1 植物群體遺傳蛋白質(zhì)組學(xué)

1.1遺傳多樣性蛋白質(zhì)研究

基于基因組學(xué)的一些遺傳標(biāo)記，如RAPD(Random Amplified Polymorphic DNA)、RFLP(Restriction Fragment Length Polymorphism)、SSR(Simple Sequence Repeat)、ISSR(Inter-Simple Sequence Repeat)等，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于植物遺傳研究中。

與基因組學(xué)的遺傳標(biāo)記相比，由于蛋白質(zhì)組學(xué)的研究對象是基因表達(dá)的產(chǎn)物，是介于基因型和表型之間的特性，因而蛋白質(zhì)組學(xué)標(biāo)記是聯(lián)系基因多樣性和表型多樣性的紐帶，具有獨(dú)特的意義。

通過蛋白質(zhì)組比較來檢測遺傳多樣性的變化已有許多成功的嘗試。Barrenche等(1996年)比較了6個(gè)歐洲國家的23種橡樹，分析了幼苗的總蛋白質(zhì)，共得到530種蛋白質(zhì)，其中101個(gè)具有多態(tài)性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示種內(nèi)和種間的距離非常接近，并且證實(shí)無梗花櫟(Quercus petraea)和夏櫟(Quercus robar)兩個(gè)種的遺傳分化水平很低。Picard等(1997年)利用2D-PAGE分析了親緣關(guān)系很近的硬粒小麥不同株系的遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)品系間的多態(tài)性很低并且7個(gè)蛋白可以用于基因型的鑒定。

David等(1997等)也利用2D-PAGE技術(shù)比較了栽培于不同環(huán)境下但起源于同一種群的小麥，結(jié)果所有的種群都與原種群有差別，David等認(rèn)為，這不是由隨機(jī)漂移引起，而是由適應(yīng)其各自的氣候條件而形成。

1.2 突變體的蛋白質(zhì)組學(xué)研究

突變體研究是植物遺傳學(xué)的重要研究手段之一，應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)的方法對基因突變引起的蛋白質(zhì)表達(dá)變化進(jìn)行研究可以揭示一些植物生理生態(tài)過程的機(jī)制。具體做法通常是對在相同條件下栽培的突變體及野生型植物的2D-PAGE圖譜進(jìn)行比較，受到影響的蛋白質(zhì)通過質(zhì)譜法或Edman測序法進(jìn)行鑒定，為研究表型突變背后的生化過程提供有價(jià)值的信息。

Santoni等(1994年)對模式植物擬南芥發(fā)育突變體的總蛋白質(zhì)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示突變體具有與野生型植物不同的獨(dú)特的2D-PAGE圖譜，并且得到了與下胚軸長度有關(guān)的一個(gè)肌動(dòng)蛋白的同源異構(gòu)體。

Herbik等(1996年)分析了野生型和缺鐵突變體番茄(Lycopersicon esculentum)的蛋白質(zhì)2D-PAGE圖譜，鑒定了參與無氧代謝和脅迫防御的幾種酶，如甘油醛-3-磷酸脫氫酶、甲酸脫氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、超氧化物歧化酶、質(zhì)體藍(lán)素等，并分析了這些酶在獲得鐵的過程中的功能。

von Wiren等(1997年)比較了野生型和鐵攝取缺陷型突變體玉米的蛋白質(zhì)2D-PAGE圖譜，確定了4個(gè)與鐵離子跨膜運(yùn)輸有關(guān)的多肽。

Komatsu等(1999年)比較了水稻綠苗和白化苗的蛋白質(zhì)2D-PAGE圖譜，發(fā)現(xiàn)了在綠苗中參與光合作用的蛋白質(zhì)，而白化苗中僅有此蛋白質(zhì)前體。而抗壞血酸過氧化物酶只在白化苗中存在，說明抗氧化酶在白化苗中起細(xì)胞保護(hù)功能。

當(dāng)已知突變的基因時(shí)，可用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)研究受此基因控制的有關(guān)信息。玉米中的Opaque 2(O2)基因編碼一個(gè)屬于亮氨酸拉鏈家族的轉(zhuǎn)錄因子，這個(gè)轉(zhuǎn)錄因子對蛋白質(zhì)的表達(dá)有多種效應(yīng)。

