植物抗病基因的分子生物学研究进展

植物在长期的进化过程中,需要不断地抵抗病原微生物、昆虫甚至食草动物的侵害。在这种长期相互作用、相互影响的共进化过程中,植物逐渐获得了一系列复杂的防御机制来保护自己。这里既有专一性的抗性,也有非专一性抗性,有的表达是组成型的而有的是诱导型的。在植物抵抗病原侵染的过程中,关键环节是病原与寄主植物间的相互识别及其随后诱发的一系列反应。人们虽然对植物抗病机理及植物抗病性在生产应用等方面做了大量的工作,积累了相当多的资料,但由于一直未能克隆到植物的抗病基因,所以在90年代初期以前有关植物抗病性的分子生物学研究进展一直都很缓慢。而最近的几年里,人们克隆到了一些植物的抗病基因,使得对寄主-病原相互作用分子机理的研究得到迅速的发展,并为抗病基因在生产中的应用带来了新的前景。     

4种模式植物LRR VIII-2亚家族基因的鉴定和进化历史分析

全基因组重复与串联重复是发生基因重复的重要机制, 也是基因组和遗传系统多样化的重要动力。LRR-RLK编码富含亮氨酸重复的类受体蛋白激酶, 是被子植物进化史上发生大规模扩张而形成的多基因家族。拟南芥(Arabidopsis thaliana) AtLRR-RLK包含15个亚家族, AtLRR VIII-2是其中发生串联重复比例最高的亚家族。通过分析拟南芥、杨树(Populus trichocarpa)、葡萄(Vitis vinifera)和番木瓜(Carica papaya) 4种模式植物中LRR VIII-2亚家族基因的扩张及差异保留情况, 结果显示, LRR VIII-2在杨树中的扩张程度最高, 在拟南芥和葡萄中的扩张程度居中, 但在番木瓜中发生丢失。拟南芥、杨树和葡萄LRR VIII-2亚家族具有旁系同源基因对, 但在番木瓜中未发现旁系同源基因。除杨树中的1对旁系同源基因外, 4种模式植物中LRR VIII-2亚家族的旁系和直系同源基因都受到较强的纯化选择作用。对LRR VIII-2亚家族进化历史的深入分析有助于理解基因重复在植物进化中的作用和意义, 可为预测同源基因功能及解析其它基因家族进化历史提供参考。     

植物抗病基因克隆研究进展

随着分子生物学及其相关技术的飞速发展,人们对植物与病原微生物相互作用的分子机制了解得越来越透彻。本文对植物过敏性反应和系统获得抗性作了简要概述,并着重讨论了植物抗病基因克隆的进展,涉及到转座子标签技术、定位克隆技术、染色体步行、染色体登陆等方法和策略,归纳了克隆到的植物抗病基因及其产物结构,概述了这些基因产物所共有的特点,并简要介绍了植物抗病基因工程的进展。     

植物NBS类抗病基因的进化

NBS(Nucleotide-binding site)类抗病基因是植物中最重要的一类抗病基因, 其进化模式、结构特点和功能调控一直是抗病基因研究领域的热点。这类基因具有保守的结构域, 广泛存在于植物基因组中, 在不同植物基因组中数目差异较大且具有较低的表达量。此外, 同源NBS类抗病基因之间通过频繁的序列交换产生广泛的序列多样性, 且抗病基因位点具有较差的线性。依据基因之间序列交换的频率, 抗病基因可分为TypeⅠ和TypeⅡ两类。文章从抗病基因的结构、数量、分布、序列多样性、进化模式以及表达调控等方面进行了综述, 旨在为后续NBS类抗病基因的相关研究提供参考。     

植物富含亮氨酸重复序列型类受体蛋白激酶的生物学功能

介绍了植物富含亮氨酸重复序列(leucine-rich repeat,LRR)型类受体蛋白激酶概念、最近发现的这类蛋白激酶的亚结构域特征;总结了目前已确定其功能的LRR型类受体蛋白激酶,并分别阐述了它们在参与植物抗逆性反应、发育调控及激素的信号转导等过程中的生物学功能;着重介绍和讨论了LRR型类受体蛋白激酶复合物之间及其与下游成分KAPP之间互作而产生信号传递的分子机理.最后展望了LRR型类受体蛋白激酶生物学功能、信号转导机制、以及应用于生产实践的研究前景.     

