嵌合蛋白MoSlp1-AtCERK1作為抗病激發(fā)子的研究

陳林梟 馮華峰 吳夢琪

摘要 本研究通過DNA體外重組技術(shù)，將稻瘟病菌MoSlp1基因和擬南芥幾丁質(zhì)寡糖受體基因AtCERK1的跨膜結(jié)構(gòu)域和胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域基因融合，構(gòu)成嵌合基因MoSlp1-AtCERK1。在煙草瞬時表達試驗中，MoSlp1-AtCERK1嵌合蛋白誘導(dǎo)煙草產(chǎn)生以過敏性壞死為表現(xiàn)形式的過敏反應(yīng)。以帶有MoSlp1-AtCERK1蛋白的農(nóng)桿菌注射煙草，可增強煙草對煙草花葉病毒的抗病性。同時提高煙草的PR-1基因轉(zhuǎn)錄表達水平，表明MoSlp1-AtCERK1嵌合蛋白基因通過水楊酸信號傳導(dǎo)的途徑激活煙草系統(tǒng)獲得性抗病。

關(guān)鍵詞 嵌合基因; 抗病激發(fā)子; 誘導(dǎo)途徑

中圖分類號： S 435.72 ?文獻標識碼： A ?DOI： 10.16688/j.zwbh.2018424

Abstract In this study， DNA recombination technology was used to fuse the MoSlp1 gene of Magnaporthe oryzae and the transmembrane and intracellular domain of AtCERK1 gene， the chitin elicitor receptor gene of Arabidopsis thaliana， to construct the chimeric gene MoSlp1-AtCERK1 as a disease-resistant elicitor. In tobacco transient expression experiments， MoSlp1-AtCERK1 chimeric protein induced tobacco allergic reactions in the form of allergic necrosis. Inoculation of tobacco with Agrobacterium carrying the MoSlp1-AtCERK1 protein enhanced tobacco resistance to Tobacco mosaic virus and at the same time increased the transcription level of PR-1 gene in tobacco， indicating that the MoSlp1-AtCERK1 chimeric protein activated the tobacco to acquire resistance through the salicylic acid signaling pathway.

Key words chimeric gene; disease-resistant elicitor; induction pathway

煙草花葉病是煙草的主要病害之一，嚴重影響煙草的生長，煙草花葉病毒（TMV）傳染性強，可以在不同植物之間傳播[1]。研究表明[2]，煙草花葉病毒侵染煙草植株后會破壞植株的組織結(jié)構(gòu)，葉片出現(xiàn)斑點，呈現(xiàn)出黃綠相間的不同區(qū)域。對煙草花葉病的主要防治手段有農(nóng)業(yè)防治[3]、化學(xué)防治[4-6]和生物防治[7-9]。

通過DNA體外重組技術(shù)，構(gòu)建能特異性結(jié)合激發(fā)子的嵌合受體，是增強植物抗病性的有效方法之一。Kishimoto等[10]發(fā)現(xiàn)將水稻的幾丁質(zhì)寡糖受體OsCEBiP與水稻抗白葉枯病的XA21受體的跨膜結(jié)構(gòu)域和激酶結(jié)構(gòu)域融合所構(gòu)成的嵌合受體CRXA，在幾丁質(zhì)殼寡糖處理下，能激活水稻的過敏性壞死和誘導(dǎo)水稻對稻瘟病菌的有效限制。嵌合基因技術(shù)作為一種有效的基因重組技術(shù)，所構(gòu)建的嵌合受體在植物抗病方面值得我們重視。通過DNA體外重組技術(shù)來增強植物的抗病性，將是一種全新的探索研究。

在水稻與稻瘟病菌親和互作中，稻瘟病菌的菌絲頂端直接插入水稻細胞質(zhì)中，大量分泌一種具有2個LysM結(jié)構(gòu)域的效應(yīng)蛋白MoSlp1（secreted LysM protein 1）。MoSlp1蛋白與水稻的幾丁質(zhì)受體OsCEBiP（chitin elicitor binding protein）競爭性結(jié)合幾丁質(zhì)寡糖，阻礙水稻由幾丁質(zhì)寡糖所激發(fā)的免疫反應(yīng)[11]。效應(yīng)蛋白MoSlp1是稻瘟病菌成功侵染水稻所必需的。

