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1、植物与病原物互作相关基因 Plant and Pathogen Interaction Relative Genes yog 摘要植物与病原菌互作是一个复杂的过程本文从分子生物学角度分别对植 物和病原物在互作过程中起重要作用的相关基因Avirulence gene, Resistance gene, Hrp gene, Harpin binding protein gene及其产物进行了介绍并试图将 他们归纳到一个完整的模式中 关键字植物病原物互作基因, avr, R gene, hrp, HrBP1 植物与病原物的互作类型受基因型组合调控并与生化特征相关在寄主抗病/感病等位 基因和病原物的无
2、毒/毒性基因互作中寄主抗病基因和病原物无毒基因都为显性在自然 状况下植物抗病表型是普遍的而感病表型仅在特定情况下发生一种病原物所能侵染的 植物在植物界总是少数多数植物是非寄主对病原物侵染表现抗性反应 图 1. 植物表现感病或是抗病取决于病原物的致病因子和植物防御之间的竞争病原物致病因子 强于植物的防御反应则植物表现感病病原物致病因子弱于植物的防御反应则植物表现抗病 在经典遗传学中植物与病原物互作被看作是由基因型控制的植物抗病性常常是由来源于植物的抗病基因 Rresistance与相应的来源于病原物的无毒基因 avravirulence互作所决定的即基因对基因学说gene-for-gene th
3、eoryFlor, 1971这种病原物与寄主之间的基因对基因的识别机制被描述为受体-配体模式见图 2a 另外一类的非小种特异性的互作就是由 hrp 基因簇编码的 harpin 蛋白与 harpin 蛋白的受体互作引起植物非特异性的防卫反应图 3 图 2基因对基因模式的生化图解 a经典的受体配体模式Avr蛋白与相匹配的R蛋白之间直接互作引起防卫反应 (b) 共受体模式Avr 蛋白首先连接到一个共受体的高度亲和位点上(C), 后者与R蛋白互作激发防卫反应(双箭头表示) (c) 看守模式抗病蛋白保卫着相应的致病性靶标(P). (d) 依赖于蛋白酶的防卫激发反应有几种细菌真菌和病毒的avr 基因编码蛋
4、白酶,它们对寄主蛋白的裂解作用诱导了植物的防卫反应 R, R蛋白; X, 蛋白酶靶标; AP, 非原质体; PM,质膜; CY,细胞质. 图 3 植物与病原物互作的分子作用机理 下面我们将分别介绍植物与病原物互作过程中几类重要的基因及其产物 一一病原物无毒基因及其产物病原物无毒基因及其产物 基因与基因互作中 病原物的无毒基因是指与寄主抗病基因互作 其产物是与寄主抗病基因产物互补的基因Keen et al.,1990无毒基因是决定对寄主植物特异性不亲和的基因也称为寄主专化性基因或反向调节寄主范围的基因在病原物与寄主植物之间存在的基因对基因关系中病原物无毒基因产物与寄主中相应抗病基因产物互作从而导
5、致不亲和反应使病原物在植物中的定殖和扩展受到抑制甚至在侵染初期就破坏了亲和关系病原物无毒基因主要决定对植物不同品种的无毒性有时也决定对不同种植物的无毒性 从植物病原细菌 真菌和病毒中都发现存在与相应的寄主植物抗病基因互作的无毒基因一般认为无毒基因编码的特异性激发子是与抗病基因产物受体特异性结合的配体Gabriel et al.,1990 无毒基因直接或间接产物作为激发子与相应抗病基因产物识别并诱导寄主的防卫反应从而表现小种品种互作的不亲和性无毒基因失活或缺乏相应的无毒基因则表现小种品种互作的亲和性反应 目前发现的所有无毒蛋白都是由 hrp 基因簇编码的型通道系统所分泌的利用农杆菌在植物体内表达
