禾本科植物NBS-LRR类抗病基因结构、功能和进化研究进展

禾本科植物是粮食的主要来源,NBS-LRR类抗病基因作为抗病基因数目最多的家族,在植物抵御病虫害中起着关键作用。为了深入研究NBS-LRR抗病基因,本研究介绍了禾本科植物NBS-LRR类抗病基因的结构与功能、分类和数量,抗病基因的分布及进化模式。同时对该类基因的研究前景进行了展望,提出需要深入研究的问题。     

禾本科植物NBS-LRR型抗病基因的进化分析

运用生物信息学方法分析了禾本科植物水稻、高粱、二穗短柄草、玉米中NBS-LRR型抗病基因的进化特征,发现NBS-LRR型抗病基因在染色体上分布不均等,且大部分都位于基因簇中。NBS-LRR型抗病基因产生新基因的方式主要是串联重复,并且串联重复发生的概率与抗病基因所在基因簇的大小有关。NBS-LRR型抗病基因之间几乎不具有共线性,一方面,可能是由于抗病基因在进化的过程中发生了基因丢失造成的;另一方面,可能是由于抗病基因的进化速率较快导致基因间差异较大造成的。系统发育分析表明NBS-LRR型抗病基因在禾本科的祖先物种中就已经存在,4个物种分离之后抗病基因家族在每个物种中按照物种特异性的方式进行了扩张,其中串联重复对4个物种中抗病基因家族的扩张起到了重要的作用。     

东乡野生稻NBS类抗病基因同源片段的克隆及序列分析

根据已知的NBS-LRR 类抗病基因结构中氨基酸的保守区域,设计简并引物,通过RT-PCR扩增及克隆,从东乡野生稻(Dongxiang Oryza rufipogon Griff.)中共获得7个新的NBS-LRR 类抗病基因同源片段.所有7 个抗病基因同源序列均含有NBS-LRR 类抗病基因的保守序列,如P-loop、...     

烟草NBS-LRR类抗病基因同源序列的克隆及分析

通过同源克隆法获得烟草抗病基因同源序列(RGAs),为烟草抗病基因的筛选和相关研究提供帮助。基于抗病基因的NBS-LRR保守结构域,筛选并合成了3对简并引物,扩增烟草中的NBS-LRR类抗病基因。获得了4条与抗病基因具有高度同源性的NBS-LRR类烟草抗病基因同源序列(TRGA,登录号:MK634316,MK634317, MK634318, MK634319),目的片段大小均在500 bp左右;BLAST X分析表明,获得的4个烟草RGAs与已知RGAs具有高度相似性,氨基酸相似性为97%～100%;聚类分析将其分成2大类,包括TIRNBS-LRR和non-TIR-NBS-LRR两类抗病基因,其编码氨基酸序列含有NBS保守区的典型特征基序。通过简并引物进行同源扩增是分离烟草RGAs的有效方法,可为进一步抗病基因筛选及抗病分子育种奠定基础。     

香蕉NBS-LRR类抗病基因同源序列的克隆与分析

根据已知植物抗病基因的保守区域设计引物,从香蕉基因组DNA扩增出一条与植物抗病基因同源的序列,命名为BRGA1,该同源片段含有典型的NBS-LRR类抗病基因所拥有的保守性结构p-loop、Kinase-2a、Kinase-3a和疏水结构域HD,它与部分已知NBS-LRR类抗病基因的氨基酸序列同源性为23.8%-42.7%。Northern杂交表明BRGA1在香蕉中受水杨酸调控,属诱导型表达。     

豆科抗病基因NBS-LRR进化的多基因组比对分析

NBS-LRR是植物抗病基因家族中一类重要的基因,根据编码的蛋白质氨基端的保守结构域不同,可分为CC-NBS-LRR和TIR-NBS-LRR两类基因。本研究在10个已测序豆科植物中对NBS-LRR进行序列比对,鉴定了各基因组中两类结构域基因的同源拷贝,发现在蒺藜苜蓿中包含1 207个NBS-LRR基因的同源拷贝,在10个基因组中同源拷贝数最多;并且其中88.2%的NBS-LRR基因是具有CC结构域。基因组同源共线分析,发现全基因组加倍有利于抗病基因拷贝数的扩增,为家族基因序列和功能多样化提供了创新资源。基于NBS-LRR基因系统发育分析,发现抗病基因存在大量串联重复,并基于进化树拓扑结构的变迁揭示抗病基因在不同的基因组中进化速率不同;另外,通过对旁系同源基因对间的核苷酸同义替换率(Ks)比较,进一步证实不同结构的抗病基因进化速率不同;同一结构的抗病基因在不同基因组中进化速率也表现有明显差异,与其他豆科物种相比,大豆抗病基因进化速率一直处于较低水平。研究结果为揭示抗病基因在豆科植物中的进化过程提供了重要的基因组信息学基础,对于在全基因组范围认识泛豆科抗病基因进化具有重要的意义。     