Damerval和Le Guillonx(1998年)將野生型與O2基因突變體的蛋白質(zhì)2D-PAGE圖譜進(jìn)行比較，鑒定出屬于各種代謝途徑的一些酶，說明O2基因是玉米代謝中聯(lián)系多種代謝途徑的調(diào)節(jié)基因。這些結(jié)果表明，單一位點(diǎn)的突變可以引起蛋白質(zhì)表達(dá)的多種效應(yīng)，而用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)可以看到這些效應(yīng)。

2 植物環(huán)境信號應(yīng)答和適應(yīng)機(jī)制蛋白質(zhì)組學(xué)

2.1 非生物環(huán)境因子蛋白質(zhì)組學(xué)研究

在植物的生存環(huán)境中，一些非生物因子脅迫，如干旱、鹽漬、寒害、臭氧、缺氧、機(jī)械損傷等，對植物的生長發(fā)育和生存都會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。這些脅迫可以引起大量的蛋白質(zhì)在種類和表達(dá)量上的變化，而蛋白質(zhì)組學(xué)研究可以使我們更好地了解非生物脅迫的傷害機(jī)制以及植物對非生物環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制。

Salekdeh等(2002年)研究兩個(gè)水稻品種(Oryza sativa L. cv CT9993 和 cv IR62266)干旱脅迫下以及恢復(fù)灌溉后的蛋白質(zhì)組。分析葉提取物電泳膠上的1000多個(gè)蛋白點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)有42個(gè)蛋白點(diǎn)的豐度在干旱脅迫狀態(tài)下變化明顯，其中27個(gè)點(diǎn)在兩個(gè)品種中顯示了不同的反應(yīng)方式。

恢復(fù)正常灌溉10天以后，所有蛋白的豐度完全或是在很大程度上恢復(fù)成與對照一樣。Costa等(1998年)發(fā)現(xiàn)海岸松(Pinus pinaster)中38個(gè)受干旱影響的蛋白質(zhì)，其中24個(gè)由干旱誘導(dǎo)，并且不同基因型對干旱脅迫的反應(yīng)差別很大。

Ramani和APte(1997年)用放射性同位素自顯影雙向電泳法研究水稻幼苗鹽脅迫下多基因的瞬時(shí)表達(dá)表明，至少有35個(gè)蛋白質(zhì)被鹽脅迫誘導(dǎo)和17個(gè)蛋白質(zhì)被抑制，包括20個(gè)在這之前未曾報(bào)道的低豐度蛋白。這些發(fā)現(xiàn)對尋找滲透壓應(yīng)答新基因，尤其是那些在水稻鹽耐性獲得中起瞬時(shí)調(diào)節(jié)作用的基因十分重要。

Agrawal等(2002年)用2D-PAGE、氨基酸測序和免疫雜交法，首次檢測了臭氧對水稻幼苗蛋白的影響。臭氧對葉片強(qiáng)烈的可見壞死傷害和隨之而來的抗壞血酸過氧化物酶蛋白的增加，反映在二維電泳膠上蛋白質(zhì)點(diǎn)分布的變化。

在被檢測的具有可重復(fù)結(jié)果的56個(gè)蛋白中，52個(gè)蛋白點(diǎn)隨控制條件的不同發(fā)生的變化可以通過肉眼判定。檢測的56個(gè)蛋白中，6個(gè)蛋白是N-端阻斷，14個(gè)蛋白的序列無法測定，36個(gè)蛋白的N-端序列和一個(gè)蛋白的內(nèi)部序列被測定。研究發(fā)現(xiàn)臭氧造成葉片光合蛋白的劇烈減少(包括核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶)和各種防御、脅迫相關(guān)蛋白的表達(dá)。

Shen等(2003年)應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)方法研究水稻葉鞘傷害反應(yīng)相關(guān)蛋白，首次揭示了水稻葉鞘傷害信號應(yīng)答過程中蛋白質(zhì)的變化。比較傷害前后蛋白質(zhì)表達(dá)譜，發(fā)現(xiàn)傷害后至少有10個(gè)蛋白被誘導(dǎo)或上調(diào)，19個(gè)蛋白被抑制或表達(dá)量下降。

