郭美丽，林 强，李 钢

(烟台职业学院食品与生化工程系，山东烟台264670)

植物应答核辐射胁迫的分子机制*

郭美丽，林 强，李 钢

(烟台职业学院食品与生化工程系，山东烟台264670)

近30年来发生的两次核电站泄漏事故(1986年切尔诺贝利核电站和2011福岛核电站)污染了农业用地、危害了生态环境，然而当地植物能够逐渐适应辐射胁迫而存活。本文从基因和蛋白水平上综述了揭示植物耐受适应核辐射的分子机理，以期为核辐射地区的生态重建和农业复耕提供理论基础。，提升中小工业企业的创新能力，促使其多元化发展，为社会经济发展提供新的活力，对中小工业企业自身竞争力提升提供重要的制度保障，促使其步入一个新的成长期。

植物;核辐射;基因组学;蛋白质组学

植物是人类赖以生存的氧气和食物的重要来源，是维持地球生态系统的核心基础。然而植物在生长、发育过程中必可避免受到辐射胁迫。这些辐射既来源于宇宙射线也来源于人类生产活动。1986年4月26日切尔诺贝利核电站和2011年3月12日福岛核电站两次严重的核泄漏产生氚，氮－16，碘－131和铯－137等大量放射性物质，严重的污染了全球农田和海域。尽管如此，2005年联合国评估切尔诺贝利核辐射地区动植物群正在恢复，2008年Boubriak等报道切尔诺贝利核污染区植物以疣皮桦和月见草为例已经逐渐适应辐射胁迫［1］。本综述以蛋白质组学技术揭示植物耐受核辐射的分子机理，为全面阐述植物耐受辐射机制奠定基础。

电离辐射损伤主要分为急性损伤、慢性损伤和远期效应型三种，其中上述两个核事故属于急性损伤。电离辐射对于植物影响研究已经超过80年，目前研究主要关注两个方面:一是电离辐射对于植物本身影响，例如辐射对不同种植物间影响、辐射对植物育种影响、辐射对植物发育阶段影响、辐射对植物器官形态影响以及辐射对植物基因组的影响;二是电离辐射辐射参数对植物影响，例如:不同射线(x射线或者γ射线)对植物影响、辐射剂量对植物影响以及辐射时间对植物的影响。此外，在植物育种过程中辐照诱变被广泛用于鉴定和分离目标性状相关基因。根据离子单位路径和能量转移量将电离辐射分为两种一种是低能线性能量移辐射包括γ辐射和高能线性能量移辐射［2］。γ射线辐照诱变被广泛应用于植物研究，其倾向于大片段的基因组删除和呈剂量依赖型的线性表型关系。通常辐射影响植物的生长和发育，低剂量促进植物生长，高剂量损害植物生长。在植物诱变育种过程中，电离辐射导致DNA断裂的染色体重排，同时也揭示对基因开放阅读框的损伤程度依赖于该基因的碱基组成和其在染色体中的定位［3］。

模式植物拟南芥是良好的研究材料。因为拟南芥作为研究材料比动物更具优势，主要体现在1.随着大规模测序技术的提高，其全基因组已经完成;2.生长周期短;3.子代数量多;4.不存在伦理问题;5.其基因组编码人类同源蛋白;6.其基因修复方式类似哺乳动物，能为动物研究提供线索。辐射能够严重损伤DNA造成DNA断裂和可遗传染色体畸变，Zaka等研究发现豌豆经过短期的γ射线造成基因组的不稳定，随着辐射剂量的增加造成减数分裂异常最终造成雄性不育;过氧化脂类造成损伤，Vanhoudt等对拟南芥幼苗进行铀和γ射线双重胁迫，结果显示虽然南芥幼苗根部中铀的浓度降低，但是根部长势良好而叶片中的脂质过氧化现象明显;损伤亚细胞器(叶绿体、线粒体和内质网)，Wi等［4］报道叶绿体相对于其他细胞器对γ射线辐射更加敏感，类囊体肿胀严重，此外线粒体和内质网形态上也发生扭曲和膨胀;损伤光合色素，Kim等［5］研究发现红辣椒在γ射线辐射下其叶绿素不敏感，而其类胡萝卜素则随辐射而发生含量变化，同时研究指出类胡萝卜素是一种既对辐射敏感又能快速恢复的光合色素，严重影响植物的生长、发育以及繁育。因此植物应对辐射策略包括产生抗氧化物例如花青素和维生素C，同时相关抗氧化酶活性相应提高例如:过氧化物酶、抗坏血酸过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶。上述系列损伤根本原因是电离辐射能够对水辐射分解，产生羟基自由基造成氧化应激触发多种抗氧化酶和物质的产生，而羟自由基以直接方式和辐射本身以间接方式造成DNA双链断裂，在DNA修复过程中同源重组或非同源重组过程中非常容易造成修复错误，例如微核的产生，最终造成植物凋亡或者产生可遗传的突变;产生的ROS已被证实可以造成拟南芥形态学上改变包括新的根毛状体和根冠的形成或者根茎室的膨胀。