植物NLR基因的表达调控及应用策略

含有一个核酸结合位点以及富含亮氨酸重复序列(nucleotide-binding leucine rich repeats,NLR)类抗性基因在植物免疫中发挥重要作用。该文综述了近年来植物NLR基因的结构和功能特点,在转录、转录后、翻译水平的表达调控,植物NLR基因在增强作物抗性中的应用策略方面的研究进展。植物NLR基因表达调控的研究有助于揭示其分子作用机制,增加对NLR基因信号传导过程的了解;植物NLR基因应用策略的研究在开发抗性作物新品种中有较强的应用价值。     

玉米类受体蛋白激酶基因ZmLRRPK1的cDNA克隆与表达分析

富亮氨酸重复区的类受体蛋白激酶(LRR-RLKs)在植物对多种信号的响应中发挥作用。应用电子克隆的方法在玉米中克隆了一个LRR-RLKs类基因的全长cDNA,命名为ZmLRRPK1（GenBank接受号为EU873320）。推断的ZmLRRPK1蛋白含有594个氨基酸,分子量为66kDa,等电点pI为5.42,具有典型的LRR-RLKs结构域。半定量RT-PCR结果表明,在ABA、甘露醇和氯化钠的诱导下,ZmLRRPK1在玉米胚芽鞘中表达并在24 h内保持较高的转录水平。     

水稻全基因组编码抗病基因同源序列分析

利用模糊搜索的方法,在TIGR水稻日本晴基因组数据库(TIGR Rice Genome Annotation-Release5)中识别出565个编码抗病蛋白质的同源序列;利用识别出565个编码抗病蛋白质序列分别与籼稻基因组数据库进行BLASTP联配,共确定320个对应的等位基因。通过在线生物信息学软件,识别了这565个抗病基因的保守结构域、保守模体和DNA序列内转座子元件,其中有14个抗病基因同源序列注释错误。同时绘出了这些基因的基因组分布,并基于这些基因的同源树分析和基因组物理分布,认为基因的原位和远程复制事件产生了抗病基因的现存分布和多样性,其中转座子在复制过程中扮演了重要角色。这些对抗病机制研究和抗病基因进化研究以及抗病基因的转育具有重要意义。     

MAPK和活性氧参与植物抗病防卫反应的信号转导

促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联途径和活性氧参与调控植物过敏性细胞死亡。本文介绍促分裂原活化蛋白激酶级联途径在植物抗病防卫反应信号转导中的作用研究进展,并对活性氧积累与MAPK之间的关系作了分析。     

植物类过敏反应介导的抗病研究进展

很多植物通过过敏反应产生广谱抗病性,类过敏反应发生机制的解析以及相关基因的研究对培育广谱抗病品种、提高作物的适应性和稳产性具有重要意义。植物类过敏反应介导的抗病性可大致分为活性氧迸发、信号分子的传递以及抗病系统的激活三个阶段,对这三个阶段的最新研究进展进行了综述,以期为植物抗病相关研究提供参考。     

The evolution of disease resistance genes

Several common themes have shaped the evolution of plant disease resistance genes. These include duplication events of progenitor resistance genes and further expansion to create clustered gene families. Variation can arise from both intragenic and intergenic recombination and gene conversion. Recombination has also been implicated in the generation of novel resistance specificities. Resistance gene clusters appear to evolve more rapidly than other regions of the genome. In addition, domains believed to be involved in recognitional specificity, such as the leucine-rich repeat (LRR), are subject to adaptive selection. Transposable elements have been associated with some resistance gene clusters, and may generate further variation at these complexes.     

