禾本科植物NBS-LRR类抗病基因结构、功能和进化

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。本文综述了禾本科植物 NBS-LRR类抗病基因的结构、功能、分类、数目和进化等方面的研究进展,并对该类基因的研究前景进行了展望。旨在为进一步开发和利用 NBS-LRR 抗病基因提供理论参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

植物抗病基因特异性分子进化

病原物与寄主间长期的相互选择与适应，使得植物的抗病性具有丰富的表现形式。根据基因对基因模式，植物中存在的抗病基因和病原物中具备的无毒基因的互作进化可视为连续的步步适应的相互选择的过程。随着抗病基因的分离以及抗病性分子生物学研究的不断深入，抗病基因保持对无毒基因的识别从而不断进化的分子机制逐步得到阐明。本文综述了植物与病原物相互作用过程中，植物对病原物的特异性识别，由此获得的对于该病原物的专化抗性，并且随病原物的变异而进化的分子机制方面的研究进展，主要包括：抗病基因的结构特征，无毒基因的多样性，抗病基因的基因组结构，抗病基因之间在起源和进化上的关系以及重组、复制、删除、转座子等对植物保持对不断变化的无毒基因特异性识别所起的作用等方面。     

甘蔗NBS-LRR类抗病基因同源序列的分离与鉴定

根据已知植物(拟南芥、烟草和亚麻)抗病基因(RGAs)保守序列设计简并引物, 从甘蔗高抗黑穗病品种NCo376的基因组DNA和cDNA中扩增出11条抗病基因同源序列, 其中5条来自基因组DNA(EF059973, EF059974, EF059975, EF059976和EF059977), 6条来自cDNA(EF155648、EF155649、EF155650、EF155651、EF155652和EF155653)。序列分析表明, 这些RGAs均含有典型的NBS-LRR类抗病基因所拥有的保守结构域P-loop, Kinase-2a, Kinase-3a 和疏水结构域。聚类分析表明, 11条RGA同RPS2和XA1聚为一类, 而N和L6则单独聚为一类。所有11条抗病基因同源序列中, kinase-2(LLVLDDVW/D)最后一个氨基酸皆为色氨酸。定量PCR分析表明, 编号为EF059974的PIC基因的表达不仅受黑穗病菌胁迫的影响, 而且受水杨酸的诱导和过氧化氢的抑制, 也具有抗病基因组织特异性和组成型表达特性。     

植物抗病基因进化的分子基础

探索植物抗病基因进化的分子机制是开展和实施作物抗病基因工程的基础，也是目前国内外研究的热点。自Jollel等(1992)应用转座子标签法分离出第一个玉米抗病基因Hml以来，这方面的研究已取得长足的进展。     

