分株紫萁 (Osmunda cinnamomea L.)孢子萌发蛋白质组学与磷酸化蛋白质组学研究

蕨类植物孢子萌发决定了其有性生殖的成败，也是在研究细胞光响应、细胞核迁移、细胞骨架动力学和极性生长等事件分子机制的良好模型。国际上已有孢子萌发的研究主要集中在对其生理学特征的描述，而缺乏对萌发过程分子机制的分析。本研究以药用与食用蕨类植物分株紫萁（Osmunda cinnamomea L.）为研究对象，利用细胞学、比较蛋白质组学和分子生物学方法分析其孢子萌发过程中，光响应启动萌发、细胞核迁移、细胞不对称分裂、细胞极性生长等关键事件的细胞学特征、差异表达蛋白质特征、蛋白质磷酸化状态和磷酸化位点。通过分析差异表达蛋白质与蛋白质磷酸化的变化，揭示重要蛋白质与蛋白质磷酸化的生物学功能，进而探究孢子萌发过程中关键事件的分子调控机制。同时，通过与我们此前已有研究成果比较，阐明蕨类植物孢子萌发与种子植物花粉萌发的保守与特异机制。

桂皮紫萁（Osmunda cinnamomea var. asiatica）为紫萁科、紫萁属的草本蕨类植物，是著名的山野菜且具有药用价值，也是进行孢子萌发机理研究的良好模型。我们分析了桂皮紫萁孢子萌发过程5个时期（成熟孢子、水化孢子、双细胞核孢子、萌发孢子、具原丝体细胞孢子）的细胞学特征。结果表明，成熟孢子具三裂缝，细胞核居于细胞中间；黑暗12h后孢子完成水化作用，细胞核增大偏移，有一部分细胞核已复制但未分开；光照23h孢子分裂成一大一小两个细胞的双细胞孢子，大细胞细胞核周围有大量内含一到多个淀粉粒的质体，液泡数量明显较水化孢子多；小细胞在三裂缝开口启动极性生长；光照37h为萌发孢子期，孢子壁完全裂开，小细胞伸长并萌发出假根，大细胞里的液泡体积显著变大，质体变成梭形；光照57h后，假根长度等于或者稍长于孢子直径，大细胞再次分裂，形成原丝体原始细胞。同时，我们应用蛋白质组学技术鉴定了这5个时期孢子中101种差异表达蛋白质。它们分别参与光合作用(36%)、能量代谢(6%)、代谢(20%)、胁迫与防御(6%)、蛋白质合成(4%)、蛋白质折叠与降解(16%)、膜与转运(5%)、细胞结构(2%)，以及未知功能(4%)。差异表达蛋白质被分为5个聚类类型，这5种模式类型蛋白质的表达丰度分别对应在成熟孢子、水化孢子、双细胞核孢子、萌发孢子、具原丝体细胞孢子5个时期达到最高值。在不同时期表达丰度变化的蛋白质中，参与光合作用、代谢，以及蛋白质折叠与降解的蛋白质表达丰度变化显著。同时，我们利用蛋白质组学技术分析了楔叶蕨亚门代表植物问荆(Equisetum arvense)孢子萌发的特征，鉴定了95种差异表达蛋白质。它们参与光合作用、能量代谢-呼吸作用、代谢作用、脂类代谢、氨基酸代谢、次生代谢、其他代谢、转录作用、蛋白合成折叠与转运、细胞膜及运输、信号转导、胁迫反应、细胞骨架等过程。这些结果为深入分析孢子萌发过程中细胞极性建立、不对称分裂、假根生长等关键事件的分子机制提供了蛋白质组学证据。