通過N-端或內(nèi)部氨基酸測序，分析了其中的14個(gè)蛋白，鑒定了9個(gè)蛋白的功能，其它蛋白由于N-端阻斷，無法得到氨基酸序列信息。此外，還通過MALDI-TOF-MS測定了11種蛋白質(zhì)，并與水稻數(shù)據(jù)庫相吻合。

在基因功能被確認(rèn)的蛋白質(zhì)中，表達(dá)量下降的蛋白有2個(gè)鈣網(wǎng)蛋白、組蛋白H1和血紅蛋白和一種假定的過氧化物酶；表達(dá)量增加的蛋白包括胰蛋白酶抑制因子(BBT1)、兩種假定的蛋白激酶受體類似物、鈣調(diào)素相關(guān)蛋白、核酮糖-l,5-二磷酸羧化酶／加氧酶小亞基、2個(gè)甘露糖結(jié)合外源凝集素。

其中，4種蛋白質(zhì)已被證實(shí)為與傷害反應(yīng)直接作用的蛋白質(zhì)。

Chang等(2000年)對玉米進(jìn)行缺氧和低氧脅迫研究，發(fā)現(xiàn)低氧處理的效應(yīng)不僅僅是缺氧脅迫誘導(dǎo)的糖酵解酶的增加。通過質(zhì)譜法共鑒定了46個(gè)蛋白質(zhì)，均為在植物中首次得到鑒定。

2.2 生物環(huán)境因子蛋白質(zhì)組研究

植物的生長發(fā)育不僅與非生物因子密切相關(guān)，還受到生物因子如動(dòng)物、植物、微生物等的極大影響。例如，當(dāng)植物受到競爭、動(dòng)物取食、微生物共生或寄生、病菌侵害時(shí)，植物將改變體內(nèi)蛋白質(zhì)的表達(dá)和酶類的活性等來完成這些信號的感應(yīng)、傳遞以及生物學(xué)效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。

因此，通過對蛋白質(zhì)的研究有助于人們更好地了解生物之間的相互作用機(jī)制。目前關(guān)于非生物因子對植物影響的蛋白質(zhì)組學(xué)研究主要集中在植物與根瘤菌以及植物與菌根真菌的共生關(guān)系上。

眾所周知，根瘤菌與植物相互識別后，進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi)變成具有因氮能力的類菌體。類菌體周隙(PS，Peribacteroid space)是類菌體周膜(Peribacteroid membrance,PBM)與細(xì)菌質(zhì)膜之間的間隙，是共生體成員之間交換代謝產(chǎn)物的媒介。

Saalbach等(2002年)用蛋白質(zhì)組分析的方法，鑒定了PBM與PS中的蛋白。結(jié)果表明PS甚至PBM的制備物中含有大量的類菌體蛋白。有趣的是，除了一些PS/PBM蛋白，還有許多內(nèi)膜蛋白，包括V-ATPase，BIP和一個(gè)完整的COPI-coated vesicles的膜蛋白存在于PRM中，這證明了PBM是由宿主細(xì)胞的內(nèi)膜系統(tǒng)產(chǎn)生的。

Wienkoop和Saalbach(2003年)選取豆科模式植物日本百脈根(Lotus japonicus)，用蛋白質(zhì)組學(xué)的手段研究PBM的蛋白質(zhì)組。通過納米液相色譜分離多肽，然后用串聯(lián)質(zhì)譜(MS/MS)進(jìn)行分析。

檢索非豐度蛋白數(shù)據(jù)庫和通過串聯(lián)質(zhì)譜得到的綠色植物表達(dá)序列標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫，鑒定了大約94個(gè)蛋白，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于迄今為止所報(bào)道的PBM蛋白的數(shù)目。

特別是一些膜蛋白得到檢測，如糖和硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)子、內(nèi)膜聯(lián)合蛋白(如GIP結(jié)合蛋白)和囊泡受體、信號相關(guān)蛋白(如受體激酶、Calmodulin、14-3-3蛋白和病原體應(yīng)答蛋白包括HIR蛋白)。通過非變性凝膠電泳分析了兩個(gè)特征蛋白復(fù)合物。結(jié)果鑒定了PBM中參與特定生理過程的蛋白和結(jié)瘤特異表達(dá)序列標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(EST)中的PBM蛋白質(zhì)組。