海岛棉NBS-LRR类抗病基因同源序列的克隆与定位

植物R基因产物存在非常类似的结构域，如NBS、L,RR、STK、LZ、TM、TIR等。依据保守序列设计引物寻找抗病基因类似物(Resistance Gene Analog，RGA)，从而定位或克隆抗病基因在理论上是可行的，这种方法称为R基因同源克隆法。RGA往往与已知抗病基因具有很高的相似性，均含有LRR、NBS或蛋白激酶中的保守基序，有的与已知抗病基因连锁，或是抗性基因家族中的成员，抑或与已知抗病基因无关，它们最有可能参与植物抗病反应过程中的信号识别、信息传导等途径，并且与植物抗病基因具有密切的关系，但RGA并非等同于植物R基因。将RGA作为分子标记整合到植物分子连锁图谱中，或将其作为探针筛选基因组文库，获得候选抗病基因则不失为一条克隆基因的捷径。利用已知R基因的保守序列设计引物进行PCR扩增，已经在植物中分离到了许多与已知R基因同源的DNA序列，并且有很多RGA作为标记定位在抗病位点附近，有点被证明与抗病性状共分离。小麦抗叶锈基因Lrl0的分离是利用该方法进行抗病基因克隆的首次报道。本研究依据N，L6，RPS2等NBS类抗病基因的NBS保守区设计简并性引物扩增棉花基因组DNA，在517bp左右获得特异性扩增条带。回收PCR产物，连接转化共得到800个克隆。经酶切筛选、嵌套引物鉴定获得252个候选RGA克隆。测序后获得11条RGA序列，这些序列的大小在500—527bp之间，其中3条序列中含有1或2个终止子。所有11个RGA序列都含有NBS保守区的Kinase海岛棉1a(GGVGKTT)、kinase-2(VLDD)、kinase-3a(GSRII)及跨膜区(GLPLA)等保守结构域，与已知抗病基因的保守结构具有较高的吻合程度。本研究所获得的RGA与大豆、棉花、腰豆等作物中已经克隆的NBS类RGA的核苷酸序列有很高的相似性。其中8条可通读的RGA序列推导出的氨基酸序列同已知抗病基因L6、RPMl、SRPS2、N表现出从25％——58％的相似性。本研究以海陆杂交F2群体作为定位群体，应用RFLP方法将获得的7条RGA序列定位在棉花基因组中。Gbrga2和Gbrga8定位于第11同源群的三个位点：连锁群1302的端点及连锁群A03距端点59．2cM处。在连锁群1302中与pAR286E4C标记定位在同一位点，与Unig22d03bE6D标记相距5．6cM在连锁群A03中与pARlllE3C标记共同定位在端点，同时定位在Unig26804E5D(22D)标记下游1．7cM处和Gate4DB08bE3D(14D)标记上游8．6cM处。Gbrga508和Gbrga535定位于第4同源群的两个位点，D染色体组的第20号染色体上距端点175．3eM处，与Unig27A04E5C标记和M16—118E1C标记分别相距2．7cM和3．8cM；Gbrga508和Gbrga535同时还定位于A染色体组第5号染色体上距端点142．9cM处，与G1025aE5C标记和Gate2CFllE3C标记相距2．6cM和1．2cM。Gbrga522，Gbrga568和Gbrga39定位于第4连锁群D染色体组的第20号染色体上距端点5．5cM处。与Unig24H03E6C标记和P13—6E3D标记分别相距1．0cM和2．0cM。海岛棉RGA的获得、在基因组的定位，对于棉花NBS类R基因的起源和进化，利用分子标记辅助育种以及棉花抗病基因的克隆，提供了重要的背景。     

油棕CBF基因的克隆及与禾本科植物CBF基因的进化关系

本研究致力于克隆油棕低温相应转录因子基因CBF。以NCBI网站上公布CBF基因设计引物,对油棕的基因组进行扩增,并对其进行回收,转化和测序。总共测了11个克隆,测序结果显示这11个克隆中有3个不同拷贝的CBF基因序列,它们序列之间的同源性分别是,99%,92%和91%。将克隆的CBF基因与不同物种的CBF基因进行了聚类分析,分析结果显示：这些不同物种的CBF基因可以分为3类,克隆的油棕的3个CBF基因被聚在一块,此外,油棕CBF基因与HvCBF1,OsDREB1E,HvCBF11以及TaCBF11的同源性较高。采用同源序列法,克隆了3个拷贝的CBF基因,通过Blast比对发现,克隆的CBF基因与NCBI数据库现有的CBF基因具有很高的同源性。这些工作将为油棕抗寒的分子选育奠定基础。     

NBS-LRR类抗病蛋白介导的植物抗病应答分子机制

在植物与病原菌长期共进化过程中,NBS-LRR类抗病蛋白在植物防御微生物侵害机制中肩负着重要的作用。目前,国内外对NBS-LRR蛋白的研究,主要集中在其与病原菌微生物效应因子的识别的方式上,特别是其自身同源或异源低聚化、及其在植物亚细胞器的转移与分布等方面。本文着重对最近几年国内外有关以上三个方面的研究成果进行综述,以期加深对植物NBS-LRR抗病蛋白在植物抗病信号转导途径中作用机制的理解,并为植物转基因抗病育种提供新的理论指导。     