三浅裂野牵牛NBS类抗病基因同源序列的克隆与分析

NBS类植物抗病基因保守结构域的克隆为利用简并引物扩增抗病基因同源序列提供了可能.根据抗病基因Gro1-4、Gpa2、N等的P-loop和GLPL保守结构域设计简并引物,分离甘薯近缘野生种三浅裂野牵牛NBS类型抗病基因同源序列,共获得6条相关序列,核苷酸序列的相似性为48%~97%,推测氨基酸序列的相似性在25.2%~95.1%之间.系统进化分析表明,6条三浅裂野牵牛RGA序列可分为2个不同的类群:TIR-NBS和non-TIR-NBS.三浅裂野牵牛RGA序列与源自甘薯的RGA序列有很高的相似性,这在一定程度上反映了三浅裂野牵牛与甘薯之间的亲缘关系.分离的6条RGA序列分别命名为ItRGA1~ItRGA6,GenBank登录号分别为DQ849027~DQ849032.     

Gene conversion and the evolution of three leucine-rich repeat gene families in Arabidopsis thaliana

The high number of duplicated genes in plant genomes provides a potential template for gene conversion and unequal crossing-over. Within a gene family these two processes can render all members homogeneous or generate diversity by reassorting variants among paralogs. The latter is especially feasible in families where gene diversity confers a selective advantage and thus conversion events are likely to be retained. Consequently, the most complete record of gene conversion is expected to be most evident in gene families commonly subjected to positive selection. Here, we describe the extent and characteristics of gene conversion and unequal crossing-over in the coding and noncoding regions of nucleotide-binding site leucine-rich repeat (NBS-LRR), receptor-like kinases (RLK), and receptor-like proteins (RLP) in the plant Arabidopsis thaliana. Members of these three gene families are associated with disease resistance and their pathogen-recognition domain is a documented target of positive selection. Our bioinformatic approach to study the major family features that may influence gene conversion revealed that in these families there is a significant association between the occurrence of gene conversion and high levels of sequence similarity, close physical clustering, gene orientation, and recombination rate. We discuss these results in the context of the overlap between gene conversion and positive selection during the evolutionary expansion of the NBS-LRR, RLK, and RLP gene families.     

Illegitimate recombination is a major evolutionary mechanism for initiating size variation in plant resistance genes

Current models for the evolution of plant disease resistance (R) genes are based on mechanisms such as unequal crossing-over, gene conversion and point mutations as sources for genetic variability and the generation of new specificities. Size variation in leucine-rich repeat (LRR) domains was previously mainly attributed to unequal crossing-over or template slippage between LRR units. Our analysis of 112 R genes and R gene analogs (RGAs) from 16 different gene lineages from monocots and dicots showed that individual LRR units are mostly too divergent to allow unequal crossing-over. We found that illegitimate recombination (IR) is the major mechanism that generates quasi-random duplications within the LRR domain. These initial duplications are required as seeds for subsequent unequal crossing-over events which cause the observed rapid increase or decrease in LRR repeat numbers. Ten of the 16 gene lineages studied contained such duplications, and in four of them the duplications served as a template for subsequent repeat amplification. Our analysis of Pm3-like genes from rice and three wheat species showed that such events can be traced back more than 50 million years. Thus, IR represents a major new evolutionary mechanism that is essential for the generation of molecular diversity in evolution of RGAs.     

A Nicotiana benthamiana receptor-like kinase regulates Phytophthora resistance by coupling with BAK1 to enhance elicitin-triggered immunity

Cell-surface-localized leucine-rich-repeat receptorlike kinases(LRR-RLKs) are crucial for plant immunity.Most LRR-RLKs that act as receptors directly recognize ligands via a large extracellular domain(ECD),whereas LRR-RLK that serve as regulators are relatively small and contain fewer LRRs.Here,we identified LRR-RLK regulators using high-throughput tobacco rattle virus(TRV)-based gene silencing in the model plant Nicotiana benthamiana.We used the cell-death phenotype caused by INF1,an oomycete e...     

