机制形成

新基因。2005年 Plant Physiology 上发表的一篇文章，也报道了在拟南芥中仅找到69个可能通过反转录

转座机制形成的新基因，并且其中大于1/3的基因被认为是假基因，而剩下的那些基因具有未知的功能(种

康等，2006)。中国科学院王文、王俊等人与芝加哥大学龙漫远等人合作的研究通过在水稻的全基因组中

搜索反转座基因，并利用 RT-PCR 实验对其进行验证，反驳了这种观点，并且认为通过反转录转座形成新

基因是水稻等禾本科植物中非常普遍的机制。

Tian 等(2006)比较了籼稻 93-11 和梗稻来源的 PA64S 线粒体基因组序列

，通过比较多态性位点序列在这2个线粒体基因组的多态性，认为籼梗稻线粒体基因组的分化发生在

45000-250000 年之前。Sun 等(2006)分析了水稻枯萎病抗性相关的受体激酶抗性基因家族成员的进化，

结果显示在选择压力下点突变是该基因家族成员分化的主要进化动力。水稻基因组的完成使我们能够在基

因组水平上比较单子叶和双子叶植物在基因数量和调控因子的构成、进化和功能。张大兵研究组比较了水

稻中 basic/helix-loop-helix(bHLH) 转录因子家族。水稻基因组中有167个 bHLH 基因，通过分析其家

系、DNA 结合域、内含子/外显子结构特征等，表明基因和基因组水平的复制是该家族扩增的主要原因之

一(Li et al.，2006b)。部分 bHLH 基因在其表达的时空上具有相似性，说明它们在功能上的保守性。这

些分析为进一步研究 bHLH 转录因子提供了方便。

全长 cDNA 对于基因组注释和基因的功能分析是十分重要的，但是目前已

知的玉米全长 cDNA 的数量十分有限。中国农业科学院作物科学研究所王国英研究细通过改进的 CAP

trapper 方法，构建了玉米苗在渗透逆境条件下富含全长 cDNA 的文库。他们从中得到 1728 (83.4％)个

新的基因全长 cDNA 序列(Jia et al.，2006)。用 cDNA 微列阵芯片对这2073个玉米全长 cDNA 的表达进

行分析的结果表明：79个基因被逆境处理上调，而329个基因被下调；在上调的79个基因中，30个基因在

启动子中含有 ABRE,DRE,MYB,MYC 等核心序列或者含有其他对非生物逆境反应的顺式作用元件。这些研究

结果说明这些顺式作用元件以及它们相应的转录因子参与了植物对渗透胁迫的反应。此外，分析结果还表

明乙烯信号途径可能也参与了玉米对干旱的反应。这一研究结果对玉米基因组分析以及基因功能分析都具

有重要的意义，同时也为植物对干旱逆境的研究提供了重要的信息。

4  光合作用与碳循环

光系统Ⅱ (PSⅡ)是叶绿体类囊体膜中的一个色素蛋白复合体，在光合作用

光反应过程中起重要作用。为了阐明 PSⅡ 的组装过程，中国科学院植物研究所张立新研究组对 PSⅡ 低

含量的拟南芥突变体(lpa1)进行了研究。结果表明，体外蛋白质标记实验显示 lpa1 突变体中的 D1 和

D2 合成受到抑制，但是其它质体编码蛋白质的合成速率与野生型的相似(Peng et al.，2006)。另外，

lpa1 突变体中 PSⅡ 核心蛋白 CP47、CP43、D1 和 D2 更新率比野生型的高。lpa1 突变体中新合成的

PSⅡ 蛋白质可以装配成有功能的蛋白复合体，但组装效率较低。LPA1 基因编码一个含有2个

tetratricopeptide repeat domains 的叶绿体蛋白，是一种膜内在蛋白，但不属于 PSⅡ。酵母双杂交实

验表明，LPA1 与 D1 相互作用。因此。LPA1 可能是通过 D1 作用于 PSⅡ 组装的膜内在伴侣蛋白。

在高等植物中，光合作用的循环电子传递途径受到 NAD(P)H 脱氧酶(NDH)