葡萄NBS-LRR基因家族的鉴定与表达分析

为了克隆葡萄中NBS-LRR基因家族成员,并对其功能进行鉴定。以‘黑比诺’葡萄试管苗为试验材料,采用RT-PCR克隆葡萄NBS-LRR基因家族并进行生物信息学分析,结合芯片表达数据及RT-qPCR技术分析了该家族基因在非生物胁迫下的表达情况。结果表明,从葡萄中克隆得到41个NBS-LRR成员,对其编码的蛋白分析表明,分子量在56 362.76～177 974.27 Da之间,等电点(pI)介于5.31～9.54,有11个成员分布在未知染色体上,其他成员分别定位在8条染色体上;二级结构以α-螺旋和不规则卷曲为主。RT-qPCR结果显示,VvNBS-LRR08在50μmol/L JA和400 mmol/L NaCl处理24 h后表达水平达到对照的760倍以上,VvNBS-LRR03和VvNBS-LRR28在400 mmol/L NaCl处理后表达水平分别为对照的3.5和1.3倍,10%PEG处理后VvNBS-LRR03和对照无显著差异,而VvNBS-LRR28表达水平下调显著;VvNBS-LRR05和VvNBS-LRR40在10%PEG处理24 h表达水平分别为对照的1.3和3.6倍,Vv...     

水稻稻瘟病抗病基因的结构功能和共同进化

稻瘟病是由真菌 Magnaporthe oryzae 所致,是世界上最严重的水稻病害之一。抗病基因能够识别病原无毒蛋白而导致抗病反应。抗病基因以单基因或基因簇的形式存在,它是通过基因复制或基因多样性而产生的。近几年来,由于抗病基因的不断克隆和功能分析,使人们更好地理解和认识抗病机理。本文总结了目前抗病基因的克隆和功能分析进展,并对抗病基因的进化,抗病蛋白和病原无毒因子之间的相互作用、相互影响和进化以及无毒因子的结构进行了剖析,同时指出这些理论对植保的潜在含义。     

蝴蝶兰NBS-LRR家族基因挖掘和生物信息学分析

植物抗病基因(R基因)中最重要的一个家族,大部分具有NBS(nucleotide-binding site)和多个LRR(leucine-rich-repeat)结构域,称为NBS-LRR基因家族。小兰屿蝴蝶兰(Phalaenopsis equestris)全基因组测序的完成为蝴蝶兰NBS-LRR基因家族的研究提供了重要生物信息学数据。大辣椒蝴蝶兰(Phalaenopsis Big Chili)对病毒复合感染具有较强的耐受性,对筛选蝴蝶兰响应病毒相关关键基因具有重要意义。本研究依据小兰屿蝴蝶兰全基因组测序和大辣椒蝴蝶兰响应病毒胁迫转录组的测序结果,采用Pfam、HMMER、Orchid Base 3.0、Uniprot、NCBI Blast、Paircoi2网站和Bioedit、MEGA5.1、Clustal W软件,对蝴蝶兰进行了NBS-LRR基因的筛选和分类,确定了蝴蝶兰的NBS-LRR基因类型、结构和系统发育学关系,从小兰屿蝴蝶兰中筛选到21个NBS-LRR家族基因,占全基因组基因总数的0.008%,其中CNL型4个,NL型5个,CN型2个,无Tir型。从大辣椒响应病毒胁迫转录组数据中筛选到34个NBS-LRR家族基因,其中有4个基因在响应不同时期差异表达明显,与小兰屿蝴蝶兰NBS-LRR基因具有较高的同源性。随后对NBS-LRR蛋白序列的motif进行分析,具有14个相对保守的motif,部分位置稳定,部分存在缺失、移位或增加等变异。NBS-LRR基因的分类,蛋白序列的motif分析和响应病毒胁迫NBS-LRR基因的筛选为研究蝴蝶兰响应病毒关键NBS-LRR家族基因的功能研究提供重要依据。     

禾本科植物叶绿体基因组结构的系统进化研究

为了探讨叶绿体基因组结构变化与系统发生的关系,以烟草为参照,系统比较了禾本科植物叶绿体基因组结构的进化。结果发现：（1）大单拷贝序列上产生3个倒置;（2）3个基因accD、ycf1、ycf2退化;（3）clpP、rpoC1内含子序列丢失;（4）IR与SC的边界变化大都发生于科的水平,但也存在一定的层次性。结构变化的系统发生与叶绿体基因内含子构建的系统进化树相一致。叶绿体基因组的结构变化可以用于构建相关植物的系统发生。