植物抗病分子机制研究进展2

Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｐｌａｎｔｓ ｈａｖｅ ｎｏｔ ｂｅｅｎ ｐａｓｓｉｖｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆａｃｅ ｏｆ ｐｌａｎｔ－ ｐａｔｈｏｇｅｎｉｃ ｖｉｒｕｓｅｓ， ａｓｓａｕｌｔｓ， ｂｕｔ ｈａｖｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｅｌａｂｏｒａｔｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｄｅｆｅｎｃｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ， ｏｒ ｌｉｍｉｔ， ｄａｍａｇｅ ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｖｉｒａｌ ｉｎｆｅｃｔｉｏｎ． Ｐｌａｎｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｇｅｎｅｓ ｃｏｎｆｅｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｖａｒｉｏｕｓ ｐａｔｈｏｇｅｎｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｖｉｒｕｓｅｓ．Ｔｈｅ ｄｅｆｅｎｃｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｈａｔ ｉｓ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ａｆｔｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｖｉｒｕｓ ｉｓ ｓｔｅｒｅｏｔｙｐｉｃａｌ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｉｔ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｗｅｌｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ． Ｒ ｅｃｅｎｔｌｙ， Ｒ ＮＡ ｓｉｌｅｎｃｉｎｇ ｈａｓ ｇａｉｎｅｄ ｐｒｏｍｉｎｅｎｃｅ ａｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｅｌｌｕｌａｒ ｐａｔｈｗａｙ ｆｏｒ ｄｅｆｅｎｃｅ ａｇａｉｎｓｔ ｆｏｒｅｉｇｎ ｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｖｉｒｕｓｅｓ． Ｔｈｅｓｅ ｐａｔｈｗａｙｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏｎｃｅｒｔ ｔｏ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｇａｉｎｓｔ ｖｉｒｕｓ ｉｎｆｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｐｌａｎｔｓ．
物 细 胞 死 亡 基 因 Ａｐａｆ－１ 和 ＣＥＤ４ 相 对 应 的 序 列 十 分 类 似［３］， 这 些 序 列 也 被 叫 做 是 ＮＢ－ＡＲＣ 结 构 域 。亮 氨 酸 富 集 区 （ ＬＲＲｓ） 与 蛋 白 与 蛋 白 相 互 作 用 以 及 蛋 白与配基相互作用有关。
基 于 它 们 Ｎ 末 端 结 构 的 不 同ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ， ＮＢ－ＡＲＣ－ＬＲＲ 蛋 白 能 够 被 进 一 步 分 类 。ＴＩＲ－ＮＢ－ＡＲＣ－ＬＲＲ 蛋 白 在 Ｎ 末 端 有 一 个 白 细 胞 介 素 受 体 （ Ｔｏｌｌ ｉｎｔｅｒｌｅｕｋｉｎ－１ ｒｅｃｅｐｔｏｒ ＴＩＲ） 的 同 源 结 构 域 ［５］。 ＴＩＲ 结 构 域 十 分 保 守 。 另 一 类 ＣＣ－ＡＢ－ＡＲＣ－ＬＲＲ 蛋 白 Ｎ 末 端 有 一 个 （ ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ ＣＣ） 结 构 域 。
