植物抗冻蛋白研究进展 植物学报    2023, 58 (6): 966-981.   DOI: 10.11983/CBB22248

图1 白菜型冬油菜叶片质外体蛋白质粗提物冰晶形态修饰和重结晶抑制活性
(A) 低温处理幼苗叶片质外体粗提液在-7°C恒温50分钟后的冰晶生长情况(具有高重结晶抑制活性); (B) 常温处理幼苗叶片质外体粗提液在-7°C恒温50分钟后的冰晶生长情况; 图中有不规则冰晶体、尖长锥形冰晶体、近椭圆形冰晶体、梭形冰晶体和棒状冰晶体。Bars=10 μm

正文中引用本图/表的段落

植物AFPs具有极高的RI活性可能与其分子具有多个冰结合结构域有关。例如, 多年生黑麦草(Lolium perenne) LpAFP被预测折叠成1个具有2个冰结合结构域β-roll, 位于蛋白质的相对两侧(Kuiper et al., 2001)。在无AFPs存在时, 冰晶通常沿着a轴生长, 形成1个六边形晶格, 冰晶形态呈盘状, 单个晶格有基面和棱面2个不同的平面, 冰的生长是由于水分子结合到这些平面上。在有AFPs的溶液中, AFP可结合到冰晶棱面, 阻断水分子进入棱面晶格, 冰晶沿a轴生长完全被抑制, 少数水分子进入基面晶格, 使冰晶沿c轴生长, 由于AFPs浓度不同, 可形成双棱锥形和披针形等形态的冰晶(Griffith and Yaish, 2004; Scotter et al., 2006)。低温处理白菜型冬油菜(Brassica rapa)幼苗叶片质外体蛋白质提取液, -7°C放置50分钟, 形成数量众多的细小冰晶体, 冰晶形态多为米粒状(图1A); 而对照(常温处理)叶片质外体蛋白提取液形成的冰晶体积大, 数量较少, 存在多种形态的冰晶体, 其中以不规则形状为主, 此外还有较多尖长锥形、近椭圆形、梭形及棒状冰晶体(图1B)。从冰晶形态上, 常温处理的幼苗叶片提取液-7°C放置50分钟, 体积细小的晶核通过重结晶和晶体持续生长, 形成大冰晶体, 并未表现出重结晶抑制和形态修饰活性; 而低温处理的幼苗叶片提取液晶核未发生明显的重结晶现象, 表明低温处理后, 叶片中含有高活性AFP物质具有明显的晶核重结晶抑制活性(图1) (Liu et al., 2019)。在低温诱导下, 越冬植物通常合成几种AFPs, 每个AFP具有2个或以上冰结合结构域, 可吸附到冰晶体的不同表面, 不同结构域对冰晶表面的亲和力有差异, 多个结构域协同作用, 阻止水分子进入不同轴向的晶格中, 并不同程度地抑制冰晶各轴向生长(DeVries, 1986)。

本文的其它图/表

• 表1 不同植物中抗冻蛋白(AFPs)的性质
  
• 图2 几种植物抗冻蛋白(AFPs)的分子结构
  (A) 黑麦草LpAFP (AJ277399.1); (B) 胡萝卜DcAFP (AF055480.1); (C) 欧白英I型内切几丁质-AFP (Q84LQ7); (D) 小麦类甜蛋白-AFP (AAM15877.1); (E) 白菜型冬油菜BrAFP1 (gi62361691); (F) 冬黑麦葡聚糖酶-AFP (CAJ58506.1); (G) 冬黑麦II型内切几丁质-AFP (AF280438.1); (H) 小球藻AFP (ABR01234.1)。通过在线软件Phyre 2.0 (http://www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/html/page.cgi?id =index)运行GenBank序列生成植物AFPs模型。
  
• 图3 低温下植物抗冻蛋白(AFPs)和致病相关蛋白(PRs)的分子调控模型(Griffith and Yaish, 2004; Guo et al., 2018)
  (A) 低温胁迫诱导COR、AFP和CSP等基因表达, 新合成的PR-AFP蛋白和PR蛋白通过内质网、高尔基体和囊泡分泌运输, 穿过质膜并聚集在细胞壁外空间, 形成寡聚体复合物, 抑制低温下病原菌生长; 这些蛋白质包括几丁质酶-AFPs (CHT-AFP)、葡聚糖酶-AFPs (GLU-AFP)和类甜蛋白-AFPs (TLP-AFP); 当环境温度降至冰点以下, PR-AFPs蛋白可特异吸附到冰晶表面, 抑制冰晶生长和重结晶; (B) PR蛋白(包括几丁质酶(CHT)、葡聚糖酶(GLU)和类甜蛋白(TLP))被合成并分泌到质外体中, 常温下用水杨酸(SA)、脱落酸(ABA)或雪腐病原菌处理植物, 仅诱导合成PR蛋白, 可抑制真菌病原体生长。
  
• 表2 表达编码抗冻蛋白(AFP)基因的转基因植物