擬南芥Arabidopsis thaliana中幾丁質(zhì)寡糖受體被稱為AtCERK1（chitin elicitor receptor kinase 1），胞外是由1個信號肽和3個LysM結(jié)構(gòu)域所構(gòu)成，MoSlp1是由1個信號肽和2個LysM結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，同時AtCERK1能夠增強煙草對煙草花葉病毒的抗性[12-13]。通過氨基酸序列比對發(fā)現(xiàn)，MoSlp1的2個LysM功能域MoSlp1-LysM1、MoSlp1-LysM2與AtCERK1-LysM2的同源性不高，但與幾丁質(zhì)寡糖結(jié)合處的氨基酸殘基同源性較高[14]。這說明了MoSlp1-LysM1和MoSlp1-LysM2都有可能結(jié)合幾丁質(zhì)寡糖。所以我們以AtCERK1為橋梁，將AtCERK1胞外部分替換為MoSlp1，重組成對幾丁質(zhì)寡糖超敏感的MoSlp1-AtCERK1嵌合受體，觀察MoSlp1-AtCERK1嵌合蛋白的抗病激發(fā)子活性并研究其誘導(dǎo)抗性的途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

煙草花葉病毒Tobacco mosaic virus（TMV），揚州大學(xué)紀兆林教授饋贈; 稻瘟病菌Magnaporthe oryzae（生理小種70-15）來自國家南方農(nóng)藥創(chuàng)制中心;克隆載體：零背景（pLB）快速連接試劑盒，天根生化科技（北京）有限公司; 表達載體： pHB（雙35S啟動子），本實驗室保存; 原核表達載體： pET-30a（+），美國Novagen生物公司; 真菌RNA提取試劑盒： 北京康為世紀生物科技有限公司; 鎳柱：美國GE醫(yī)療器械公司。

為了檢測重組表達的MoSlp1-AtCERK1嵌合蛋白具有蛋白激發(fā)子活性，我們選用本氏煙草為研究對象，分別將帶有GFP、AtCERK1和MoSlp1-AtCERK1蛋白的農(nóng)桿菌注射煙草，48 h后用臺盼藍組織染色法檢測死細胞，試驗重復(fù)5次。

為檢測MoSlp1-AtCERK1蛋白誘導(dǎo)煙草抗病所依賴的信號傳導(dǎo)途徑，以250 nmol/L的MoSlp1-AtCERK1蛋白噴霧處理整株煙草，48 h后取少許煙草葉片，提取RNA，反轉(zhuǎn)錄得cDNA，以EF-1a基因為內(nèi)參，用熒光定量PCR法測定PR-1、LOX和ERF1的相對表達量，試驗重復(fù)3次。本研究中所用引物序列見表1。

2 結(jié)果

2.1 MoSlp1-AtCERK1基因構(gòu)建

如圖1a所示，本研究將MoSlp1基因的終止密碼子除去，再把整個MoSlp1基因與AtCERK1基因的跨膜結(jié)構(gòu)域和胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域相互融合。兩個基因在AtCERK1基因的第229位甘氨酸（Gly）與MoSlp1相融合形成MoSlp1-AtCERK1嵌合基因。之后再用雙酶切法將整個嵌合基因插入到帶有雙重CaMV 35S啟動子和綠色熒光蛋白（GFP）標簽的pHB載體中。

2.2 MoSlp1-AtCERK1蛋白誘導(dǎo)表達

MoSlp1-AtCERK1蛋白誘導(dǎo)利用原核表達系統(tǒng)，在1 mmol/L IPTG誘導(dǎo)作用下，在大腸桿菌中將重組蛋白MoSlp1-AtCERK1成功表達出來。帶有6×His標簽的MoSlp1-AtCERK1蛋白的SDS-PAGE分析見圖2。從圖2 SDS-PAGE 分析可知，在80 kD左右處有單一條帶，MoSlp1-AtCERK1蛋白體外成功表達，為后續(xù)試驗提供方便。

2.3 MoSlp1-AtCERK1基因亞細胞定位

從圖3可知，MoSlp1-AtCERK1基因定位于細胞質(zhì)膜上，這與AtCERK1基因定位一致。這是因為在MoSlp1-AtCERK1基因的氨基酸序列中，AtCERK1基因的跨膜結(jié)構(gòu)域全部被保留，利用跨膜結(jié)構(gòu)域與膜結(jié)合的特性將MoSlp1-AtCERK1基因錨定于質(zhì)膜上。MoSlp1基因的N端含有信號肽，沒有跨膜結(jié)構(gòu)域存在，這是MoSlp1基因定位于細胞核和細胞質(zhì)中的主要原因。