三浅裂野牵牛NBS-LRR类抗病基因的鉴定和分析

植物抗病R基因在植物抵抗细菌、病毒、真菌等病原体过程中发挥重要作用,NBS-LRR类基因是R基因中最大的一类。三浅裂野牵牛作为甘薯的近缘野生种,是甘薯育种重要的抗病基因资源。本研究对三浅裂野牵牛基因组序列使用Snap软件预测全基因组蛋白质序列,应用生物信息学方法在蛋白质序列中鉴定和分析NBS-LRR家族基因,得到三浅裂野牵牛NBS-LRR家族基因的数量、染色体上的分布图、结构域特点和进化树。从三浅裂野牵牛的110 626个基因中,筛选到361个编码NBS-LRR类蛋白的基因,其中N型50个,NL型128个,TNL型46个,CNL型136个,RNL型1个。三浅裂野牵牛的15条染色体上均分布有NBS-LRR家族基因,基因最多的染色体有51个,最少的有2个,共有58个基因簇,包含了53.7%的NBS-LRR家族基因。CNL亚家族在NB-ARC结构域有7个保守结构域,TNL亚家族有10个保守结构域。本研究对三浅裂野牵牛的NBS-LRR家族基因的鉴定与分析,为后续研究抗病基因功能与甘薯抗病的分子育种提供重要参考。     

棉花多抗品种中植棉KV-1抗病基因同源序列的克隆与分析

 许多抗病基因都具有核苷酸结合位点（NBS）和富亮氨酸重复区（LRR）。根据已知的NBS-LRR类抗病基因的保守序列,分别设计一对简并引物和一对特异引物,用以扩增棉花基因组中的抗病基因同源序列。获得一条大小约500 bp的扩增片段,克隆测序后得到10条NBS-LRR类RGAs。推导的氨基酸均具有抗病基因的P-loop（kinase-1a）、kinase-2、kinase-3a及GLPL区。同源性比较发现,其中1条属于TIR-NBS LRR类,其余9条属于non-TIR-NBS-LRR类。1条TIR-NBS-LRR类RGAs与已克隆的N、L6、M等抗病基因的同源性为51%~60%,9条non-TIR-NBS-LRR类RGAs与已克隆的RPS5、RPR1、Xa1等抗病基因的同源性为51%~60%。这些抗病基因同源序列（RGAs）可作为分子标记筛选棉花的抗病候选基因。     

三种野生稻候选抗病基因的克隆与分析

候选抗性基因克隆策略是克隆植物新抗性基因的重要途径.根据已知NBS-LRR类抗病基因结构中的氨基酸保守区域,设计兼并引物,通过RT-PCR扩增、克隆和测序,从茶陵野生稻,东乡野生稻和小粒野生稻中共获得了11条NBS-LRR类抗病基因同源序列.通过聚类分析可将同源序列分为3类,其中茶陵野生稻中得到1类,东乡野生稻中得到2类,而小粒野生稻中得到3类.但是小粒野生稻包含有其他两种野生稻的序列.三类序列都与水稻抗病基因RPR1具有较高的同源性,有一类氨基酸序列同源性甚至高达88%,可能为其家族成员.利用电子定位将三类序列定位在水稻基因组11号染色体上RPR1附近.根据序列比对分析结果认为其中可能有1～2个新抗病基因.     

玉米自交系B73全基因组NBS类型抗病基因分析

核苷酸结合位点(NBS)类型抗病基因是植物抗病基因中最大的一个类别,也是近年来植物抗病分子育种研究的一大热点。本研究对玉米自交系B73全基因组中含有NBS结构的候选抗病基因进行了基因总数、类型、系统进化关系等分析。在B73全基因组中含有165个NBS结构的基因,远远少于水稻中的同类基因,按照N-端结构和亮氨酸富集区(LRR)结构, 将其分为153个标准结构和12个非标准结构NBS基因。其中,标准结构基因又分为CC-NBS-LRR、CC-NBS、NBS、NBS-NBS、 NBS-LRR、NBS-NBS-LRR、NBS-X、X-NBS等8个类型。系统进化树分析表明,NBS类型抗病基因存在明显的两大分支,与水稻的星状发散型分布有很大差异。通过基因家族分析,还发现了玉米NBS类型基因的复制现象,但发生复制的基因比例低于水稻,可能是造成玉米NBS抗病基因数目较少的原因之一。     

