植物病程蛋白研究管理論文

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摘要：本文介紹植物病程相關蛋白的結構、性質、分類、基因結構和表達調控等方面的研究進展，闡述病程相關蛋白與植物系統(tǒng)獲得性抗性的關系。

關鍵詞：病程相關蛋白；系統(tǒng)獲得性抗性；植物

植物生長于多變的自然環(huán)境中，形成了各種各樣有效適應或抵抗逆境的機制。環(huán)境中的病原微生物包括真菌、細菌、病毒以及線蟲等，它們誘發(fā)的植物抗病機制是近年來植物抗性研究的熱點之一。植物中普遍存在的抗病機制有兩種：過敏反應（hypersensitiveresponse，HR）和系統(tǒng)獲得抗性（systemicacquiredresistance，SAR）。二者均有多種抗病基因和病程相關蛋白的參與。

1植物抗病機制

1．1植物抗病基因和防衛(wèi)反應基因

植物抗病基因，是決定寄主植物對病原菌的專化性識別并激發(fā)抗病反應的基因。它與病原菌無毒基因互補。植物抗病基因編碼產(chǎn)物是抗病反應信號轉導鏈的起始部分，當它與病原菌無毒基因直接或間接編碼產(chǎn)物互補結合后，通過信號傳導，誘導植物防衛(wèi)反應基因的表達，激發(fā)并引起植物的抗病反應。病程相關（pathogenesis-related，PR）蛋白基因作為植物防衛(wèi)反應基因的一員，廣泛存在于不同植物中。

1．2植物抗病機制

植物中普遍存在的抗病機制有兩種：過敏反應（hypersensitiveresponse，HR）和系統(tǒng)獲得性抗性（systemicacquiredresistance，SAR）。

過敏反應是指在植物與病原菌的非親和互作中，受病原菌侵染的植物細胞快速死亡而形成枯斑的反應。過敏反應是植物程序化的抗病機制，不同的植物與病原菌互作發(fā)生過敏反應時，在細胞、生化及分子水平上的變化基本相同。系統(tǒng)獲得抗性是指植物發(fā)生過敏反應后，獲得的對病原菌的廣譜抗性。系統(tǒng)獲得性抗性是植物防衛(wèi)反應基因被系統(tǒng)誘導表達的結果，特別是PR蛋白類基因。如擬南芥和煙草的PR-1基因；黃瓜的幾丁質酶基因；水稻的脂氧化酶基因等。

1．3病程相關蛋白

病程相關蛋白（pathogenesisrelatedproteins，PRP／PRs）是指植物在病理或病理相關的環(huán)境下誘導產(chǎn)生的一類蛋白。PRP最初由VanLoon、VanKammen和Kassanis應用多聚腺苷酸（PA）誘導煙草抗病研究時發(fā)現(xiàn)。隨后的研究越來越多，人們把這種普遍存在的具有廣譜抗性的誘導的可溶性蛋白質統(tǒng)稱為PRP。最近，在PR蛋白基因表達調控的分子機制等方面取得了不少重要進展。

2植物中的PRP及其功能

2．1PRP的結構

根據(jù)最早報道的樺樹花粉超家族Betv1的結構特征，Mogensen等人于2002年首次通過熒光分光光度方法證實了這個蛋白在天然狀態(tài)下能結合一系列天然或合成的小分子配體包括ANS、脂肪酸、類黃銅、細胞分裂素和脫氧膽酸等。

2．2PRP的性質

PRP相對分子質量較小，一般為10～40kD，因此可以在胞內和胞間較好地積累。PRP有較強的穩(wěn)定性，大部分PRP能抵抗蛋白酶、糖苷酶、重金屬、尿素、低pH值和高溫（60℃）。PRP在進化上相對保守，來自不同植物的同類型PRP不僅在物理和化學性質上相似，而且在分子結構、氨基酸組成和血清反應等方面也相似。

植物中的PRP主要表現(xiàn)如下活性：（1）幾丁質酶；（2）β-1，3-葡聚糖酶；（3）β-1，3-1，4-葡聚糖酶；（4）脫乙酰殼多糖酶；（5）過氧化物酶；（6）類甜味蛋白；（7）a-淀粉酶；（8）溶菌酶。

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2．3PRP的分類

PRP最初根據(jù)寄主來源和在聚丙烯酰胺凝膠電泳中的遷移率分類，隨著對PRP基因組的分離、克隆、表達研究的深入，形成了目前按PRP的植物來源、電泳遷移率（分子量）、血清學關系以及氨基酸序列的同源性為標準的分類體系。