辐射对植物的影响是多方面的，而植物响应辐射胁迫涉及多种复杂因素，为了全面的了解植物应答辐射机制，基因组、转录组和蛋白质组学技术已被采用目的在于从分子水平解释应答机理。

1.基因水平辐照响应机制分析

转录组分析显示拟南芥在急性辐射胁迫下响应方式类似于应对重金属等非生物胁迫，而慢性辐射则没有类似发现。拟南芥在γ射线辐射下33种ROS清除基因和42种信号转导基因表达发生了改变，其中包括过氧化物酶3、铁蛋白1、蓝铜结合蛋白、交替氧化酶、磷脂酶、锌指蛋白和钙结合蛋白等相应基因。Kuchma等［6］利用扩增片段长度多态和微卫星标志物方法研究切尔诺贝利禁区的松树基因突变率，结果显示器全基因组范围发生了显著地DNA的损伤。Vornam等［7］对切尔诺贝利核辐射禁区的松树过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶基因多态性进行研究，结果显示上述两种抗氧化酶基因均产生高度核苷酸多态现象。Kovalchuk等［8］对切尔诺贝利地区赤松基因组进行研究，结果发现赤松基因组DNA发生明显的超甲基化，作者认为基因组超甲基化修饰可能是其适应了核辐射地区的生存环境的分子机制，显然基因组的超甲基化和辐射敏感性之间存在一定关联。Kovalchuk等［9］对生活在切尔诺贝利地区的小麦其6个微卫星位点发生缺失或插入的胚系突变，其突变模式极端复杂，验证了在切尔诺贝利核辐射区小麦繁殖后代中发现DNA重复和微卫星序列缺失涉及13个单拷贝的单态位点。Kovalchuk等［10］研究称切尔诺贝利电站附近核辐射地区的拟南芥已对高浓度诱变剂和甲基甲烷磺酸产生抗性，可能辐射适应性的增加和诱变剂抗体的增加两者间存在一定关联。Kim等［11］通过转录组学技术研究拟南芥繁育期莲座叶对离子辐射的响应。拟南芥播种后33天，200Gy剂量γ射线照射拟南芥1到13天不等。基因组显著差异表达出现在照射第9天。共鉴定到2165个上调表达基因和1735个下调表达基因。功能分析显示防御和胁迫响应类基因表达上调，而生长发育类基因表达下调。该研究进一步通过实时定量PCR验证了抗氧化、光合作用和叶绿素合成相关基因在拟南芥繁育期表达量。Rakwal等［12］通过基因芯片技术研究碳离子束对于水稻生理和生长发育的影响。在270Gy剂量照射下353个基因表达上调而87个基因表达下调。功能分类显示这些差异表达基因多与信号加工处理，细胞加工和代谢相关并通过实时定量PCR对上述结果进行了验证。Kim等［13］整合了转录组学数据系统揭示了电离辐射响应的蛋白质。该研究发现电离辐射初期大量转录组基因表达水平发生改变，但是随着电离辐射去除后回复时间的延长，只有少量基因表达水平依然呈显著差异状态，而大部分先前差异基因表达水平已经回复原本状态。最终该研究认为4个基因属于电离辐射响应可信可重复验证的标志物。Ghoshal等［14］通过蛋白质组学和基因组学联用技术揭示由于电离辐射或金属铬诱发氧化应激最终造成金属硫蛋白基因表达的分子机制。该研究结果显示金属硫蛋白基因在重金属抗性和平衡胁迫应激过程中发挥重要作用。

