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实验室简介

Laboratory Synopsis


  植物抗逆整合生物学课题组,组建于2009年9月。在课题组长王旭初研究员带领下,实验室发展迅速,形成了一支精干研究队伍。现有6名助理研究员,分别为靳翔博士、仝征博士、常丽丽博士、彭存智博士、王丹硕士和孙勇硕士,分别主管生物质谱,蛋白质组,分子实验,生理生化和蛋白纯化实验平台;有6名研究实习员,分别为蒋欣(负责蛋白相关技术支持)、丁国华(负责质谱鉴定和数据分析)、蒙雪茹(负责橡胶生理生化实验)、姚琦(负责生物信息学分析)、吉福桑(负责木薯蛋白质组草图绘制)、郑杏梅(负责分子克隆);有1名实验助理员,王桂英(负责实验室日常运转)。



  植物抗逆整合生物学课题组主要借助蛋白质组学和分子生物学等研究技术,研究聚焦于天然橡胶生物合成调控的蛋白质化学基础和盐生植物耐盐的分子机制两个主要方向。为了继续展开热带植物蛋白质组研究,王旭初研究员首先对热带植物蛋白质组研究体系进行了优化改进,发现高温变性是严重影响热带地区开展2-DE的关键因素(Xuchu Wang* et al. 2011, Electrophoresis 32, 348-356)。通过对考马斯亮蓝染色技术的系统性比较,优化改进了一种CBB G250染色技术(Xuchu Wang* et al. 2012, Electrophoresis 33, 296-306),已经广泛应用在蛋白质组研究中。在此基础上,继续开展植物抗盐的分子机理研究。通过比较不同盐离子对海马齿生长的影响,发现钠离子比钾离子和氯离子更能促进盐生植物生长发育(Dongyang Wang et al. Xuchu Wang* 2012, Plant Physiology and Biochemistry 51, 53-62)。对其进一步展开蛋白质组研究发现,300 mM氯化钠是海马齿生长发育的最佳盐分条件,海马齿主要通过激活液泡膜上的V-ATP酶来达到极端耐盐性(Xiaoping Yi et al. Xuchu Wang* 2014, Journal of Proteomics 99: 84-100)。为了深入揭示耐盐模式植物盐芥的抗盐机制,  植物抗逆整合生物学课题组​利用蛋白质组和转录组学技术,对不同盐分处理条件下的盐芥叶片进行了深入研究,发现淀粉,可溶性糖和脯氨酸的积累,结合钠离子在植物液泡中的区隔化作用,共同保持植物细胞的渗透平衡,从而使盐芥具有很强的耐盐性,该部分研究结果已经发表于国际蛋白质组研究领域的顶级期刊Mol Cell ProteomicsXuchu Wang* et al. 2013, Molecular and Cellular Proteomics 12, 2174-2195),引起了国内外同行的广泛关注,两年之内已经被引用15次。在此基础上,还对盐芥叶绿体应答盐胁迫的蛋白质组变化进行了研究,通过拟南芥转基因实验证实,甘油醛-3-磷酸脱氢酶的β亚基在盐生植物抗盐应答中起关键调控作用(Chang LL et al. Xuchu Wang* 2015, Plant Science 2015, 236, 223-238)。这些研究成果对于进一步理解植物耐盐的机制必将起到更好的促进作用。



  同时,该团队还对木薯块根膨大过程的蛋白质组进行了深入研究,在木薯块根淀粉积累机制研究中获得重要进展,揭示了酶结合蛋白及14-3-3蛋白在木薯块根膨大和淀粉积累过程中的重要调控作用。通过比较蛋白质组学技术结合高端生物质谱仪,共鉴定到154个在块根不同发育时期差异表达的蛋白质,其中参与能量代谢、蔗糖和淀粉代谢途径,以及具有结合活性的蛋白酶类在块根膨大和淀粉积累过程中其重要作用,其中,具有酶结合活性的14-3-3蛋白起了关键调控作用,过量表达木薯14-3-3蛋白能显著提高转基因拟南芥叶片和根中的可溶性糖与淀粉含量。在此基础上,我们首次构建了木薯块根膨大过程中参与碳代谢和淀粉积累途径的蛋白调控模式图(Xuchu Wang et al. 2016, Scientific Reports, 6: 19643)。研究成果加深了对木薯块根蛋白质组的认识,并对块根膨大过程中碳代谢和淀粉积累过程提出了新见解,为木薯定向分子育种提供新的候选蛋白,为高淀粉木薯品种培育提供新的理论依据。



