病程相關(guān)蛋白_植物病程相關(guān)蛋白研究進展
發(fā)布時間:2020-02-16 來源: 人生感悟 點擊:
摘要:本文介紹植物病程相關(guān)蛋白的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、分類、基因結(jié)構(gòu)和表達調(diào)控等方面的研究進展,闡述病程相關(guān)蛋白與植物系統(tǒng)獲得性抗性的關(guān)系。 關(guān)鍵詞:病程相關(guān)蛋白;系統(tǒng)獲得性抗性;植物
中圖分類號:S432 文獻標識碼:A
植物生長于多變的自然環(huán)境中,形成了各種各樣有效適應(yīng)或抵抗逆境的機制。環(huán)境中的病原微生物包括真菌、細菌、病毒以及線蟲等,它們誘發(fā)的植物抗病機制是近年來植物抗性研究的熱點之一。植物中普遍存在的抗病機制有兩種:過敏反應(yīng)(hypersensitive response, HR)和系統(tǒng)獲得抗性(systemic acquired resistance, SAR)。二者均有多種抗病基因和病程相關(guān)蛋白的參與。
1 植物抗病機制?
1.1 植物抗病基因和防衛(wèi)反應(yīng)基因
植物抗病基因, 是決定寄主植物對病原菌的專化性識別并激發(fā)抗病反應(yīng)的基因。它與病原菌無毒基因互補。植物抗病基因編碼產(chǎn)物是抗病反應(yīng)信號轉(zhuǎn)導鏈的起始部分,當它與病原菌無毒基因直接或間接編碼產(chǎn)物互補結(jié)合后,通過信號傳導,誘導植物防衛(wèi)反應(yīng)基因的表達,激發(fā)并引起植物的抗病反應(yīng)。病程相關(guān)(pathogenesis-related, PR)蛋白基因作為植物防衛(wèi)反應(yīng)基因的一員,廣泛存在于不同植物中。?
1.2 植物抗病機制
植物中普遍存在的抗病機制有兩種:過敏反應(yīng)(hypersensitive response, HR)和系統(tǒng)獲得性抗性(systemic acquired resistance, SAR)。
過敏反應(yīng)是指在植物與病原菌的非親和互作中,受病原菌侵染的植物細胞快速死亡而形成枯斑的反應(yīng)。過敏反應(yīng)是植物程序化的抗病機制,不同的植物與病原菌互作發(fā)生過敏反應(yīng)時,在細胞、生化及分子水平上的變化基本相同。系統(tǒng)獲得抗性是指植物發(fā)生過敏反應(yīng)后,獲得的對病原菌的廣譜抗性。系統(tǒng)獲得性抗性是植物防衛(wèi)反應(yīng)基因被系統(tǒng)誘導表達的結(jié)果,特別是PR蛋白類基因。如擬南芥和煙草的?PR-1?基因;黃瓜的幾丁質(zhì)酶基因;水稻的脂氧化酶基因等。?
1.3 病程相關(guān)蛋白
病程相關(guān)蛋白(pathogenesis related proteins,PRP/PRs)是指植物在病理或病理相關(guān)的環(huán)境下誘導產(chǎn)生的一類蛋白。PRP最初由Van Loon、Van Kammen和Kassanis應(yīng)用多聚腺苷酸(PA)誘導煙草抗病研究時發(fā)現(xiàn)。隨后的研究越來越多,人們把這種普遍存在的具有廣譜抗性的誘導的可溶性蛋白質(zhì)統(tǒng)稱為PRP 。最近,在PR蛋白基因表達調(diào)控的分子機制等方面取得了不少重要進展。
2 植物中的PRP及其功能?
2.1 PRP的結(jié)構(gòu)
根據(jù)最早報道的樺樹花粉超家族Bet v1 的結(jié)構(gòu)特征,Mogensen 等人于2002年首次通過熒光分光光度方法證實了這個蛋白在天然狀態(tài)下能結(jié)合一系列天然或合成的小分子配體包括ANS、脂肪酸、類黃銅、細胞分裂素和脫氧膽酸等。?
2.2 PRP的性質(zhì)
PRP相對分子質(zhì)量較小,一般為10~40kD,因此可以在胞內(nèi)和胞間較好地積累。PRP有較強的穩(wěn)定性,大部分PRP能抵抗蛋白酶、糖苷酶、重金屬、尿素、低pH值和高溫(60 ℃)。PRP在進化上相對保守,來自不同植物的同類型PRP不僅在物理和化學性質(zhì)上相似,而且在分子結(jié)構(gòu)、氨基酸組成和血清反應(yīng)等方面也相似。
植物中的PRP主要表現(xiàn)如下活性:(1)幾丁質(zhì)酶;(2)β- 1,3-葡聚糖酶;(3)β-1,3-1,4-葡聚糖酶;(4)脫乙酰殼多糖酶;(5)過氧化物酶;(6)類甜味蛋白;(7)a-淀粉酶;(8)溶菌酶。 ?