2.蛋白水平辐照响应机制分析

为了丰富基因组学研究结果，蛋白质组学被用于植物适应辐照生理机制的研究。Gicquel等［15］基于蛋白质组学技术分析拟南芥根和莲座叶在亚致死剂量辐射下蛋白质表达量变化。通过二维电泳进行不同辐照剂量0，10和40Gy在不同辐照时间2，24和72小时下的蛋白动态变化趋势。电泳谱图显示总共有172个蛋白质点其中包括145个叶片蛋白点和27个根部蛋白点差异显著，经基质辅助激光解析电离飞行时间串联质谱鉴定到144种蛋白质其中包括118种叶片蛋白质和26种根部蛋白质。在高剂量辐照下的蛋白质差异水平显著高于低剂量照射。该研究工作证实了拟南芥蛋白差异表达依赖于辐照剂量和辐照时间双重因素。Danchenko等［16］通过高通量的蛋白质组学方法揭示切尔诺贝利核污染地区的成熟大豆种子适应辐照胁迫的分子机制。该研究通过二维电泳和质谱联用的蛋白质组学技术比较核污染区和非核污染区大豆成熟种子蛋白组成差异。结果显示64个蛋白质点具有显著性差异。质谱分析表明差异表达的蛋白涉及六种功能分类。第一大类与蛋白转运和贮藏有关，第二大类与疾病和防御相关。该研究提出种子增加的重金属胁迫抗性，防止辐射损伤，并动员种子贮藏蛋白均参与植物对切尔诺贝利放射性地区的适应机制。Klubicová等［17］通过二维电泳和生物质谱联用技术分析比较切尔诺贝利核辐射区域亚麻种子和非辐射区亚麻种子之间的蛋白表达差异。研究发现该植物的生长并未受到核辐射的影响该大幅度的改变蛋白质的表达。双向电泳中显色的720个蛋白质点中只有少于5%的蛋白点表达量有差异。通过质谱鉴定到28种蛋白质。该研究结果显示切尔诺贝利核污染区的植物很能已经适应了当地的辐射胁迫，对于植物本身很能恢复到原有状态。Klubicová等［18］通过蛋白质组学技术进一步长期监测切尔诺贝利核污染区亚麻种子的蛋白质组成。目的在于评估现在切尔诺贝利地区是否适合进行农业复耕。该研究定量了318个蛋白质点。除了鉴定到与种子储存相关蛋白以外，还鉴定到与主要代谢相关的82个蛋白质。此外还深入研究了切尔诺贝利地区不同发育阶段的亚麻种子的差异蛋白质组学。研究发现379个蛋白点在双向电泳谱图中显色。102种蛋白质得到了鉴定，这些蛋白质功能分类显示属于11个大类。其中糖代谢酶类蛋白随着种子发育表达量逐渐降低。2012年Klubicová等［19］发表了后续系列报道:研究发现在切尔诺贝利辐射地区生长和繁育大豆种子的蛋白质组学研究结果揭示其适应环境的机制。结果显示可育种子的植物油和b－伴大豆球蛋白含量明显减低。大豆种子在开花后的第4，5，6周收获。比较切尔诺贝利辐射区和非辐射区的成熟大豆种子的差异蛋白质组学，211种蛋白质被定量。结果支持了先前研究发现，即大豆种子改变了蛋白表达水平以适应重金属胁迫同时增加了对种子贮存蛋白的动员。该研究结果也表明这些变化涉及细胞质和质体碳代谢的调整，其增加了三羧酸循环水平同时降低了脂肪酸生物合成过程中丙二酰酰基转运蛋白表达量。为了提供有价值的信息揭示植物种子是如何永久性适应离子辐射地区的生存环境，Klubicová等［20］建立了切尔诺贝利种子蛋白质组数据库(http://www.chernobylproteomics.sav.sk)，该数据库包含了几百种该地区植物种子蛋白质数据。

3.结语

植物响应辐射胁迫以及对辐射胁迫的适应是多层次多机制，本综述从基因组和蛋白质组两个方面阐述植物应答辐射胁迫的分子机理，以其为切尔诺贝利核污染区和福岛核污染区的灾后生态重建和农业复耕提供理论基础。尽管2005年联合国对切尔诺贝利地区现状作出了初步的评估，认为该区域正在逐步恢复。但是笔者认为核污染的半衰期较长，仅靠几十年的观察难以得到全面的结论，因此对于核辐射污染区的监测应该是长期长效，不仅为人类生产活动警钟长鸣，而且最终为推动人与自然和谐发展发挥应有的作用。

［1］Boubriak I I，Grodzinsky D M，Polischuk V P，et al.Adaptation and impairment of DNA repair function in pollen of Betula verrucosa and seeds of Oenothera biennis from differently radionuclide－contaminated sites of Chernobyl［J］.Annals of Botany，2008，101:267-276.

［2］Naito K，Kusaba M，Shikazono N，et al.Transmissible and Nontransmissible Mutations Induced by Irradiating Arabidopsis thaliana Pollen Withγ－Rays and Carbon Ions［J］.Genetics，2005，169(2):881-889.

［3］Lim S，Yoon H，Ryu S，et al.A comparative evaluation of radiation－induced DNA damage using real－time PCR: influence of base composition［J］.Radiation Research，2006，165(4):430－437.

［4］Wi SG，Chung B Y，Kim JS，et al.Effects of gamma irradiation onmorphological changes and biological responses in plants［J］.Micron，2007，38:553-564.

［5］Kim JH，Chung B Y，Kim JS，etal.Effectsof in planta gamma－irradiation on growth，photosynthesis，and antioxidative capacity of red pepper(Capsicum annuum L.)plants［J］.Journal of Plant Biology，2005，48:47-56.