  植物抗逆整合生物学课题组​目前的研究核心课题是天然橡胶生物合成和调控机理,主要聚焦于的天然橡胶生物合成调控的蛋白质化学基础上。为了将利用蛋白质组技术研究天然橡胶的合成调控机理,王旭初研究员首先摸索了胶乳及胶乳中各种成分包括C-乳清,黄色体和橡胶粒子的蛋白提取技术和2-DE条件,最终建立并完善了胶乳的蛋白质组研究技术体系(Xuchu Wang* et al. 2010, Proteome Science 8, 35),该研究工作为展开天然橡胶蛋白质组研究奠定了技术基础,论文已经被国际同行引用22次。随后,通过蛋白质组技术,比较了巴西橡胶树胶乳中两类不同黄色体(初生黄色体和次生黄色体)的内含物和膜蛋白的异同,最先获得了不同类型黄色体不同组分的高质量蛋白质双向电泳图谱,并对所有蛋白点进行了质谱鉴定,首次获得了黄色体全蛋白表达图谱,并鉴定了其中的169个蛋白质。生物信息学分析揭示,这些蛋白主要参与了植物抗病反应,几丁质酶代谢和离子转运途径等主要生物学过程。经过分析这些蛋白表达变化差异,发现有三种主要蛋白,Glucanase,Chitinase和Hevein,在不同类型的黄色体中表达丰度高,通过制备该类蛋白抗体,对这些蛋白进行了免疫荧光定位分析,并进行橡胶粒子体外凝集实验,首次发现Chitinase和Glucanase在橡胶粒子凝集和胶乳凝固的过程中,通过联合作用进行关键性调控。在此基础上,研究团队对黄色体主要蛋白进行了深入分析,解析了黄色体三大生物学功能(维持离子平衡,参与防御反应,促进橡胶粒子凝集和胶乳凝固)的蛋白质化学基础,构建了黄色体主要功能的蛋白质化学调控模式图(Xuchu Wang et al. 2013, Journal of Proteome Research 12, 5146-5159)。这些研究丰富了人们对黄色体的认识,提出了新的黄色体调节橡胶粒子凝固的分子机制,为今后深入展开黄色体生物学功能研究打下了一定的研究基础。



  最近,在3项国家自然基金的大力支持下,王旭初研究员还展开了乙烯利刺激巴西橡胶树割胶的蛋白质组学研究,通过荧光定量差异显示DIGE和同位素标记定量蛋白质组iTRAQ研究技术,该团队首次绘制了巴西橡胶树胶乳全蛋白2-D DIGE凝胶图谱并通过高端生物质谱鉴定到143个乙烯应答蛋白,通过iTRAQ技术,获得了1600个胶乳蛋白以及404个响应乙烯刺激蛋白,进而分析其可能的生物学功能,并进行了后续部分功能验证。研究结果发现,乙烯刺激胶乳增产的调控机制主要在于三个方面:首先,乙烯刺激能够明显促进胶乳中小橡胶粒子生成;其次,乙烯显著抑制与橡胶粒子凝集过程调控的主要蛋白酶的表达,进而抑制胶乳凝集,延长流胶时间,促进胶乳流出,从而提高了胶乳产量;再次,乙烯调控胶乳增产主要在蛋白质水平,而不是分子调节水平,在此过程中,蛋白酶的翻译后修饰特别是蛋白的磷酸化修饰起到关键作用。研究首次发现,在橡胶合成过程中发挥关键作用的REF和SRPP蛋白异构体主要是在丝氨酸残基上发生磷酸化修饰。在此基础上,我们首次构建了蛋白质在胶乳生物合成调控中的作用模式图(Xuchu Wang et al. 2015, Scientific Reports, 5: 13778)。



  我们的研究首次发现,乙烯促进天然橡胶增产主要是通过关键蛋白质磷酸化来实现,这在天然橡胶基础研究领域是一个振奋人心的新发现。该研究成果首次揭示了蛋白翻译后修饰在乙烯促进天然橡胶合成过程中的新调控机制,对深入理解天然橡胶生物合成的蛋白质调控机制和如何提高巴西橡胶树胶乳产量提供了新的理论基础,具有重要的潜在应用价值。



  以植物抗逆整合生物学课题组为核心建立的热带作物蛋白质组研究中心经过2012年到2015年三期建设工作,农业部和热科院共计投入1600多万元购买了包括AB 5800生物质谱仪、纳升液相联用AB 5600+高端生物质谱仪、荧光差异显示双向电泳(2-D DIGE)系统、常规双向电泳系统蛋白分子互作仪Biacore X100X-Ray单晶衍射仪、蛋白纯化仪AKTA Avant 25、蛋白化学发光检测仪LAS4010等大型蛋白质研究仪器及配套设备。另外,王旭初博士及其研究团队与中科院相关研究所和北京大学、中国农业大学、军事医学科学院、清华大学、华中科技大学、北京华大蛋白质研发中心、AB亚太技术支持中心等许多单位的研究人员有很好的技术交流合作关系。


 

王旭初

王旭初

科研带头人

靳翔

靳翔

助理研究员

仝征

仝征

助理研究员

常丽丽

常丽丽

助理研究员

彭存智

彭存智

助理研究员

王丹

王丹

助理研究员

孙勇

孙勇

助理研究员

蒋欣

蒋欣

研究实习员

蒙雪茹

蒙雪茹

研究实习员

姚琦

姚琦

研究实习员

郑杏梅

郑杏梅

研究实习员

丁国华

丁国华

实习研究员

吉福桑

吉福桑

研究实习员

潘海瑞

潘海瑞

研究实习员

北京大学

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武汉大学

武汉大学

中科院植物所

中科院植物所

石河子大学

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海南大学

海南大学

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