根據(jù)氨基酸序列的相似程度至少可以將PRP分為5組：（1）PR-1組：PR-la、PR-lb、PR-1c功能不明，為富含甘氨酸的PRP，它們在煙草對TMV的過敏反應過程中產(chǎn)生，表明這組PRP具有抗病毒功能，有人認為它們可能參與植物細胞壁抗侵染作用。（2）PR-2組和PR-3組：這兩類分別是β-1，3-葡聚糖酶和幾丁質酶。（3）PR-4組：功能不明，在煙草中可被TMV侵染所誘導，與外源凝集素hevein的C端主體序列同源，表明可能參與病原細菌的非親和識別。（4）PR-5組：即被稱為類甜蛋白（thaumatin-likeprotein，TLP）的PRP。主要是24kD的蛋白質，包括PR-S、PR-P和堿性osmotinⅠ、osmotinⅡ，它們與甜蛋白有血清學關系。在經(jīng)傷口誘導的番茄、馬鈴薯葉片中也發(fā)現(xiàn)類似的PRP，可激活某些抵抗絲氨酸肽鏈內切酶的蛋白質活性。（5）PR-10組：存在于許多植物中，有人研究黃羽扇豆時發(fā)現(xiàn)其過敏反應中存在著兩種類型的PR-10蛋白，分別命名為L1PR10．1A和L1PR10．1B，兩者的相對分子質量為17kD，由176個氨基酸殘基組成，其同源性為91％。BantignlesB等從白羽扇豆中得到一種17kD的蛋白質，與PR-10具有很高的同源性，它不但具有PRP常有的生物學特性，而且還具有DNA聚合酶Ⅱ活性。

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2．4PRP的分布

細胞分離技術、免疫熒光技術、免疫膠體金技術等表明，PRP主要分布于植物細胞間隙和液泡內，其分布與等電點及誘發(fā)菌和植物的親和性有關。一般來說，等電點小于7的酸性PRP多分布于細胞間隙中，而等電點大于7的堿性PRP則多分布于細胞胞液中。

PRP在細胞內的轉移取決于它們的末端序列。酸性、堿性PRP的一個重要區(qū)別在于堿性PRP的前體不僅有N端信號肽，還有C端糖基化的尾部序列，成熟蛋白質中這兩個末端序列在C端糖基化的同時都被切除。有人認為，N端信號肽可能與PRP多肽鏈通過內質網(wǎng)有關，它決定PRP能否從高爾基體轉到液泡或穿過細胞質膜分泌到胞間；其前體靠近N端的信號肽負責控制PRP向液泡中的轉運，它的缺失可使轉運途徑發(fā)生錯誤而分泌到胞間。

2．5PRP的功能

已有報道病程相關蛋白是在植物對病毒、類病毒、細胞的入侵反應中產(chǎn)生的，也有一些病程相關蛋白是由化學試劑誘導產(chǎn)生的，如聚丙稀酸、氨基酸衍生物、重金屬鹽、水楊酸；還有一些病程相關蛋白被植物激素誘導產(chǎn)生，如細胞分裂素和生長素。病程相關蛋白在健康的植物中也有發(fā)現(xiàn)，根、衰老的葉子、植物開花期間都發(fā)現(xiàn)有病程相關蛋白的表達。PRP的功能主要包括：攻擊病原物、降解細胞壁大分子釋放二級（內源）激發(fā)子、分解毒素、結合或抑制病毒外殼蛋白等。

3PRP的基因結構及基因表達調控

所有PRP均為多基因編碼，PRP同一基因家族的cDNA和DNA有數(shù)目不等的核苷酸順序同源；并有特定的功能分區(qū)，包含啟動子、靶位和結構功能序列。靶序最本質的組分是反應元件，有的還含有增強子序列，目前，已經(jīng)在一些植物PR基因的啟動子中鑒定到幾類重要的順式作用元件，如W盒、GCC盒和SA反應元件As-1等。W盒存在于歐芹的PR-1和煙草的CHN50等基因的啟動子中。

PR基因的表達受病原菌侵染、植物發(fā)育階段、激素和光照等因素的調節(jié)。目前對引起PR基因表達的信號傳導途徑及PR基因的表達調控機理知之甚少。研究表明，PR基因表達的基本機制是轉錄活化。不同基因家族可接受同一刺激信號而激活表達；對同一種刺激信號，不同家族的激活表達可是同步的和協(xié)調的，也可是相互抑制的。靶序對不同刺激信號表現(xiàn)出嚴格的選擇性，如番茄的3種PRP（p14a、β-l，3-葡聚糖酶和幾丁質酶）對氨基丁酸的α、β、γ異構體反應的差別可以達到86％，不少基因成員的上游區(qū)含不同長度的反向重復序列，對基因表達起調控作用；還含不同長度的內含子，內含子的長短與是否接受某種信號有關。