Bestel-Corre等(2002年)用雙向凝膠電泳和銀染分析接種灌木菌根真菌(Glomus mosseae)或根瘤菌(Sinorhizobiurn meliloti)的模式植物苜蓿不同時(shí)期的根蛋白質(zhì)組。MALDI-TOF-MS分析胰蛋白酶消化的蛋白質(zhì)組，在結(jié)瘤的根中鑒定到了苜蓿的一個(gè)豆血紅蛋白。內(nèi)部測序、四極質(zhì)譜分析和數(shù)據(jù)搜尋證明了先前預(yù)測的由菌共生體誘發(fā)表達(dá)的蛋白。

2.3 植物激素蛋白質(zhì)組學(xué)研究

激素在植物一生中起著重要的調(diào)控作用，研究植物激素的信號傳導(dǎo)和作用機(jī)理是蛋白質(zhì)組學(xué)的重要組成部分之一。

Moons等(1997年)鑒定了水稻根中3個(gè)受ABA誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)，其氨基酸序列測定確定其中2個(gè)屬于胚胎后期豐富蛋白(LEA)的2組和3組，第三個(gè)未知。

用ABA處理水稻根并提取其mRNA，構(gòu)建cDNA文庫，然后用由氨基酸序列推導(dǎo)出的寡核苷酸做探針進(jìn)行篩選，分離到了相關(guān)的cDNA，但在cDNA數(shù)據(jù)庫中找不到與之相同的序列。通過在基因組DNA文庫中篩選及免疫雜交分析，表明這是一個(gè)新的基因家族，編碼高度親水具有雙重結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，并被ABA誘導(dǎo)在不同組織中表達(dá)。

Rey等(1998年)在馬鈴薯的葉綠體中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)受干旱誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)，沒有已知的蛋白質(zhì)與之相同。利用N-端序列制備的血清在葉子cDNA表達(dá)文庫中篩選，分離到了新的具有典型硫氧還蛋白特征的cDNA序列，并被硫氧還蛋白活性的生化實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)不僅可鑒定早就已知的典型的受環(huán)境脅迫誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)，如LEA蛋白質(zhì)(Riccardi等，1998年)，脫水素(Dehydrin)(Moons等，1997年)，還鑒定了其它一些蛋白質(zhì)。

如對脅迫引起的損害起保護(hù)作用的蛋白酶抑制劑、熱激蛋白HSP和與氧化脅迫有關(guān)的酶、參與糖酵解、木質(zhì)素合成的酶等(Costa等，1998年；Riccardi等，1998年；Rey等，1998年；Pruvot等，1996年)。用赤霉素和茉莉酸處理水稻的蛋白質(zhì)組變化也進(jìn)行了研究。

Shen和Komatsu(2003年)將水稻葉鞘用5μmol·L-1赤霉素處理不同時(shí)間后的蛋白經(jīng)2D-PAGE分離和計(jì)算機(jī)圖像分析，看到33個(gè)蛋白發(fā)生變化，其中21個(gè)蛋白點(diǎn)表達(dá)增強(qiáng)，12個(gè)蛋白表達(dá)減弱，說明赤霉素處理水稻葉鞘起碼有30多個(gè)基因的產(chǎn)物與之相關(guān)。

對其中的鈣網(wǎng)蛋白(Calreticulin)進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)它有2個(gè)不同等電點(diǎn)(pI)蛋白點(diǎn)，隨赤霉素處理時(shí)間增加，pI4.0的蛋白點(diǎn)逐漸消失，而pI4.1蛋白點(diǎn)濃度則逐漸增加。由此說明鈣網(wǎng)蛋白在赤霉素信號傳遞調(diào)節(jié)葉鞘伸長中是一個(gè)重要組分(Shen等，2003年)。

Rakwal和Komatsu(2000年)用外源茉莉酸(Jasmonic acid)處理水稻的幼苗組織，通過2D-PAGE分析發(fā)現(xiàn)在水稻的莖和葉中誘導(dǎo)了新蛋白質(zhì)。對蛋白質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行N-端和內(nèi)部測序及免疫雜交分析，發(fā)現(xiàn)莖中有28kD的蛋白酶抑制劑(BBPIN)和酸性的與病理有關(guān)的17kD蛋白質(zhì)(PR-1)。

