基于iTRAQ技术分析香大蕉膜蛋白质组与其抗寒性的关系

Banana is an important tropical crop with high value. In the banana producing area of China, chilling currents often occur during winter or early spring which have a serious impact on fruit quality and yields of bananas, especially for the common banana (Musa acuminata AAA Group).However, plantain (Musa paradisiaca L.; ABB Group),a closly related species,is obviously more cold resistant than common banana. Our preliminary results showed that some proteins related to membrane and antioxidation were involved in cold responses of plantain to chilling stress, and western blot analyses confirmed that these proteins were significantly different between banana and plantain under chilling stress. Membrane stability is one of main reasons for plant cold resistance. Membrane proteins are an important component of plant membrane system. Identification and characterization of membrane proteins of banana and plantain will help us to reveal their differences in cold resistance. In this study, we will extract membrane proteins from leaves of banana and plantain seedlings treated with chilling temperatures,analyze the proteins by using proteomic technology such as iTRAQ to identify cold-responsive proteins.Some key proteins will be further analyzed by western blotting and enzymatic activity assays. These cold-protective proteins and their genes should be very useful for banana genetic manipulation and/or cross breeding.

香蕉（Musa spp.）是一种高效益的热带作物，在我国北缘产区常受冬春寒潮的侵袭而遭受寒害，尤其以风味佳、种植面积大的香牙蕉（AAA基因型，通常简称香蕉）受害最重，但同为蕉类作物的大蕉(ABB 基因型)却具有明显的抗寒性。前期研究发现一些与膜和抗氧化有关的蛋白参与了大蕉对冷胁迫的响应，并且在抗寒大蕉和冷敏感香蕉之间存在显著差异。膜的稳定是植物抗寒的关键原因之一，膜蛋白是膜结构的重要组成部分。对膜蛋白进行定性和定量分析对揭示香蕉和大蕉的抗寒性差异有着重要意义。本研究拟对香蕉和大蕉幼苗进行冷胁迫处理，分离和提取叶片中的膜蛋白，采用最新的iTRAQ 技术，对膜蛋白进行定量蛋白质组学分析，探求两者间蛋白质组的差异与抗寒性之间的关系；对关键的候选蛋白进行western blot或酶活性测定，阐明大蕉的抗寒机理，为日后香蕉遗传改良、培育抗寒香蕉新品种奠定基础。

香蕉是一种具有高附加值的热带水果。其主栽品种巴西香蕉对冷很敏感，但是它的近亲品种大蕉更耐冷。低温是影响世界香蕉产量的关键环境胁迫之一。为了研究大蕉的耐寒分子机理，我们利用基于RNA-Seq的比较转录组学和基于iTRAQ的定量蛋白质组学去分析10℃冷处理0、3和6小时的巴西香蕉和大蕉。. 基于RNA-Seq的比较转录组学结果显示：冷处理0、3和6小时的巴西香蕉分别检测到40和238个差异表达的基因，同时，在大蕉里分别检测到10和68个差异表达的基因。GO聚类分析显示巴西香蕉和大蕉差异表达基因主要都属于转录调控和响应逆境信号转导等11个类别。利用qPCR分析了包括ICE1和MYBS3在内的12个早期冷响应基因冷处理0、3、6、24和48小时的相对表达量，证明了比较转录组学数据的可靠性，并揭示了ICE1和MYBS3等关键冷响应基因在冷处理下的不同表达机制。基于iTRAQ的定量蛋白质组学结果显示：利用生物学软件分别预测到了692和524个巴西香蕉和大蕉膜蛋白，巴西香蕉和大蕉差异表达膜蛋白涉及相似的分子功能，如水解酶活性、离子结合、杂环化合物结合、有机环状化合物结合、转移酶活性和氧化还原酶活性等，但是大蕉差异表达膜蛋白数（分别为29、27、26、26、18和15）却是巴西香蕉（分别为13、12、12、12、6和6）的两倍。分别利用qPCR和酶活性检测进一步分析了巴西蕉和大蕉水通道蛋白和过氧化物酶在冷胁迫后的变化趋势，我们得出如下结论：大蕉在基因水平上快速激活和切换ICE1和MYBS3耐冷途径，在蛋白水平上快速稳定的表达水通道蛋白MaPIP1;1、MaPIP2;4、MaPIP2;6、MaTIP1;3、MaPIP1;2，和过氧化物酶peroxidase 52、peroxidase P7，分别稳定叶片水势和减少膜脂质过氧化，同时表达一些其它的耐冷相关基因和蛋白可能是大蕉比巴西香蕉更耐冷的重要原因。. 本项目比较了冷胁迫后冷敏感巴西香蕉和耐冷大蕉的差异表达基因和差异表达膜蛋白，分别从基因表达水平和膜蛋白表达水平初步解析了巴西香蕉与大蕉耐冷性差异的分子机理，为今后开展香蕉抗寒分子育种奠定基础，具有较高的科学价值和应用前景。