隐地蛋白(cryptogein)基因定点突变及其广谱抗病烟草转化植株的获得

用PCR法从隐地疫霉 (Phytophthoracryptogea)基因组DNA中克隆了cryptogein(Cry)基因。将Cry基因的 13位赖氨酸 (K)突变成缬氨酸 (V) ,获突变基因CryK13V ,并将其构建于CaMV35S启动子控制的植物表达载体上。通过农杆菌介导的叶盘转化法转入烟草 ,经卡那霉素抗性筛选获 33株再生植株 ,PCR检测和Southern杂交分析表明CryK13V基因已整合到烟草基因组中。接种试验结果表明 ,转基因烟草植株对黑胫病菌、赤星病菌和野火病菌等的抗性均有提高。Northern杂交分析表明 ,微弱的CryK13V基因在转化植株中的表达就足以激活PR1和OPBP1等防卫反应相关基因的表达 ,而且表达丰度与转基因植株的抗病性有着一定的正相关性。研究结果还表明 ,隐地蛋白13位上的赖氨酸在诱导细胞死亡中起着关键的作用。     

植物抗病反应的信号传导网络

植物由抗病基因介导的防卫过程存在一系列生理生化和分子生物学反应,这些反应从病原菌侵染点开始的超敏反应(HR)并延伸到远处组织的系统抗性或获得性抗性(SAR),受制于一种信号传导网络的调控。这个信号系统由抗病蛋白和病原菌非毒性蛋白在一种配体-受体的互作模式下激发,并由信号分子H2O2,NO和系统信号分子SA,JA和乙烯和通过关键调控基因传递和放大,最终诱导一系列防卫反应基因的表达和代谢的变化而产生抗性。植物防卫信号的产生有类似于动物免疫系统因子的介导,并可由非寄主病原菌或诱导子诱发。这些信号途径所产生的广谱抗性为植物抗病基因工程的应用奠定了基础。     

植物抗病基因的研究进展

近年来,已有１０多个植物抗病基因被克隆并定序。植物抗病基因编码的蛋白,大多含有富氨酸重复单位（ＬＲＲ）和核苷酸结合位点（ＮＢＳ）等结构。在植物与病原物的互作中,这些蛋白可作为受体识别由病原物无毒基因编码的激发子,从而激发一系列防卫反应,使植物表现出抗病性。克隆的植物抗病基因可用于培育基因工程植株而大大加快育种速度。本文对目前植物抗病基因研究中存在的问题及发展前景也进行了探讨。     

Evolution of eukaryotic genome architecture: Insights from the study of a rapidly evolving metazoan, Oikopleura dioica: Non-adaptive forces such as elevated mutation rates may influence the evolution of genome architecture

Recent sequencing of the metazoan Oikopleura dioica genome has provided important insights, which challenges the current understanding of eukaryotic genome evolution. Many genomic features of O. dioica show deviation from the commonly observed trends in other eukaryotic genomes. For instance, O. dioica has a rapidly evolving, highly compact genome with a divergent intron-exon organization. Additionally, O. dioica lacks the minor spliceosome and key DNA repair pathway genes. Even with a compact genome, O. dioica contains tandem repeats, comparable to other eukaryotes, and shows lineage-specific expansion of certain protein domains. Here, we review its genomic features in the context of current knowledge, discuss implications for contemporary biology and identify areas for further research. Analysis of the O. dioica genome suggests that non-adaptive forces such as elevated mutation rates might influence the evolution of genome architecture. The knowledge of unique genomic features and splicing mechanisms in O. dioica may be exploited for synthetic biology applications, such as generation of orthogonal splicing systems.