6、 avr 基因可以引起依赖于 R 基因的 HR这间接的表明无毒蛋白是被转运至植物细胞内 1细菌的无毒基因 细菌的无毒基因 无毒基因存在与否决定着病原菌能否入侵含相应抗病基因的寄主植物或入侵后细菌能否大量增殖典型的诱导抗病性反应是过敏性反应HR它引起一种快速局部的细胞死亡伴随着受侵染植物组织中的细菌生长受抑制迄今为止已有超过 40 种细菌的无毒基因被克隆测序这些无毒基因主要来源于假单胞属 Pseudomonas 和黄单胞属 XanthomonasVvivan et al.,2000它们位于染色体或质粒上编码亲水性可溶蛋白并不具有典型的信号肽大部分无毒基因只存在于特定病原菌中的某些小种中它们的缺失
7、并不导致致病性的丧失 尽管很多细菌的无毒基因已分离到 但是除了 avrBs3 和 avrRxv/yopJ(YopJ, Yesinia protein J)家族外大部分没有或只有很少的同源性 11 avrBs3 基因家族基因家族 avrBs3 是 avrBs3 基因家族中第一个被发现的基因它来源于 Xanthomonas campestris pv. vesicatoriaX.c.v编码一个 1.22104的蛋白质具有 17.5 个完全相同的 34 个氨基酸序列重复avrBs3 基因家族分布于 Xanthomonas 和 Ralstonia solanacearumhttp: /sequence
8、.toulouse.inra.fr/R.solancearumavrBs3 家族中有一些基因具有双功能avrBs3 基因家族成员有以下共同点它们可以在抗性寄主上引起HRBonas et al.,1989De Feyter et al.,1993在感病寄主上加重水渍状症状或引起溃疡状/肿瘤状毒性症状Yang et al.,1994Swarup et al.,1991它们具有序列同源性Bonas et al.,1993Hopkins et al.,1992avrBs3 基因家族成员在结构上的一个典型特征是它们在其中心区域都含有一个由 34 个氨基酸串联的重复区域 它们的不同在于重复单元的数目不同1
9、3.5-25.5 个Lahaye et al.,2001见图 4a 图 4 (a) X.c.v 的 AvrBs3 无毒蛋白结构, 中心区域由 17.5 几乎一样的 34 个氨基酸重复构成. C 末端含两个有功能核定位信号(NLS) 和一个酸性转录激活区(AAD)(b) 决定 AvrBs3 类蛋白的毒性与无毒性的分子机制理论模式AvrBs3 类蛋白通过细菌的 III 型泌出系统转运进植物细胞NLSs 与 importin 互作, 后者又与 importin 结合将 AvrBs3 类蛋白运输到核内 AvrBs3 通过和 DNA 的直接或间接互作来调节寄主的转录AvrBs3 及其同源物的识别常常依赖
10、于 NLSs, 这暗示着相应的 R 蛋白e.g. 辣椒( Capsicum annuum) Bs3是存在于核中的但是有一些 R 蛋白可能是在细胞质中识别 AvrBs3 类蛋白(e.g. 番茄的Bs4). HR, hypersensitive response. 1. 2 AvrRxv/yopJ 家族家族 已经分离的 R 基因编码的蛋白产物有着结构上的相似性例如富含亮氨酸重复Toll-白介素-1 受体类功能域Ser/Thr 激酶等在昆虫和哺乳动物寄主防卫反应途径中也发现这些功能域Staskawicz et al.2001Dangl et al.2001Cohn et al.2001因此在进化中来
11、源于共同祖先的植物和动物可能拥有一种天生固有的免疫能力Hoffmann et al.1999有意思的是有一类型分泌系统的效应子在动物和植物病原物中都是保守的Galan et al.1998AvrRxv/yopJ 家族中最先分离到的成员是来源于植物病原物Xanthomonas campestris pv. vesicatoria的 AvrRxv和 来 源 于 Yersinia Pseudotuberculosis 的 YopJLahaye et al.2001该家族还包括哺乳动物病原菌 Y. enterocoliticaYopP (Mills et al.1997)植物病原菌 X.c.vAvrB