PRP可被外源激發(fā)因子和內源激發(fā)因子所誘導，外源激發(fā)因子包括病原物、化學物質、創(chuàng)傷以及從真菌提取的外源激發(fā)子等；內源激發(fā)因子包括在植物體內產(chǎn)生的誘導分子如乙烯、水楊酸（SA）、過氧化氫及從病原物或植物細胞壁上酶解產(chǎn)生的激發(fā)子等。乙烯和SA是研究較多的內源信號。SA的積累常與PR基因的誘導表達相一致。NawrathL的研究發(fā)現(xiàn)，合成SA的非等位基因突變能使整個植株對無毒（avirulent）和有毒（virulent）病原物更為敏感。與NaHG植株（編碼SA過氧化氫酶基因，能將SA分解成兒茶酚）比較，受到病原物感染時水楊酸缺失誘導突變體PR-1急劇減少，證明了SAR與SA的積累與PR-1的表達密切相關。此外，SA的積累能提高LePR1和LePR2的mRNA含量。Eyal等證明乙烯強烈地激活堿性PRP基因的表達。

4PRP和誘導抗性及系統(tǒng)性獲得抗性的關系

自從煙草中的一些病程相關蛋白如幾丁質酶和β-1，3-葡聚糖酶被鑒定為具有潛在的抗真菌活性之后，病程相關蛋白參與植物系統(tǒng)獲得性抗性的結論被廣泛接受。轉基因等技術的運用，使PRP與植物抗病性關系的研究有了突破性進展。藍海燕用煙草堿性β-1，3-葡聚糖酶基因和菜豆堿性幾丁質酶基因，構建組成型表達載體獲得轉基因植物，發(fā)現(xiàn)其對赤星病的侵染具有較強的抵抗能力。抗高溫（HTR）麥品種是一種對小麥條帶銹病低感染品種，HTR品種接種病菌后能見到典型的壞死性過敏反應，并伴隨著木質素的積累，在HTR品種能檢測到6種PRP。Carusocarla用Fusariumculmorum接種小麥幼苗不僅誘導產(chǎn)生了PR-2、PR-3、PR-4蛋白，而且PR-9蛋白的活性增強；PRP抑制劑的使用能顯著加強病癥。

煙草對細菌和真菌等病原菌感染都產(chǎn)生PRP，并且未感染葉片中也出現(xiàn)這些蛋白，說明PRP和植物系統(tǒng)抗性密切相關。Neuenschwander等分析發(fā)現(xiàn)，大多SAR蛋白屬于PRP。番茄的SAR蛋白至少由9個PRP家族組成，包括PR-1酸性異構體（PR-la，PR-lb和PR-lc）、β-1，3-葡聚糖酶（PR-2a，PR-2b和PR-2c）、幾丁質酶（PR-3a，PR-3b）、hevein-like蛋白（PR-4a和PR-4c）、類甜蛋白（PR-5a，PR-5c）、ClassⅢ幾丁質酶的酸性和堿性異構體、胞外β-1，3-葡聚糖酶和PR-1的堿性異構體。在擬南芥中，SAR標記基因是PR-1、PR-2和PR-5，其表達可增強擬南芥對病毒Peronosporaparastica的抗性。轉基因植物和植物突變體的研究表明，正是PRP的產(chǎn)生才導致了SAR的出現(xiàn)。

5問題與展望

現(xiàn)在認為，PRP參與了植物的誘導抗病性，特別是幾丁質酶和β-1，3-葡聚糖酶，但其作用機制尚不清楚。病程相關蛋白的作用方式是否類似于動物體內的免疫蛋白，還有哪些重要因子同時參與，其信號轉導及基因表達的具體途徑怎樣，如何從不同來源的PRP基因中找到能接受特定因子刺激的靶順序（Ts），并通過對TS序列的作用啟動植物對不同病原物的抗性，SAR和PRP的內在關系如何，這些均有待更多PRP結構的解析、基因表達調控的闡明及PRP作用模式的建立。目前絕大多數(shù)的研究都是在體外進行的，還需要在植物體內得到進一步驗證。轉基因植物將是一個很好的工具。

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