Gene-for-Gene Theory.ppt

1、基因换基因理论，青蓉21014032，内容，1植物基因对基因假说的作用机制2抗病基因3不同Avr和R蛋白的相互作用4病原体无毒基因和无毒蛋白5植物抗病基因的结构特征6 R基因编码R蛋白7植物抗病基因的克隆8植物抗病基因的应用，植物抗病基因的应用，植物和病原微生物的入侵，长期共存于自然生态系统中， 相互作用甚至共同进化，使植物的抗病性和病原体的致病性之间达到动态平衡。 1971年，弗洛尔在对亚麻抗锈病小种特异性研究的基础上，提出了基因对基因的理论。1植物基因对基因假说，其认为植物对病原体的特异性抗性取决于其是否具有相应的抗性基因，而病原体的特异性致病性取决于病原体是否具有无毒基因，也就是说，只有

2、当具有相应抗病基因的植物遇到具有无毒基因的病原体时，宿主才分别含有易感基因(R)和抗病基因(R)，并且病原体分别含有毒性基因(Vir)和无毒基因(Avr)。植物和病原菌之间的分子通讯决定了它们相互作用的最终结果。病原体效应蛋白在被送入宿主植物细胞后是否能被受感染的植物组织识别，决定了该植物是易患病还是抗病。专用R基因介导的抗性符合“基因对基因”的相互作用模式。但是，从克隆的R基因及其产物的结构和功能来看，有些R基因的抗病机制不符合“基因对基因”模式，如玉米Hm1基因和大麦mlo基因，其抗病机制与病原菌的亲和因子有关，但不需要激活病原菌的无毒因子。2 R和Avr基因的相互作用模型和受体-配体模型

3、是从基因-基因假说发展而来的。该模型认为，病原体的avr基因直接或间接编码一种配体(激发子)，该配体与抗病基因编码的产物(受体)相互作用，从而触发被感染细胞中的信号传递过程，激活其他防御基因的表达，产生过敏性反应(过敏性反应，HR)，并显示病原体感染部位的死斑症状，使植物获得抗性。2.1符合基因-基因关系的相互作用模型，2.1.1受体配体模型，2.1.2 Guard模型。该模型认为，植物宿主体内存在病原体效应蛋白的毒力靶标，该效应蛋白与其相互作用，调节植物活性，有利于病原体的生长和繁殖。LRR蛋白起到了警示作用。一旦检测到目的蛋白被Avr改变，就能激活R蛋白与目的蛋白的相互作用，从而避免病原菌

4、效应蛋白对目的蛋白的操纵，或触发一系列信号转导，引发植物防御反应。2.1.3已经提出了其他相关模型，(a)受体-配体模型(b)共受体模型：无毒蛋白(a)首先结合到共受体(c)上的高亲和力位点，然后R蛋白与c相互作用开始防御反应。(c)警报模式(d)蛋白水解酶依赖性防御启动：由于某些细菌、真菌和病毒的特性，预计这些基因可能编码蛋白水解酶。其论点是Avr蛋白可以在宿主体内的一些蛋白质水解后识别宿主体内的R蛋白，并与部分水解的蛋白质结合，引起信号传递并触发植物防御反应。2.2植物抗病模型中的非RAvr基因相互作用，存在促进宿主植物亲和反应的基因，即易感基因，其编码产物为“亲和因子”。通过修饰这些基因

5、，甚至诱导隐性突变，植物可以被赋予对一种或多种病原菌的广谱抗性。这些基因包括大麦抗白粉病基因mlo、豌豆抗白粉病基因er-1、番茄抗白粉病基因ol-2和拟南芥抗白粉病基因PMR。大麦抗白粉病基因Mlo是一个受植物负调控的广谱抗病基因。MLO是一种膜锚蛋白，由533个氨基酸组成，含有7个Tms。其氮端位于细胞外，其碳端位于细胞内。它包含一个核结合位点和两个酪氨酸激酶编码区。MLO是一种新型的钙调蛋白结合蛋白，类似于动物G蛋白偶联受体。CaM是MLO蛋白的激活剂。MLO-CaM结合和相互作用可使细胞质Ca2浓度迅速增加，这可能刺激宿主防御反应，但同时促进亲和作用。MLO蛋白可能是病原菌入侵植物的对