免疫雜交分析表明茉莉酸處理后這些蛋白質(zhì)的表達(dá)具有組織特異性和發(fā)育階段特異性，說明外源茉莉酸處理可以引起與植物自我防御機(jī)制有關(guān)的基因在莖、葉組織中的特異性表達(dá)。

3 植物組織器官蛋白質(zhì)組學(xué)

對于植物來說，蛋白質(zhì)組學(xué)上的差異不但存在于不同基因型以及同一基因型的不同植株之間，也存在于同一植抹的不同組織和器官之間。在植物的發(fā)育過程中，不同組織和器官在功能上的分化，也表現(xiàn)在不同器官蛋白質(zhì)的組成和數(shù)量的差異上，蛋白質(zhì)組學(xué)的研究有助于我們對植物發(fā)育過程機(jī)制的理解。

關(guān)于植物組織和器官的蛋白質(zhì)組學(xué)研究已經(jīng)有很多報(bào)道。Tsugita等(1994年)用2D-PAGE分離了水稻根、莖、葉、種子、芽、種皮及愈傷組織等部位的蛋白質(zhì)，總共得到4892個(gè)蛋白點(diǎn)，其中3%的蛋白質(zhì)得到了鑒定。對水稻胚、胚乳、葉鞘和懸浮細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)的研究也取得了進(jìn)展，并且水稻的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫已經(jīng)建立(Komatsu等, 1993年；1999年；Zhong等,1997年；Shen等,2003年）。其它組織及器官，如擬南芥的愈傷組織和花粉，也有研究涉及(Prime等，2000年；Mayfield等，2001年）。

Blee等(2001年)研究了轉(zhuǎn)基因煙草(Nicotiana tabacum)細(xì)胞壁的蛋白質(zhì)組。他們首先建立了轉(zhuǎn)入Tcyt基因的煙草懸浮培養(yǎng)細(xì)胞株系。該基因可使細(xì)胞產(chǎn)生高水平的內(nèi)源細(xì)胞分裂素，從而使該細(xì)胞株系表現(xiàn)出細(xì)胞聚集增加、細(xì)胞變長、細(xì)胞壁加厚5倍等特征。轉(zhuǎn)化細(xì)胞壁的蛋白質(zhì)組與對照煙草細(xì)胞的初生壁蛋白質(zhì)組有很大差異。發(fā)現(xiàn)了許多初生壁中不存在的新蛋白質(zhì)。已鑒定出的包括分子量為32kD的幾丁質(zhì)酶、34kD的過氧化物酶、65kD的多酚氧化酶和68kD的木聚糖酶，以及一些結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)。

4 植物亞細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)

植物的蛋白質(zhì)組學(xué)研究目前已經(jīng)深入到亞細(xì)胞水平，即研究在一個(gè)細(xì)胞器內(nèi)表達(dá)的蛋白質(zhì)組。研究比較多的細(xì)胞器是葉綠體。據(jù)估計(jì)高等植物大約共有約21000到25000個(gè)蛋白質(zhì)(Bouchez和Hoffe，1198年)，葉綠體的蛋白質(zhì)占其中10%～25%(van Wijk等，2000年），充分證明了葉綠體在植物細(xì)胞中的重要性。另外，關(guān)于線粒體與細(xì)胞壁的研究也有報(bào)道。

Peltier等(2000年)利用2D-PAGE、質(zhì)譜及Edman N-端序列測定等方法，系統(tǒng)地分析了豌豆(Pisum sativum)葉綠體中類囊體的蛋白質(zhì)，并在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行了搜索，鑒定了61個(gè)蛋白質(zhì)，其中33個(gè)蛋白質(zhì)的功能及功能結(jié)構(gòu)域得到了確認(rèn)。Yamaguchi和Subramanian(2000年)，Yamaguchi和Subramanian(2000年)利用2D-PAGE、色譜、MS、Edman測序等多種方法鑒定了菠菜(Spinacia oleracea)葉綠體中的核糖體30S和50S亞基的蛋白質(zhì)。發(fā)現(xiàn)菠菜的質(zhì)體核糖體是由59個(gè)蛋白質(zhì)組成的，其中53個(gè)與大腸桿菌有同線性，而6個(gè)是非核糖體質(zhì)體特異性的蛋白質(zhì)(PSRP-1到PSRP-6)。許多蛋白質(zhì)表現(xiàn)出翻譯后的修飾。PSRP蛋白質(zhì)可能參與質(zhì)體中特有的翻譯及其調(diào)控過程，包括蛋白質(zhì)通過質(zhì)體50S亞基在類囊體膜上的定位和轉(zhuǎn)移。

