拟南芥MUSE基因图位克隆及番茄MUSE相关生物信息学分析

【摘要】植物的先天免疫是其应对外界病原菌侵害的有效机制，植物和病原菌的长期对抗互作中进化出精细复杂的调控网络以开启和关闭免疫信号，免疫信号开启可以抵抗病原菌侵害；在没有病原菌危害或植物战胜病原菌之后则免疫信号关闭，以节省光合产能及避免免疫信号增强带来的伤害，如SA累积、ROS累积等。R蛋白介导的免疫反应是植物先天免疫的重要组成部分，受一系列正向和负向调控因子调控。目前，人们对R蛋白介导的免疫信号调控机理还知之甚少，鉴定调控因子成为首先需要解决的问题。通过研究模式植物拟南芥的免疫信号调节机制，将这些基础理论应用于农作物将对农业生产产生积极的意义。拟南芥SNC1是一种R蛋白，snc1（suppressorofnpr1-1,constitutive1）突变体使得SNC1异常活跃，在没有病原菌侵染的情况下免疫反应也被持续激活。因此，拟南芥snc1成为揭示R蛋白介导的免疫反应调控因子的理想工具。前期通过EMS化学诱变，筛选到拟南芥snc1增强子突变体muse（mutantofsnc1enhancing），本研究通过muse图位克隆和基因功能研究，鉴定出2个负向调控R蛋白SNC1介导免疫的基因，MUSE5和MUSE10。随后对MUSE5和MUSE10的作用机制进行了初步研究。通过生物信息学方法，在番茄、拟南芥、水稻等12种代表性植物中筛选出一些与MUSE5有关的同源蛋白Pam18（31个）和Pam16（26个），在番茄基因组中筛选出45个与MUSE10有关的编码PHD锌指蛋白的基因。研究结果表明，MUSE5与酵母PAM16同源，定位于线粒体内膜（是转运复合体的一个亚基）。双突变体Atpam16-1Atpam16l是致死的，说明MUSE5/AtPAM16对拟南芥的存活至关重要。我们推测MUSE5参与了线粒体内膜转运机制，该机制负向调控免疫反应，抑制了自免疫，保护植物免受ROS伤害。MUSE10编码PHD锌指类蛋白，本研究初步推测它是R蛋白SNC1介导免疫反应的负调控因子，这个结果揭示了拟南芥MUSE10的新功能。已知酵母Pam18和Pam16（即PAM16）定位于线粒体内膜，通过形成二聚体调控线粒体蛋白转运，Pam18和Pam16在真核生物中具有保守性。本研究表明植物中Pam18和Pam16同源蛋白具有保守性，关键氨基酸和HPD基序具有一致性（除了OsPam18L5）。通过预测，Pam18富含N-酰基化功能位点，Pam16富含酪蛋白激酶II磷酸化位点，这些位点可能对蛋白功能起关键作用；根据预测，一些Pam18和Pam16在其N端存在跨膜结构域；很多Pam18和Pam16也定位于线粒体。根据基因表达分析结果，推测Pam18和Pam16与植物老化和某些非生物胁迫有关。番茄PHD锌指结构域典型的保守基序Cys4-His-Cys3在45个蛋白中具有一致性。除了PHD锌指，在45个蛋白中还发现了其他保守结构域。根据系统进化分析，45个蛋白可聚为7类。经过亚细胞核定位预测，大部分番茄PHD锌指结构域定位于细胞核PML体。根据基因表达分析结果，推测番茄PHD锌指基因家族可能存在多种功能。本研究首次揭示了拟南芥MUSE5/TXR1/AtPAM16和MUSE10负向调控R蛋白SNC1介导的免疫反应，特别是深入研究了MUSE5的作用机制，也再次证明线粒体参与了植物免疫反应，丰富了人们对植物R蛋白介导免疫信号调控的认识。这些机理将为植物保护、抗病育种等生产实践提供理论指导。通过生物信息学方法，首次在番茄中筛选与MUSE5和MUSE10相关的基因和蛋白，系统的分析了它们的进化、亚细胞定位、跨膜结构域和逆境胁迫下表达等，初步推测了它们可能具有的生物学功能，这些研究结果可为将来在番茄上克隆MUSE相关基因及鉴定蛋白功能提供支持。
【作者】陈学进；
【导师】程智慧；
【作者基本信息】西北农林科技大学，蔬菜学，2014，博士
【关键词】拟南芥；番茄；MUSE基因；PHD锌指；图位克隆；植物免疫；生物信息学；

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