摘要：水稻（Oryza sativa L.）是世界上最重要的粮食作物，是人类获得植物蛋白质的主要来源之一。近年来，水稻蛋白质组学发展异常迅速，取得了非常显著的成绩。综述了国内外学者对水稻组织器官蛋白质组、亚细胞水平蛋白质组、逆境胁迫下的蛋白质组、激素诱导下的蛋白质组以及水稻突变体蛋白质组的最新研究进展。
关键词：水稻（Oryza sativa L.）；蛋白质组；双向电泳；质谱
中图分类号：S511；Q71 文献标识码： A 文章编号：0439-8114（2013）10-2233-05
水稻是世界上最重要的粮食作物之一，为全世界超过2/3的人口提供主食[1]。水稻的基因组较小，由430M个碱基组成，重复序列少，易于遗传操作且与其他禾谷类作物存在共线性，目前已成为单子叶植物分子生物学研究领域的模式生物[2]。2002年水稻栽培品种籼稻和粳稻基因组框架图绘制完成，2005年8月，国际水稻基因组测序计划（IRGSP）已经构建了水稻基因组的框架图，完成了水稻基因组95%高通量序列的测序工作[3，4]。
随着基因组研究的进一步深入，人们认识到单纯进行基因组研究已不能完全解释生命现象的本质问题[5]。水稻从基因组时代步入后基因组时代，注重于功能的研究[6]。传统的基因组功能研究方法主要有基因表达系统分析、微阵列法、基因芯片等，但这些方法都局限于研究mRNA在组织细胞中的丰度变化。事实上mRNA受转录调控的局限，并不能完整描绘蛋白水平上的变化[7]。而蛋白质组是动态的，能通过分离、鉴定和分析细胞、组织或生物体复杂的蛋白混合物来研究目的基因在不同时间是否表达、表达量有无变化、蛋白质不同修饰及亚细胞分布等[8]。因此蛋白质组学研究对后基因组的发展是不可或缺的。
双向电泳和质谱技术是蛋白质组的核心研究工具[9]。通过双向电泳获得蛋白质组表达谱或差异蛋白，再通过质谱技术对感兴趣的蛋白点进行鉴定。通过分析各种蛋白质的结构和功能可以直接研究细胞、组织或生物体在不同生理过程或逆境条件下的变化机制。目前，水稻蛋白质组学主要集中在对水稻各个组织器官及亚细胞水平基本表达模式的研究，同时水稻环境胁迫应答过程的比较蛋白质组学和水稻突变体、激素诱导的蛋白质组学研究也正在进行并逐步深入。
1 蛋白质组学在水稻研究中的应用
1.1 水稻组织器官的蛋白质组
水稻蛋白质组早期的研究主要集中在对各个器官组织进行蛋白质表达谱的研究，以构建水稻蛋白质数据库，确定一些基因在水稻不同发育阶段和不同组织器官表达的特异性。近年来，随着水稻全基因组测序工作的完成，运用蛋白质组学方法可以更加快速、全面地研究水稻的生长发育过程及其调控。
Tsugita等[10]对水稻9种组织和1个器官的蛋白质进行了双向电泳分离，并对分离后的蛋白点根据其等电点、分子量和N端测序作了定性。Woo等[11]对水稻胚乳蛋白质组进行了分析，共获得700个蛋白点，并对其中的100个蛋白进行测序，确定了31个蛋白的N端序列，其余69个蛋白的序列不能确定，推测可能是由这些蛋白的N端封闭造成的。
Kerim等[12]利用蛋白质组的方法研究水稻花粉在发育过程中蛋白质合成的变化。该研究构建了6个不连续的孢子发育阶段的蛋白质表达谱，共获得2 500个蛋白点。比对后发现超过155个蛋白点有2倍以上的丰度变化，155个蛋白点质谱鉴定结果表明，除10个没有获得质谱数据蛋白点外，鉴定的蛋白中有将近一半的蛋白在花粉发育的早期阶段均不表达。
Islam等[13]研究了水稻成熟叶片的蛋白质组，该研究以水稻2月龄叶片和5月龄叶片作为试验材料，比较了水稻叶片蛋白质组在这2个时期的变化。经比对发现仅有5个差异表达的蛋白，同源性搜索鉴定它们为核酮糖二磷酸羧化酶长链前体、光合体系Ⅱ放氧复合体蛋白前体、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、核酮糖二磷酸羧化酶大亚基前体和假定蛋白。
在水稻乳熟期，上位节间对种子质量和产量起着至关重要的作用，Yang等[14]运用蛋白质组的方法分析了水稻乳熟期上位节间的所有可溶性蛋白。通过双向电泳共检测到762个蛋白点，对其中的132个高丰度蛋白点进行质谱鉴定，鉴定出98个蛋白点，对应80个基因的表达产物。这些蛋白属于11个功能类别，与能量相关蛋白排在首位，其他蛋白大部分与代谢、信号转导和抗逆性有关，表明水稻上位节间具有很高的生理活性和抗逆性。Yang等[15]比较了水稻萌发种子和干种子的蛋白质组差异，共发现148个差异表达的蛋白点，其中63个蛋白下调表达，69个蛋白上调表达。下调蛋白主要是贮藏蛋白、与种子成熟相关蛋白及与干燥作用相关蛋白。贮藏蛋白的降解主要发生在萌发阶段Ⅱ的后期（吸涨48 h），与种子成熟和干燥相关蛋白的降解主要发生在萌发阶段Ⅱ的早期（吸涨24 h）。除了α-淀粉酶以外，上调蛋白主要涉及糖酵解途径，例如UDP-葡萄糖脱氢酶、果糖激酶、葡萄糖磷酸变位酶和丙酮酸盐脱羧酶。通过该试验结果可以推测水稻种子萌发过程中可能的生理生化过程。
Shao等[16]选择水稻幼苗2～5叶期4个时期的叶片作为试验材料来研究叶片蛋白质组在幼苗阶段的变化。通过2-DE分离和Imagemaster 2D Elite 5.0软件分析，共检测到41个差异表达蛋白，17个是在3叶期后新出现的蛋白，其中9个蛋白点只出现在3叶期。在41个差异表达蛋白中，有13个蛋白点的表达量呈现先增后减的趋势，直至最后消失。另外的11个蛋白点中，有3个蛋白点表达量下降，6个蛋白点表达量增加，还有2个蛋白点的表达量在2叶期后呈不规则变化。随后，作者对这41个蛋白点进行了质谱鉴定，共鉴定出15个蛋白点，归为4类：涉及光合作用的蛋白、防御相关蛋白、代谢相关蛋白和氨基酸合成代谢蛋白。该研究发现，叶片蛋白上调的关键时期是3叶期，水稻植株可能从这一时期开始由异养阶段转为自养阶段，开始进行光合作用。