甘薯基因组NBS-LRR类抗病家族基因挖掘与分析

NBS-LRR类基因家族是植物抗病R基因(Resistance gene)数量最多的一类,具有NBS (Nucleotide-binding site)和LRR (Leucine-leucine-repeat)结构域。甘薯(Ipomoea batatas)栽培种基因组已完成测序,但尚未注释,本研究对甘薯基因组序列进行外显子预测,得到甘薯染色体组全基因组蛋白序列,在此基础上进一步对NBS-LRR家族基因鉴定和分析表明,甘薯基因组中含有379个NBS-LRR家族基因,占全基因组基因总数的0.212%,其中N型亚家族120个,NL型103个, CNL型133个, TNL型22个, PN型1个。所有染色体上均有NBS-LRR家族基因分布,但数量明显不同,其中有60.9%的NBS-LRR基因序列呈簇状分布。NBS-LRR基因序列有15个保守结构域,在N端较为保守。研究结果为甘薯进一步开展NBS-LRR家族基因的功能研究和抗性育种提供了参考。     

拟南芥基因组 NBS-LRR类基因家族的生物信息学分析

【研究目的】对拟南芥（Arabidopsis thaliana）中含有核苷酸结合位点（Nucleotide binding site,NBS）和富含亮氨酸的重复序列（Leucine—rich repeat,ERR）类基因进行了分析。【方法】利用TAIR、Pfam网站,数据库和Chromosome Map Tool、MEGA3．0、ClustalX软件,分析确定NBS-LRR基因及其类型、染色体物理分布、系统发育学关系。【结果】在拟南芥全基因组中共有204个NBS—LRR类基因,大多位于1号和5号染色体上,其中71．6％的NBS—LRR类基因分布在基因簇内。对NBS—LRR类基因家族进行了氨基酸多序列比对和系统进化树分析,NBS-LRR类基因家族可分为四个亚家族。另外,NBS—LRR基因在进化过程中存在较多的复制现象。     

大豆抗蚜虫研究进展

大豆蚜虫（Aphis glycines Matsmura）,属同翅目刺吸式口器,是大豆（Glycine max）的主要害虫之一。迄今已经筛选到了十多份抗蚜资源并定位到了12个抗性基因,并发现了3个不同生物型的大豆蚜虫。较禾本科作物抗蚜性遗传相比,大豆或蒺藜苜蓿（Medicago truncatula Gaertn.）对蚜虫抗性的遗传规律相对简单,多为单基因显性遗传,抗性基因多预测为经典的抗病基因（R基因）,具有NBS-LRR结构域,介导基因对基因抗性。目前,植物中已经克隆到几个抗蚜虫基因,也为NBS-LRR类功能基因。本文对以上研究进行了综述与总结,并对大豆抗蚜虫的遗传研究进行了展望。     

植物抗病基因同源序列(RGA)研究进展

目前已克隆了48个植物抗病（R)基因,其表达产物在不同的物种具有典型的保守结构区域,按其序列的同源性可以将其归为NBS-LRR、eLRR、LRR-STK等几个超家族。根据这些保守序列设计合适的引物进行PCR扩增,即得到抗病基因同源序列(RGA)。对RGA与R基因关系的分析表明,RGA不仅在抗病基因定位和抗病基因系统进化研究中有重要作用,而且有可能为克隆尺基因提供一条崭新而又便捷的途径。     

利用磁珠富集马铃薯BAC文库中NBS-LRR类晚疫病抗性基因

栽培马铃薯是高度杂合的四倍体作物,利用传统的基因克隆方式进行晚疫病抗性基因分离难度很大。然而,晚疫病抗性基因具有序列保守性,属于NBS-LRR类基因。本研究中,根据晚疫病抗性基因R3a家族的序列比对结果设计R3a基因家族的保守探针,并将含有R3a基因的BAC SH23G23部分酶切成7~11 kb DNA片段。通过结合保守探针的磁珠系统对上述7~11 kb DNA片段进行R3a基因分离,将磁珠富集的片段克隆到双元载体pBINPLUS上。通过阳性克隆和菌落PCR鉴定表明,含有R3a基因的克隆比率达到82.76%,相对于磁珠系统富集前,提高R3a基因比率近19倍。本研究建立了抗病基因及其同源序列的磁珠分离系统,为分离马铃薯等多倍体作物中具有保守结构的基因提供了实验基础。     

“金手指”香蕉抗枯萎病基因同源序列的克隆与分析(英文)