2.3 PRP的分類
PRP最初根據(jù)寄主來源和在聚丙烯酰胺凝膠電泳中的遷移率分類,隨著對PRP基因組的分離、克隆、表達研究的深入,形成了目前按PRP的植物來源、電泳遷移率(分子量)、血清學關(guān)系以及氨基酸序列的同源性為標準的分類體系。
根據(jù)氨基酸序列的相似程度至少可以將PRP分為5組:(1)PR-1組: PR-la、PR-lb、PR-1c功能不明,為富含甘氨酸的PRP,它們在煙草對TMV的過敏反應(yīng)過程中產(chǎn)生,表明這組PRP具有抗病毒功能,有人認為它們可能參與植物細胞壁抗侵染作用。(2)PR-2組和PR-3組:這兩類分別是 β-1,3-葡聚糖酶和幾丁質(zhì)酶。(3)PR-4組:功能不明,在煙草中可被TMV侵染所誘導,與外源凝集素hevein的 C 端主體序列同源,表明可能參與病原細菌的非親和識別。(4)PR-5組:即被稱為類甜蛋白(thaumatin-like protein,TLP)的PRP。主要是24kD的蛋白質(zhì),包括PR-S、PR-P和堿性osmotin Ⅰ、osmotinⅡ,它們與甜蛋白有血清學關(guān)系。在經(jīng)傷口誘導的番茄、馬鈴薯葉片中也發(fā)現(xiàn)類似的PRP,可激活某些抵抗絲氨酸肽鏈內(nèi)切酶的蛋白質(zhì)活性。(5)PR-10組:存在于許多植物中,有人研究黃羽扇豆時發(fā)現(xiàn)其過敏反應(yīng)中存在著兩種類型的PR-10蛋白,分別命名為L1PR10.1A 和L1PR10.1B,兩者的相對分子質(zhì)量為17kD,由176個氨基酸殘基組成,其同源性為91%。Bantignles B等從白羽扇豆中得到一種17kD的蛋白質(zhì),與PR-10具有很高的同源性,它不但具有PRP常有的生物學特性,而且還具有DNA聚合酶Ⅱ活性。?
2.4 PRP的分布
細胞分離技術(shù)、免疫熒光技術(shù)、免疫膠體金技術(shù)等表明,PRP主要分布于植物細胞間隙和液泡內(nèi),其分布與等電點及誘發(fā)菌和植物的親和性有關(guān)。一般來說,等電點小于7的酸性PRP多分布于細胞間隙中,而等電點大于7的堿性PRP則多分布于細胞胞液中。
PRP在細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)移取決于它們的末端序列。酸性、堿性PRP的一個重要區(qū)別在于堿性PRP的前體不僅有N端信號肽,還有C端糖基化的尾部序列,成熟蛋白質(zhì)中這兩個末端序列在C端糖基化的同時都被切除。有人認為,N端信號肽可能與PRP多肽鏈通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)有關(guān),它決定PRP能否從高爾基體轉(zhuǎn)到液泡或穿過細胞質(zhì)膜分泌到胞間;其前體靠近N端的信號肽負責控制PRP向液泡中的轉(zhuǎn)運,它的缺失可使轉(zhuǎn)運途徑發(fā)生錯誤而分泌到胞間。?
2.5 PRP的功能
已有報道病程相關(guān)蛋白是在植物對病毒、類病毒、細胞的入侵反應(yīng)中產(chǎn)生的,也有一些病程相關(guān)蛋白是由化學試劑誘導產(chǎn)生的,如聚丙稀酸、氨基酸衍生物、重金屬鹽、水楊酸;還有一些病程相關(guān)蛋白被植物激素誘導產(chǎn)生,如細胞分裂素和生長素。病程相關(guān)蛋白在健康的植物中也有發(fā)現(xiàn),根、衰老的葉子、植物開花期間都發(fā)現(xiàn)有病程相關(guān)蛋白的表達。PRP的功能主要包括:攻擊病原物、降解細胞壁大分子釋放二級(內(nèi)源)激發(fā)子、分解毒素、結(jié)合或抑制病毒外殼蛋白等。?