收稿日期： ２００６－１０－１１ 基金项目： 北 京 市 教 委 科 技 发 展 面 上 项 目 （ ＫＭ２００３１００２） ； 国 家 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目 （ ３０５７１０１０） 作 者 简 介 ： 王 文 娟 （ １９８１－） ， 女 ， 在 读 硕 士 研 究 生 ， 从 事 植 物 分 子 生 物 学 和 病 毒 学 研 究 ； Ｅ－ｍａｉｌ： ｗａｎｇｗｅｎｊｕａｎ１０１４＠１６３．ｃｏｍ 通 讯 作 者 ： 张 飞 云 ， 硕 士 生 导 师 ， 从 事 植 物 分 子 生 物 学 和 病 毒 学 研 究 ； Ｔｅｌ： ０１０－６８９８００９６， Ｅ－ｍａｉｌ： ｆｅｉｙｕｎ３９＠１２６．ｃｏｍ
表 １ 植物 Ｒ 基因和和它们所识别的病毒的无毒基因
尽管这些 Ｒ 蛋白结构十分类似， 但是它们功能却 不同。例如， 拟南芥 ＲＣＹＩ 和 ＨＲＴ 是等位基因， 它们编 码的蛋白序列有 ９１％的同 源性［６］， 但是它们却分别 抗 两种不同的病毒 即黄瓜花叶病毒 （ Ｃｕｃｕｍｂｅｒ ｍｏｓａｉｃ ｖｉｒｕｓ ＣＭＶ） 和 芜 菁 皱 缩 病 毒 （ Ｔｕｒｎｉｐ ｃｒｉｎｋｌｅ ｖｉｒｕｓ ＴＣＶ） ， 因此 Ｒ 蛋白具有结构相似性和功能多样性。 １．３ Ｒ 蛋白结构域功能
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生物技术通报 Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ
２００７ 年第 １ 期
部抗病的表现， 这种局部抗性继而又引发整株植物 对 病 原 的 广 谱 抗 性 ， 即 系 统 获 得 抗 性 （ ｓｙｓｔｅｍｉｃ ａｑｕｉｒｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓ ＳＡＲ） 。发 生 在 远 离 感 染 区 域 的 新 生组织， 序列相同或相似的病原菌不能感染这些组 织。 １．２ Ｒ 基因结构
·综 述 与 专 论·
生物技术通报
ＢＩＯＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＢＵＬＬＥＴＩＮ
２００７ 年第 １ 期
植物抗病分子机制研究进展
王文娟 张飞云
（ 首 都 师 范 大 学 生 命 科 学 学 院 ， 北 京 １０００３７）
摘 要： 植物抗病机制是目前研究的热点。在长期的进化过程中， 植物形成了一系列复杂有效的防御机制来抵御、破 坏病原物的侵染。植物抗病基因在植物抗性反应中起着重要的作用， 植物一旦监测到病原物马上起始防御反应， 并伴随着植 物体内一系列细胞和生理生化的变化。近年来， 基因沉默作为一个重要的细胞内防御外源核酸的机制， 越来越受到科学家重 视。综述了植物抗病基因和基因沉默机制在植物抗病反应中的重要作用， 并对研究植物抗病机制的前景做了展望。
关键词： 抗病基因 无毒基因 ＲＮＡ 沉默 抑制因子
Ｐｒ ｏｇｒ ｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
Ｗａｎｇ Ｗｅｎｊｕａｎ Ｚｈａｎｇ Ｆｅｉｙｕｎ
（ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｃａｐｉｔａｌ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｎｇ １０００３７）
Ｈａｒｏｌｄ Ｆｌｏｒ ［１２］研 究 了 亚 麻 抗 锈 病 的 遗 传 机 制 以
２００７ 年第 １ 期
王文娟等： 植物抗病分子机制研究进展