本研究以抗镰刀菌枯萎病香蕉种质"金手指"(AAAB)为材料,根据已克降的抗枯萎病基因的NBS保守结构域设计简并引物,通过同源序列克隆获得了20条来自基因组DNA的RGA片段,大小为530 bp左右.根据其推断的氨基酸序列,经保守结构域分析,其结构域均为NB-ARC,属于non-TIR-NBS类候选抗病基因类序列.它们均具有P-loop(GMGGVGKTT),Kinase-2(LLVLDDIW),RNBS-B(CKVLFTTRS)及疏水氨基酸结构域GLPL(GLPLALKVL)等4个保守氨基酸基元.20个RGA之间核苷酸序列的相似性在41.1%～99.3%之间,氨基酸序列的相似性在33.2%～96.3%之间.同时,对分离得到的20条RGAs进行系统发育树分析,发现它们分布在5个不同的区域.并且所编码的氨基酸序列与已知抗枯萎病基因Fom-2、I2C-1、I2C-2和I2等编码的氨基酸序列表现出28%～54%的同源性,证明了抗病基因在进化上具有一定的保守性.因此,这些抗病基因同源片段(RGA)的分离将为进一步从香蕉中分离抗枯萎病基因打下基础,也可作为分子标记筛选香焦抗枯萎病的候选基因.     

花生NBS-LRR类基因P9的克隆与序列分析

为探索花生NBS-LRR类基因在花生抗病中的分子作用机制,本研究以花生品种‘Z525’为试验材料,采用电子克隆与RT-PCR相结合的方法,克隆了花生叶片中的P9基因。结果表明,获得一个长度为3557 bp的序列,该序列包含一个完整的开放阅读框(ORF),ORF的长度为3195 bp(93 bp^3287 bp),编码1064个氨基酸(120.4 kD),等电点pI为5.92。序列分析表明,该基因编码的蛋白与花生中假定的抗性蛋白RPP13-like及花生二倍体野生种Arachis duranensis和Arachis ipaensis推测的抗病蛋白At3g14460、RPP13-like高度相似;P9蛋白属于NBS-LRR家族,具有典型的NB-ARC和LRR-3两个保守结构域,推测该基因参与花生抗病调控过程。蛋白质亚细胞定位预测表明该基因编码的蛋白主要位于叶绿体中,可能少量分布于细胞核中,推测该基因可能主要作为叶绿体蛋白参与细胞的抗氧化、抗衰老等抗逆过程,其次作为转录因子参与转录调控作用。本研究克隆了P9基因的全长cDNA序列,并对该基因序列、结构和功能等方面进行了分析,为进一步研究花生抗病分子机制提供理论基础,同时为花生抗病品种的选育提供理论支持。     

Resistance and virulence in the soybean-<Emphasis Type="Italic">Aphis glycines</Emphasis> interaction

Aphis glycines Matsumura, the soybean aphid, first arrived in North America in 2000 and has since become the most important insect pest of domestic soybean, causing significant yield loss and increasing production costs annually in many parts of the USA soybean belt. Research to identify sources of resistance to the pest began shortly after it was found and several sources were quickly identified in the USDA soybean germplasm collection. Characterization of resistance expression and mapping of resistance genes in resistant germplasm accessions resulted in the identification of six named soybean aphid resistance genes: Rag1, rag1c, Rag2, Rag3, rag4, and Rag5 (proposed). Simple sequence repeat markers flanking the resistance genes were identified, facilitating efforts to use marker-assisted selection to develop resistant commercial cultivars. Saturation or fine-mapping with single nucleotide polymorphism markers narrowed the genomic regions containing Rag1 and Rag2 genes. Two potential NBS-LRR candidate genes for Rag1 and one NBS-LRR gene for Rag2 were found within the regions. Years before the release of the first resistant soybean cultivar with Rag1 in 2009, a soybean aphid biotype, named biotype 2, was found that could overcome the resistance gene. Later in 2010, biotype 3 was characterized for its ability to colonize plants with Rag2 and other resistance genes. At present, three biotypes have been reported that can be distinguished by their virulence on Rag1 and Rag2 resistance genes. Frequency and geographic distribution of soybean aphid biotypes are unknown. Research is in progress to determine the inheritance of virulence and develop DNA markers tagging virulence genes to facilitate monitoring of biotypes. With these research findings and the availability of host lines with different resistance genes and biotypes, the soybean aphid-soybean pest-host system has become an important model system for advanced research into the interaction of an aphid with its plant host, and also the tritrophic interaction that includes aphid endosymbionts.