利用Blue-native凝膠電泳(Peltier等,2001年)，以及MALDI-TOF和ESI-MS/MS分析，鑒定了擬南芥葉綠體中一個(gè)350kD的由10個(gè)不同的亞基組成的C1pP蛋白酶復(fù)合體，并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不屬于任何已知的葉綠體基因家族的新的葉綠體蛋白。

Vener等(2001年)利用質(zhì)譜技術(shù)研究了擬南芥葉綠體中類囊體膜蛋白質(zhì)的磷酸化現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，光系統(tǒng)Ⅱ核心中的D1、D2、CP43蛋白質(zhì)位于N-端的蘇氫酸(Thr)被磷酸化；外周蛋白PsbH的Thr-2被磷酸化；而成熟的光捕獲蛋白LCHⅡ的Thr-3被磷酸化。Vener還研究了不同生理?xiàng)l件下這些蛋白質(zhì)的磷酸化狀態(tài)。結(jié)果表明，這些類囊體蛋白質(zhì)中，沒有任何一個(gè)在穩(wěn)定的連續(xù)光照條件下完全磷酸化，或者在長期黑暗適應(yīng)的條件下完全去磷酸化。他們還檢測到在光/暗轉(zhuǎn)換的條件下，PsbH的Thr-4有迅速而可逆的超磷酸化現(xiàn)象。D1、D2、CP43蛋白受到熱激以后出現(xiàn)顯著的去磷酸化。光合蛋白受到熱激后磷酸化的變化比在光/暗轉(zhuǎn)換的條件下要迅速。Vener指出，質(zhì)譜法為研究復(fù)雜樣品中蛋白質(zhì)磷酸化的化學(xué)計(jì)量學(xué)提供了新的途徑。

Peltier等(2002年)通過蛋白質(zhì)組分析法與基因組預(yù)測篩選法結(jié)合，研究擬南芥葉綠體類囊體基質(zhì)蛋白質(zhì)組。通過雙向電泳分離類囊體可溶蛋白質(zhì)，再用質(zhì)譜進(jìn)行分析鑒定。鑒定了81個(gè)蛋白，用N-端測序?qū)Φ鞍踪|(zhì)的定位進(jìn)行預(yù)測。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正所鑒定蛋白的基因注釋，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的選擇性重疊。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了大量同源基因的表達(dá)。研究表明基質(zhì)蛋白質(zhì)組的主要功能包括幫助折疊，催化類囊體蛋白的水解和抗氧化。鑒定的基質(zhì)蛋白和它們的同源物的特性可以被應(yīng)用于通過基因組預(yù)測基質(zhì)蛋白質(zhì)組。Schubert等(2002等)系統(tǒng)地描述了模式植物擬南芥類囊體基質(zhì)蛋白的特性，證明類囊體基質(zhì)有其自己特異的蛋白質(zhì)組，并且鑒定了其中的36個(gè)蛋白。除了大量的肽基脯氨酸順反異構(gòu)酶和蛋白酶，還發(fā)現(xiàn)了一些新的PsbP結(jié)構(gòu)域蛋白。比較模式植物擬南芥與另一個(gè)典型的高等植物菠菜的類囊體基質(zhì)蛋白質(zhì)組，發(fā)現(xiàn)二者相似性很高。作為對本實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，Schubert等還從擬南芥整個(gè)基因組數(shù)據(jù)庫推測基質(zhì)蛋白質(zhì)組，估計(jì)葉綠體類囊體基質(zhì)約有80個(gè)蛋白。