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及 亚 麻 锈 病 的 真 菌 病 理 学 ， 首 次 揭 示 了“ 基 因 对 基 因 假 说 ”（ ｇｅｎｅ－ｇｅｎｅ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ） 依 据 这 一 假 说 ， Ｎｏｅｌ ｋｅｅｎ ［１３］建 立 了 配 体－受 体 模 型 ， 即 对 于 植 物 的 每 一 个 主 效 抗 病 基 因 （ ｒｅｓｉｓｔｅｎｃｅ ｇｅｎｅ， Ｒ） ， 病 原 菌 上 就 存 在 一 个 相 应 的 决 定 毒 性 的 无 毒 基 因 （ ａｖｉｒｕｌｅｎｃｅ ｇｅｎｅ， Ａｖｒ） 。 这 一 对 匹 配 基 因 似 乎 控 制 着 这 一 相 互 作用的结果即病原与寄主亲和表现为抗病， 不亲和 表现为感病， 尽管有好多观察数据支持配体－ 受体 模 型 ， 但 它 并 不 是 Ｒ 蛋 白 和 Ａｖｒ 蛋 白 作 用 的 普 遍 机 制， 大多数情况下， 两基因产物直接相互作用的例 子还未有发现。
已 经 确 定 了 选 择 性 转 录 子 编 码 的 蛋 白 功 能 。首 先 ， ＮＬ 编 码 的 仅 有 ＴＩＲ－ＮＢ－ＡＲＣ 结 构 域 的 蛋 白 可 能 在病毒感染植株后与全长 Ｎ 蛋白相互作用， 这种 相 互 作 用 可 以 起 始 抗 病 反 应 的 信 号 传 导 ； 第 二 ， ＮＬ 和 ＮＳ 蛋 白 的 相 互 作 用 可 以 阻 止 异 常 Ｒ 蛋 白 的 信 号 传 导 。Ｎ 基 因 转 录 子 错 误 剪 切 的 植 物 丢 失 了 对 病 菌 的 抗 性 ， 但 其 机 理 未 知 ［１１］。 １．４ 无毒基因的识别
目前已经分析揭示了许多 Ｒ 蛋白的结构和功 能。对烟草 Ｎ 蛋白三个结构域分别进行突变， 植株 对烟草花叶病毒的抗性减弱， 揭示了 Ｎ 蛋白每一 个结构域对病原菌的识别和信号传导都有重要作 用 ［７］， 对 茄 属 植 物 （ Ｓｏｌａｎｕｍ ｔｕｂｅｒｏｓｕｍ） Ｒ 蛋 白 Ｒｘ１ 对 ＰＶＸ 的 抗 性 分 析 也 得 到 类 似 的 结 论［８］。
在过去的几十年中， 已经克隆得到一些植物抗 病 Ｒ 基 因 （ 表 １） ， 它 们 都 属 于 植 物 Ｒ 基 因 的 ＮＢ－ ＡＲＳ－ＬＲＲ 亚 家 族 ， 其 中 核 酸 结 合 位 点 （ ｎｕｃｌｅｔｉｄｅ－ ｂｉｎｇｄｉｎｇ ｓｉｔｅ ＮＢ） 结 构 域 和 其 相 临 的 序 列 与 后 生 动
为了鉴定 Ｒ 蛋白的特异性识别功能结构域。 科 学 家 对 亚 麻 Ｌ 基 因 进 行 了 分 析 。不 同 等 位 基 因 之 间 的 交 换 实 验 揭 示 了 ＬＲＲ 和 ＴＩＲ 结 构 域 对 蛋 白 的 识 别 有 重 要 作 用 ［９］。 对 ＲＣＹ１ 和 其 它 几 个 等 位 基 因 ＨＲＴ 和 ＲＰＰ８ （ 抗 寄 生 霜 霉 菌 Ｏｏｍｙｃｅｔｅ Ｐｅｒｏｎｏｓｐｏｒａ ｐａｒａｓｉｔｉｃａ 的 Ｒ 基 因 ） 的 分 析 也 证 实 了 行 使 特 异 性 识 别 功 能 的 几 个 氨 基 酸 残 基 都 在 ＬＲＲ 结
Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： Ｒ ｇｅｎｅ Ａｖｒ ｇｅｎｅ Ｒ ＮＡ ｓｉｌｅｎｃｉｎｇ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｏｒ
植物体内有一系列免疫机制抵抗病原菌侵染。 但是， 一旦病原菌成功躲避了这套防御机制， 疾病 就 爆 发 了 。２０ 世 纪 ９０ 年 代 ， 乌 干 达 国 家 木 薯 感 染 了 木 薯 花 叶 双 生 病 毒 （ Ｃａｓｓａｖａ ｍｏｓａｉｃ ｖｉｒｕｓｅｓ） ， 导 致 木 薯 产 量 降 低 ， 成 百 上 千 的 人 民 死 于 饥 荒［１］。２００３ 年 ， 非 洲 大 陆 有 １ ９００ 多 万 吨 木 薯 因 为 感 染 该 病 毒 而 减 产 ， 大 约 损 失 了 １９ 多 亿 美 元 ［２］。 由 此 可 见 ， 了 解植物防御机制对于促进农业生产提高世界粮食 产量具有重要意义。
其防御功能的？ 这一领域成为目前研究的热点。 ＲＮＡ 沉 默 是 植 物 抗 病 的 另 外 一 种 机 制 ， 这 一 机 制 同 样 受 到 科 学 家 越 来 越 广 泛 的 关 注 。Ｒ 蛋 白 和 ＲＡＮ 沉默是如何相互作用限制病原菌侵染的？ 我们综述 了植物抗病领域最新的进展， 并对研究植物抗病机 制的前景做了展望。