3 PRP的基因結(jié)構(gòu)及基因表達調(diào)控
所有PRP均為多基因編碼,PRP同一基因家族的cDNA和DNA有數(shù)目不等的核苷酸順序同源;并有特定的功能分區(qū),包含啟動子、靶位和結(jié)構(gòu)功能序列。靶序最本質(zhì)的組分是反應(yīng)元件,有的還含有增強子序列,目前,已經(jīng)在一些植物PR基因的啟動子中鑒定到幾類重要的順式作用元件,如W盒、GCC盒和SA反應(yīng)元件As-1等。W盒存在于歐芹的?PR-1?和煙草的?CHN50?等基因的啟動子中。
PR基因的表達受病原菌侵染、植物發(fā)育階段、激素和光照等因素的調(diào)節(jié)。目前對引起PR基因表達的信號傳導途徑及PR基因的表達調(diào)控機理知之甚少。研究表明,PR 基因表達的基本機制是轉(zhuǎn)錄活化。不同基因家族可接受同一刺激信號而激活表達;對同一種刺激信號,不同家族的激活表達可是同步的和協(xié)調(diào)的,也可是相互抑制的。靶序?qū)Σ煌碳ば盘柋憩F(xiàn)出嚴格的選擇性,如番茄的3種PRP(p14a、β-l,3-葡聚糖酶和幾丁質(zhì)酶)對氨基丁酸的α、β、γ異構(gòu)體反應(yīng)的差別可以達到86% ,不少基因成員的上游區(qū)含不同長度的反向重復序列,對基因表達起調(diào)控作用;還含不同長度的內(nèi)含子,內(nèi)含子的長短與是否接受某種信號有關(guān)。
PRP可被外源激發(fā)因子和內(nèi)源激發(fā)因子所誘導,外源激發(fā)因子包括病原物、化學物質(zhì)、創(chuàng)傷以及從真菌提取的外源激發(fā)子等;內(nèi)源激發(fā)因子包括在植物體內(nèi)產(chǎn)生的誘導分子如乙烯、水楊酸(SA)、過氧化氫及從病原物或植物細胞壁上酶解產(chǎn)生的激發(fā)子等。乙烯和SA是研究較多的內(nèi)源信號。SA的積累常與PR基因的誘導表達相一致。NawrathL的研究發(fā)現(xiàn),合成SA的非等位基因突變能使整個植株對無毒(avirulent)和有毒(virulent)病原物更為敏感。與NaHG植株(編碼SA過氧化氫酶基因,能將SA分解成兒茶酚)比較,受到病原物感染時水楊酸缺失誘導突變體PR-1急劇減少,證明了SAR與SA的積累與PR-1的表達密切相關(guān)。此外,SA的積累能提高LePR1和LePR2的 mRNA含量。Eyal等證明乙烯強烈地激活堿性PRP基因的表達。
4 PRP和誘導抗性及系統(tǒng)性獲得抗性的關(guān)系
自從煙草中的一些病程相關(guān)蛋白如幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶被鑒定為具有潛在的抗真菌活性之后,病程相關(guān)蛋白參與植物系統(tǒng)獲得性抗性的結(jié)論被廣泛接受。轉(zhuǎn)基因等技術(shù)的運用,使PRP與植物抗病性關(guān)系的研究有了突破性進展。藍海燕用煙草堿性β-1,3-葡聚糖酶基因和菜豆堿性幾丁質(zhì)酶基因,構(gòu)建組成型表達載體獲得轉(zhuǎn)基因植物,發(fā)現(xiàn)其對赤星病的侵染具有較強的抵抗能力?垢邷兀℉TR)麥品種是一種對小麥條帶銹病低感染品種,HTR品種接種病菌后能見到典型的壞死性過敏反應(yīng),并伴隨著木質(zhì)素的積累,在HTR品種能檢測到6種PRP。Caruso carla用Fusarium culmorum接種小麥幼苗不僅誘導產(chǎn)生了PR-2、PR-3、PR-4蛋白,而且PR-9蛋白的活性增強;PRP抑制劑的使用能顯著加強病癥。
煙草對細菌和真菌等病原菌感染都產(chǎn)生PRP,并且未感染葉片中也出現(xiàn)這些蛋白,說明PRP和植物系統(tǒng)抗性密切相關(guān)。Neuenschwander等分析發(fā)現(xiàn),大多SAR蛋白屬于PRP。番茄的SAR蛋白至少由9個PRP家族組成,包括PR-1酸性異構(gòu)體(PR-la,PR-lb和PR-lc)、β-1,3-葡聚糖酶(PR-2a,PR-2b和PR-2c)、幾丁質(zhì)酶(PR-3a,PR-3b)、hevein-like蛋白(PR-4a和PR-4c)、類甜蛋白(PR-5a,PR-5c)、ClassⅢ幾丁質(zhì)酶的酸性和堿性異構(gòu)體、胞外β-1,3-葡聚糖酶和PR-1的堿性異構(gòu)體。在擬南芥中,SAR標記基因是PR-1、PR-2和PR-5,其表達可增強擬南芥對病毒Peronospora parastica的抗性。轉(zhuǎn)基因植物和植物突變體的研究表明,正是PRP的產(chǎn)生才導致了SAR的出現(xiàn)。
5 問題與展望
現(xiàn)在認為,PRP參與了植物的誘導抗病性,特別是幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶,但其作用機制尚不清楚。病程相關(guān)蛋白的作用方式是否類似于動物體內(nèi)的免疫蛋白, 還有哪些重要因子同時參與, 其信號轉(zhuǎn)導及基因表達的具體途徑怎樣, 如何從不同來源的PRP基因中找到能接受特定因子刺激的靶順序(Ts),并通過對TS序列的作用啟動植物對不同病原物的抗性,SAR和PRP的內(nèi)在關(guān)系如何, 這些均有待更多PRP結(jié)構(gòu)的解析、基因表達調(diào)控的闡明及PRP作用模式的建立。目前絕大多數(shù)的研究都是在體外進行的,還需要在植物體內(nèi)得到進一步驗證。轉(zhuǎn)基因植物將是一個很好的工具。 ?
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