12、sT(Ciesiolka et al.1999)AvrXv4(Astua-Mconge et al. 2000)Pseudomonas syringaeORF5(Alfano et al.2000)AvrPpiG(Arnold et al.2001)Erwinia amylovoraBogdanove et al.1998以及植物共生菌 Rhizobium spp.y410(Freiberg et al.1997) 2 .病毒的无毒基因 病毒的无毒基因 植物病毒的无毒基因编码着病毒的重要组分例如病毒衣壳蛋白复制酶蛋白以及运动蛋白等病毒基因产物的确定主要是通过 2 种方法一是通过对能克服抗病基因
13、功能的病毒株系及引起过敏性反应株系的序列比较分析二是人为构建能引起 HR 的病毒基因的结构突变观察在植物体内表达后是否导致过敏性反应的发生 研究发现一种病毒可诱发多种植物产生 HR 同种病毒无毒因子可以诱导不同的抗病基因介导的 HR如胡椒轻型班驳病毒Pepper mild mottle virus的外壳蛋白诱导胡椒抗病基因 L2和 L3介导的 HR 这些不同的抗病蛋白是否识别同一外壳蛋白的不同位点有待进一步证实此外氨基酸序列差异大血清学上相关性小的不同病毒外壳蛋白均可诱发同一抗病基因介导的 HR如 TMV齿兰环斑病毒Odontoglossum ringspot virus, ORSV和黄瓜绿斑
14、驳花叶病毒Cucumber green mottle mosaic virus, CGMMV的外壳蛋白均可诱导 N. sylvestris N介导的 HRTaraporewala et al.1997 3.真菌的无毒基因真菌的无毒基因 迄今只从为数不多的几种真菌中克隆到了一些无毒基因,主要是由于缺乏简便有效的克隆方法目前得到的少数基因也多数是通过反向遗传方法克隆得到的大部分真菌 avr 基因是从能在植物组织胞内定殖的真菌中克隆到的Lauge et al.,1998与病原物的定殖一样这些 Avr 蛋白被注射到胞间区域外质体中可诱导 HR 反应 主要包括番茄叶霉菌Cladosporium fulv
15、um无毒基因avr9 和 avr4稻瘟菌Magnaporthe grisea 无毒基因AVR-Pita以前被称为 Avr2-YAMO第二类无毒基因编码物种特异性抗性激发子称为 PWL 激发子以及大麦云纹病菌 Rhynchosporium secalis无毒基因另外其它真菌的无毒基因的克隆也在进行之中包括编码豇豆锈菌Uromyces vignae 品种特异性激发子的基因亚麻锈菌 M. lini 无毒基因十字花科黑胫菌Leptosphaeria maculans 无毒基因 avrLm1以及 M. grisea 无毒基因 avr1-Co39avr1-MARAavr1-Irat7avr1-Mednoi
16、 和 avr1-Ku86Lauge et al.1998Dioh et al.2000 4卵菌无毒基因卵菌无毒基因 卵菌是完全不同于真菌的真核植物病原生物Elicitin 蛋白是一类由疫霉属Phytophthoa和腐霉属Pythium的某些种产生的低分子量蛋白其中有些已被证实具有无毒激发子活性 5在植物防卫反应中的蛋白酶类在植物防卫反应中的蛋白酶类 Avr 蛋白蛋白 有争议的是来源于病毒细菌和真菌病原物中的一些 avr 基因可能编码蛋白酶类基因图 2dR 蛋白可能是起防卫寄主蛋白的作用或者它们本身会受到蛋白酶裂解作用推测的 AVR-Pita 蛋白酶和 Pi-ta R 蛋白可能就是后一种情况R 蛋白含有蛋白酶酶切位点当酶切发生后 它就会被切成为植物防卫反应的激发子 也可能 R 蛋白组成防卫反应负调控因子并被 AVR 蛋白酶降解时就诱导了植物防卫反应图 2d但是后一种模式不太可能大部分 R 基因是显性而不是隐性的 二二植物植物 R 基因及其产物基因及其产物 1不同结构的不同结构的 R 基因介导相似的防卫反应信号传导过程基因介导相似的防卫反应信号传导过程