［6］Kuchma O，Vornam B，Finkeldey R.Mutation rates in Scots pine(Pinus sylvestris L.)from the Chernobyl exclusion zone evaluated with amplified fragment－length polymorphisms(AFLPs)and microsatellite markers［J］.Mutation Research，2011，725:29-35.

［7］Vornam B，Arkhipov A，Finkeldey R.Nucleotide diversity and gene expression of Catalase and Glutathione peroxidase in irradiated Scots pine(Pinus sylvestris L.)from the Chernobyl exclusion zone［J］.Journal of Environmental Radioactivity，2012，106:20-26.

［8］Kovalchuk O，Burke P，Arkhipov A，etal.Genome hypermethylation in Pinus silvestris of Chernobyl-amechanism for radiation adaptation［J］?Mutation Research，2003，529:13-20.

［9］Kovalchuk O，Kovalchuk I，Arkhipov A，et al.Extremely complex pattern ofmicrosatellitemutation in the germLine of wheat exposed to the post－Chernobyl radioactive contamination［J］.Mutation Research，2003，525:93-101.

［10］Kovalchuk I，Abramov V，Pogribny I，et al.Molecular aspects of plant adaptation to life in the Chernobyl zone［J］.Plant Physiology，2004，135:357-363.

［11］Kim JH，Moon Y R，Kim JS，et al.Transcriptomic profile of Arabidopsis rosette leaves during the reproductive stage after exposure to ionizing radiation［J］.Radiation Research，2007，168(3):267－280.

［12］Rakwal R，Kimura S，Shibato J，et al.Growth retardation and death of rice plants irradiated with carbon ion beams is preceded by very early dose－and time－dependent gene expression changes［J］.Molecules and Cells，2008，25(2):272－278.

［13］Kim JH，Kim JE，Lee M H，et al.Integrated analysis of diverse transcriptomic data from Arabidopsis reveals genetic markers that reliably and reproducibly respond to ionizing radiation［J］.Gene，2013，518(2):273－279.

［14］Ghoshal N，Talapatra S，Moulick A，et al.Alterations in transcriptome and proteome on metallothioneins following oxidative stress induced by sublethal doses of cadmium and gamma rays in Plantago ovate［J］.International Journal of Radiation Biology，2013，89(7):571－582.

［15］Gicquel M，EsnaultM A，Jorrín－Novo JV，etal.Application of proteomics to the assessmentof the response to ionising radiation in Arabidopsis thaliana［J］.Journal of Proteomics，2011，74(8):1364－77.

［16］Danchenko M，Skultety L，Rashydov NM，etal.Proteomic analysis ofmature soybean seeds from the Chernobyl area suggests plant adaptation to the contaminated environment［J］.Journal of Proteome Research，2009，8(6):2915－2922.

［17］KlubicováK，Danchenko M，Skultety L，etal.Proteomics Analysisof Flax Grown in Chernobyl Area Suggests Limited Effect of Contaminated Environment on Seed Proteome［J］.Environmental Science＆Technology，2010，44(18):6940-6946.

［18］KlubicováK，Ber?ák M，Danchenko M，et al.Agricultural recovery of a formerly radioactive area:I.Establishment of high－resolution quantitative protein map ofmature flax seeds harvested from the remediated Chernobyl area［J］.Phytochemistry，2011，72(10):1308－1315.

［19］KlubicováK，Danchenko M，Skultety L，et al.Soybeans grown in the Chernobyl area produce fertile seeds that have increased heavy metal resistance and modified carbon metabolism［J］.PLoSOne，2012，7(10):e48169.

［20］KlubicováK，Vesel M，Rashydov N M，Hajduch M..Seeds in Chernobyl:the database on proteome response on radioactive environment.Frontiers in Plant Science，2012，3:231.

M olecular M echanism of Plant Adaption toIrradiation Stress

GUO Mei－li，LIN Qiang，LIGang
(Department of Food and Biochemistry Engineering，Yantai Vocational College，Yantai264670，China)

In recent30 years the two nuclear accidents(1986 Chernobyl nuclear power plant and 2011 Fukushima nuclear power plant)polluted agricultural land and ecological environment，but local plants can gradually adapt to irradiation stress and survive.This review based on gene and protein aimed to reveal the molecular mechanism of plant resistance to radiation and to provide theoretical basis for ecological reconstruction and agricultural planting in the contaminated areas.

plant;irradiation;genomics;proteome

Q945

A

1673－5382(2014)01－0078－04

(责任编辑 张明亮)

2014－01－02

山东省自然科学基金资助项目(编号:ZR2010CQ024);山东省高等学校科技计划项目(编号:J10LC72).

郭美丽(1978－)，女，山西阳城人，烟台职业学院讲师，硕士.