6、接分子，是大麦与大麦白粉病(Bgh)亲和相互作用的必要因子。3不同的Avr和R蛋白相互作用的位置，不同的宿主和病原体Avr和R蛋白相互作用的位置。某些细菌中Avr和R蛋白的匹配分析揭示了普遍的空间相互依赖性。如上所示，植物的R蛋白标记为深绿色，其它与植物抗性相关的蛋白标记为浅绿色。细菌、真菌和预测线虫的Avr蛋白分别用红色、紫色和粉色标记。微生物感染的结构用蓝色标出。三型分泌系统(III型分泌系统)，是一种针状结构的蛋白质附件，首次在革兰氏阴性菌中发现。通过这种结构，致病细菌直接将自己的蛋白质分泌到宿主细胞中，帮助细菌感染真核生物。3.1型三分泌系统(ttss/t3ss)是从鼠伤寒沙门氏菌分离

7、的t3ss针复合体的透射电镜图像，于1984年将含有avrA的丁香假单胞菌小种Cosimd克隆转移到不含avrA的小种，然后通过基因互补实验克隆了avrA基因，这是第一个克隆的无毒基因。随后，许多研究者用相似的方法从不同的病原体中克隆了几十个无毒基因，这不仅有力地支持了基因对基因抗病的理论，也促进了他们自己的理解。4.1病原体无毒基因、4病原体无毒基因和无毒蛋白。尽管许多无毒基因已被克隆和测序，但这些基因的确切产物和功能仅限于少数蛋白质，如AvrD、AvrBs3、AvrPto和烟草花叶病毒外壳蛋白。表1总结了蛋白质的一些特性。4.2病原体无毒蛋白、植物抗病基因产物可能具有两种功能：(1)识别相

8、应的Avr衍生信号；激活下游信号转导并触发复杂的防御反应。目前，已分离出50多个抗病基因。通过对克隆的R基因进行分析和比较，发现大多数R基因具有较高的序列一致性，不同来源的R基因往往具有一些共同的基序，如富含亮氨酸的重复序列(LRR)、核苷酸结合位点(NB)、亮氨酸拉链(LZ)、跨膜区(Ser/Thr激酶，STK)、Toll和果蝇白细胞介素-1受体(TIR)等。根据基因的结构特征和可能的功能，克隆的R基因分为9种类型(如下表所示)。截至2004年底，已经克隆了近50个抗病基因。尽管这些抗病基因对不同的病原体如真菌、细菌和病毒具有抗性，但在这些抗病基因编码的产物中存在惊人的相似结构域，即不同的抗

9、病基因具有一定的同源性。根据抗病基因保守域的不同，抗病基因编码的蛋白质(抗病蛋白，R蛋白)可分为五类。高度保守的抗病基因产物中由6 R基因、6.1核苷酸结合位点(NBS)和NBS结构域编码的R蛋白的结构特征表明核苷磷酸是这些蛋白发挥功能所必需的。抗病蛋白的NBS区有三个特征保守区。第一个区域是磷酸结合环(P环)，也称为激酶1a，其共有序列是GPP基因。第二个区域是激酶2，共有序列是x(xpr)xaaaddv(wpd)。第三个区域是激酶3a，其保守区域是SRAAT(TPS)RNBS结构域在植物抗病中的作用机制尚不清楚，未来的研究将集中在核苷三磷酸的合成和水解及其对植物抗病蛋白活性的影响上。核苷三

10、磷酸的结合可能改变抗病蛋白与其防御信号之间的相互作用。6.2富含亮氨酸的重复序列(LRR)，它存在于许多不同的蛋白质中，并与蛋白质之间的相互作用和信号转导密切相关。就功能而言，LRR决定了与配体结合的特异性，即宿主和病原体的特异性识别。1996年，Dixon等人提出了LRR促进抗病蛋白与其他参与抗病信号转导的蛋白结合的模型。抗病蛋白的LRR结构可分为两类：位于细胞外的LRR；LRR位于细胞质中。细胞外LRR的共有序列是“LXLXXLXXLXLXXNXLXGXIPXX”，而细胞质LRR的共有序列是“axxxxxlxxxx(xpc)xxxxx XXX”。可以看出，所有LRR都有“xlxxlxxx”