位于葉綠體外膜和內(nèi)膜上的參與由核編碼的葉綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)復(fù)合體得到了詳盡的研究(May和Soll，1999年；Keegstra和C1ine，1999年)。膜上的疏水性蛋白質(zhì)較多，用有機(jī)溶劑提取葉綠體蛋白和1D-PAGE分離，大約有5%～10%的膜蛋白，即15～20個(gè)蛋白質(zhì)是疏水性的(Seigneurin-Berny等,1999年)。從綠藻(Chlamydomonas reinhardtii)中分離出一種含有酰基脂類的低密度葉綠體膜片段，類似于葉綠體內(nèi)膜和類囊體膜。一些與葉綠體mRNA相結(jié)合的蛋白質(zhì)非常富集，說明這些膜是葉綠體基因表達(dá)的場所(Zerges和Rochaix，1998年)。

蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)可以用于研究葉綠體蛋白質(zhì)的翻譯后修飾。這方面目前已有許多報(bào)道，包括翻譯后的甲基化(對RbcS)(Grimm等，1997年)，棕櫚?；?對D1)(Mattoo和Edelman，1987年)等。但是對于翻譯后的修飾并沒有全面、系統(tǒng)地開展。隨著最近的2D-PAGE和質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，這方面的研究變得更容易，這將產(chǎn)生許多意想不到的新發(fā)現(xiàn)。

蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)還可以對異構(gòu)體基因表達(dá)及其mRNA前體的剪接、mRNA的編輯研究提供重要幫助。目前已有關(guān)于葉綠體蛋白質(zhì)mRNA編輯(Sutiga和Sugiura，1996年)和剪接(Mano等，1997年)的報(bào)道。在豌豆和菠菜中已發(fā)現(xiàn)多基因家族(van Wijk，2000年)。這些現(xiàn)象當(dāng)然可以通過分析mRNA或cDNA而發(fā)現(xiàn)，但蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)卻是一個(gè)強(qiáng)大的替代或補(bǔ)充方法。

Heazlewood等(2003年)用等電聚焦聚丙烯酰胺凝膠電泳、B1ue-native PAGE和反相高效液相質(zhì)譜(LC/MS)的方法對純化的水稻線粒體蛋白進(jìn)行分離，再用胰蛋白酶消化，然后進(jìn)行串聯(lián)質(zhì)譜分析(MS/MS)。查找水稻基因組的開放閱讀框架譯碼和6個(gè)表達(dá)序列標(biāo)簽(EST，Expressing sequence tags)譯碼，與質(zhì)譜分析所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，鑒定了其中149個(gè)蛋白點(diǎn)(91個(gè)非冗余基因的產(chǎn)物)，包括親水/疏水蛋白、強(qiáng)酸/堿性蛋白和大分子蛋白(分子量為6.7～2.52kD)的序列。確定了85個(gè)蛋白的功能，包括線粒體的許多主要的功能蛋白。Millar等(2001年)分析擬南芥組培細(xì)胞線粒體蛋白雙向凝膠電泳的結(jié)果，有大約100個(gè)高豐度蛋白和250個(gè)低豐度蛋白。用MALDI-TOF-MS分析其中170個(gè)蛋白點(diǎn)。查找數(shù)據(jù)庫中擬南芥基因組的編碼序列，鑒定了其中的91個(gè)蛋白。又通過序列比較鑒定了這91個(gè)蛋白中81個(gè)蛋白的功能。這些功能包括呼吸電子傳遞鏈，三羧酸循環(huán)，氨基酸代謝，蛋白質(zhì)的輸入、加工與組裝，轉(zhuǎn)錄，膜轉(zhuǎn)運(yùn)和抗氧化防御。Werhahn和Braun(2002年)聯(lián)合應(yīng)用3種不同的凝膠電泳方法鑒定了線粒體蛋白質(zhì)組的部分蛋白。首先，用藍(lán)色非變性聚丙烯酰胺凝膠電冰(B1ue-native po1yacrylamide gel electrophoresis)分離線粒體蛋白質(zhì)復(fù)合體。用電洗脫法完全洗去蛋白質(zhì)中的考馬斯亮藍(lán)。然后用等電聚焦，最后用十二烷基磺酸鈉(SDS)聚丙烯酰胺凝膠電泳分離蛋白質(zhì)復(fù)合體的亞基。該方法的可行性已通過分離ATP合酶復(fù)合體、細(xì)胞色素C還原酶復(fù)合體和線粒體外膜移位酶前體蛋白而得到驗(yàn)證。利用這一方法可以分離高等真核生物中蛋白亞基的異構(gòu)物。