复合体的调节。米华玲研究组与国外研究者合作，以烟草 ndhC-ndhK-ndhJ (ΔDndhCKJ) 缺失突变体为材

料，研究了热胁迫(42℃)和冷胁迫(4℃)条件下，依赖 NDH 的途径中活性氧的积累、光合电子传递活性、

CO₂ 同化以及磷酸化等的变化(Wang et al.，2006b)。结果表明，在热胁迫下，当卡尔文循

环受阻时，NDH 介导的 PSⅠ-循环电子传递在光合机构的优化过程中发挥重要作用。该作用的实现是通过

叶绿体呼吸，为 CO₂ 同化的调节提供额外的 ΔpH 和 ATP，平衡电子传递物质的氧化还原水

平，从而减少了 ROS 的产生。

大部分叶绿体蛋白质由细胞核基因编码，他们在细胞质中合成后再转入到

叶绿体中执行功能。这些胞质前体蛋白质在叶绿体外被膜和内被膜上的一些运输蛋白复合体的帮助下，被

运输到叶绿体中。位于叶绿体外膜的运输蛋白复合体叫做 Toc 蛋白，位于内被膜的被称为 Tic 蛋白。邓

伊珊等(Teng et al.，2006) 利用标记基因 (marker gene) 的方法，筛选到了蛋白质输入叶绿体机制缺

失的拟南芥突变体 cia5 (chloroplast import apparatus 5)。研究结果表明，CIA5 是一个位于叶绿体

内被膜中的内在膜蛋白，它的分子量为 21 kDa，并有4个预测的跨膜区。cia5 突变株白化，并积累未加

工蛋白。在 cia5 中，蛋白质可以结合在叶绿体的表面，但是不能被运输到叶绿体中。进一步研究表明，

CIA5 和拟南芥中的 At Tic20 蛋白在叶绿体生物合成中具有相似的功能。他们将 CIA5 重新命名为

Arabidopsis Tic21 (At Tic21)，并认为它不但与叶绿体内被膜蛋白质传导通道功能有关，还可能在叶片

的后期发育中扮演更重要的角色。

海洋中的浮游植物除了利用 CO₂，还可利用

HCO₃^- 进行光合作用。但吸收 HCO₃^- 的机制还不清楚

。通过测定 pH 值变化、比较光合速率与重碳酸根(HCO₃^-)向理论

CO₂ 的转化率等方法，研究海硅藻属的三角褐指藻 (Phaeodactylum tricornutum) 对无机碳

的光合利用。发现只有在较高的碱性条件下才可诱导产生 K⁺ 依赖的

HCO₃^- 转运。K⁺ 参与海藻对 HCO₃^- 的吸

收为 HCO₃^- 吸收机制的深入研究奠定了基础(Chen et al.，2006d)。

磷脂酰甘油(PG)是构成光合膜脂的重要甘油脂，在光合膜的结构和功能中

起重要的作用。PG生物合成最后一步是磷脂酰甘油磷酸(PGP)的脱磷酸反应，反应过程由 PGP 磷酸酶催化

。但是，编码 PGP 磷酸酶的基因一直没有从高等植物或蓝细菌中克隆得到。中国科学院植物研究所匡廷

云研究组从 Cyanobacterium Anabaena sp.PCC7120 筛选到了一个 alrl715 基因遭受破坏的突变体，其

PG 含量降低了30％。伴随着 PG 含量的降低，突变体光合自养生长受到限制，细胞中的叶绿素含量降低

。突变体单细胞的净光合活性和光合系统Ⅱ(PSⅡ)活性均降低(Wu et al.，2006a)。同时，PSⅡ 的光化

学效率降低，传向 PSⅡ 的激发能减少。这些结果表明，从 Anabaena sp.PCC7120 克隆得到的基因

alrl715 是一个与 PG 生物合成有关的基因。

(未完待续)

    注：

    （1）文章来源：植物学通报，2007年 第24卷 第3期；

    （2）作者单位：中国科学院植物研究所 等。