11、的结构。6.3丝氨酸苏氨酸蛋白激酶(SPT蛋白激酶)，是植物中的一种受体样激酶。RLX)，其功能如下：它是一种与某些信号分子如激酶、生长因子和性因子相互作用的传导信号；参与防御反应。例如，B细胞中的抗体和T细胞中的受体通过识别外来分子开始一系列级联反应，最终产生免疫效应；控制细胞分裂过程中的分裂周期；应对一些自然逆境，如缺乏关键因素。SPT蛋白激酶的两个特征性保守区是DaKXXN和GTaGYXAPCNPE6。6.4亮氨酸拉链(LZ)，LZ存在于一些寡聚蛋白中，许多DNA结合蛋白含有LZ。LZ在真核转录因子同源和异源二聚体的形成中起重要作用。类似的螺旋结构域促进蛋白质之间的相互作用，并导致许多其

12、他功能，但它们在抗病蛋白质功能中的作用仍鲜为人知。6.5白细胞介素-1受体相似区(TIR)、果蝇Toll蛋白和哺乳动物白细胞介素-1受体在各自的免疫系统信号转导中发挥重要作用。通过病原体的结合，信号被传递给传播因子。如果苍蝇的因子和哺乳动物的因子。这些转导因子具有从细胞质向细胞核转运的能力，并与免疫反应基因的启动子结合，引起免疫反应基因的表达，从而产生对病原体的抗性。越来越多的证据表明，植物中可能存在类似于哺乳动物和昆虫的自然免疫系统的抗病途径。世界上第一个克隆的抗病基因是玉米抗性基因(Hml)。Hml位于玉米L染色体的长臂上，编码一种NADPH依赖性的HC2毒素还原酶(HCTR)，能使病原菌

13、产生的致病因子HC2毒素失活。植物抗病基因的克隆方法有几种。植物抗病基因的克隆，7.1转座子标记，其基本原理是将转座子或t-DNA插入抗病基因的内部或邻近位点，获得抗病功能缺失的突变体，然后用插入的片段(转座子或t-DNA)作为探针，通过Southern杂交或聚合酶链反应技术从基因组文库中分离克隆抗病基因。转座子标记法应用的前提是被操作的植物具有现成的遗传转化操作系统或成熟的农杆菌转化系统，以及大规模筛选突变体的有效方法和手段。7.2基于图谱的克隆，在目标基因准确定位于染色体的特定位置后，通过与目标基因紧密连锁的分子标记筛选含有目标基因的大基因组文库BAC(细菌人工染色体载体)或YAC(酵母人

14、工染色体)，然后通过染色体行走筛选含有目标基因的亚克隆，最后通过遗传转化和功能互补实验进行验证。用该方法克隆的主要抗性基因有番茄Pto基因、拟南芥RPS2基因、RPMI基因和NPRI基因、水稻Xa21基因和Pi-b基因。图谱克隆是基于高密度分子标记图谱，其关键是寻找与靶基因紧密连锁的分子标记，其核心任务是染色体行走。然而，对于一些具有大基因组和许多重复序列的植物，这种方法不仅成本高而且效率低，因此这种方法也是有限的。7.3根据抗病基因的同源序列克隆和定位抗病基因。已经提到，在由抗病基因编码的蛋白质(R蛋白)中存在相似的结构域，并且编码这些相似结构的序列必须具有同源性。抗病基因同源序列的鉴定是从

15、这些同源序列中定位和克隆抗病基因的一种新方法。具体方法是根据抗病基因中编码蛋白功能保守区的序列设计特异性或简并引物，扩增基因组DNA，获得RGA。这些RGA可以用作基于特异性或简并引物聚合酶链反应的DNA标记m1。自1996年卡那津和于广勇在Sci上连续发表两篇文章以来，RGA已在大豆、豌豆、蚕豆、水稻和大麦、油菜、甜瓜、苜蓿、小麦、番茄、胡椒、莴苣和葡萄上得到扩增。8.1植物信号转导的研究，植物R基因的克隆及其保守功能区的确定，以及R基因介导的抗病性和防御反应途径的研究，为阐明植物信号转导开辟了一条充满希望的道路。r基因主要起识别作用，其产物直接或间接与病原体无毒基因的产物相互作用，然后通过信号转导启动植物防御反应途径，并表达功能产物引起抗病反应。通过对几个无毒基因和抗病基因的克隆和相互作用的研究，证明了这一过程的正确性。8.植物抗病基因的应用；8.2通过转化克隆的抗病基因可以获得新的抗病品种，用克隆的抗病基因转化敏感植物可以快速产生新的抗病品系。转基因技术可以使R