2.4 MoSlp1-AtCERK1蛋白在煙草中瞬時表達及誘導(dǎo)煙草過敏反應(yīng) ?根據(jù)pHB載體上的酶切位點，本研究在MoSlp1-AtCERK1 C端插入了GFP標簽，同時構(gòu)建pHB-AtCERK1，pHB-AtCERK1-ECD，pHB-AtCERK1-ICD和pHB-MoSlp1載體，觀察各個基因編碼的蛋白在煙草中瞬時表達情況，結(jié)果見圖4a～b。AtCERK1-GFP（ⅲ）和MoSlp1-AtCERK1-GFP（ⅳ）激發(fā)本生煙草的過敏性壞死。由此說明AtCERK1和MoSlp1-AtCERK1蛋白具有類似于蛋白激發(fā)子的活性，而MoSlp1-GFP（ⅱ），AtCERK1-ECD-GFP（ⅴ）和AtCERK1-ICD-GFP（ⅵ）沒有產(chǎn)生過敏性壞死現(xiàn)象，所以都不具有蛋白激發(fā)子活性。從圖4c～e可知，對照組GFP（c）中有少量的細胞死亡，可能是由于農(nóng)桿菌侵染導(dǎo)致。而AtCERK1（d）和MoSlp1-AtCERK1（e）蛋白注射煙草后，死亡的細胞明顯增多，表明煙草葉片產(chǎn)生過敏性壞死現(xiàn)象。

2.5 MoSlp1-AtCERK1蛋白誘導(dǎo)煙草對煙草花葉病毒抗性 ?MoSlp1-AtCERK1蛋白誘導(dǎo)煙草對煙草花葉病毒的抗性見圖5。與對照組（a）相比，MoSlp1-AtCERK1（c）誘導(dǎo)的煙草病斑數(shù)明顯減少，表明MoSlp1-AtCERK1蛋白可以誘導(dǎo)煙草對TMV抗性。而AtCERK1（b）誘導(dǎo)的煙草對TMV抗性更強，病斑數(shù)更少。我們觀察到，煙草花葉病毒的病斑大小與對照組相比，沒有明顯差異，這說明AtCERK1和MoSlp1-AtCERK1蛋白誘導(dǎo)煙草抵御煙草花葉病毒的抗性僅表現(xiàn)為抑制初侵染，而一旦煙草花葉病毒成功入侵煙草后，對其增殖并沒有明顯抑制作用。

2.6 MoSlp1-AtCERK1信號傳導(dǎo)途徑

MoSlp1-AtCERK1蛋白誘導(dǎo)煙草相關(guān)防衛(wèi)基因的表達見圖6。從圖6可知， PR-1a基因相對表達量明顯上升了將近800倍，PR-1b基因相對表達量上升了約15倍。LOX和ERF1基因的相對表達量略有上升（4.5倍和4倍），與PR-1a基因相比可以忽略。由此我們可知，外源MoSlp1-AtCERK1蛋白處理誘導(dǎo)煙草抗病是依賴于SA信號傳導(dǎo)途徑。

3 結(jié)論與討論

MoSlp1-AtCERK1基因定位于細胞膜上才能感知在非原生質(zhì)體間積累的幾丁質(zhì)寡糖。MoSlp1自身發(fā)生同源二聚化或同源共聚化，通過AtCERK1激酶結(jié)構(gòu)域?qū)⑿盘杺鬟f至胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域中，激活激酶結(jié)構(gòu)域的磷酸化，將信號傳導(dǎo)并放大，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生一系列的免疫反應(yīng)[18]。所以MoSlp1-AtCERK1 基因定位細胞膜上，是MoSlp1-AtCERK1 嵌合受體能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生免疫反應(yīng)的基礎(chǔ)。

Pietraszewska等[16]認為AtCERK1蛋白在煙草中瞬時表達會引起LysM結(jié)構(gòu)域的同源二聚化，激活胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域，從而引起煙草的過敏反應(yīng)。若將AtCERK1胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域的關(guān)鍵位點（第349位的賴氨酸）突變，過敏反應(yīng)將不會發(fā)生。Mentlak等[19]在酵母雙雜交實驗中發(fā)現(xiàn)MoSlp1能形成同源二聚體或同源共聚體，但我們的試驗并沒有發(fā)現(xiàn)MoSlp1引起過敏性壞死現(xiàn)象。MoSlp1蛋白LysM結(jié)構(gòu)域的存在并發(fā)生同源二聚化或同源共聚化是MoSlp1-AtCERK1蛋白誘導(dǎo)煙草產(chǎn)生過敏反應(yīng)所必需的，而且更進一步說明MoSlp1與AtCERK1-ICD融合構(gòu)建的嵌合受體具有AtCERK1相似的功能和活性。植物病原菌分泌的Harpin蛋白作為蛋白類激發(fā)子在寄主植物上產(chǎn)生致病性，在非寄主植物上可以誘導(dǎo)過敏性壞死，同時可以誘導(dǎo)植物抗病并促進植物生長[18]。我們雖然沒有將MoSlp1-AtCERK1蛋白與Harpin蛋白直接進行對比試驗，但是我們預(yù)測融合蛋白MoSlp1-AtCERK1也可能作為一種蛋白類激發(fā)子，可以誘導(dǎo)植物的非寄主抗病和促進植物生長。

目前已知的植物抗病信號傳導(dǎo)途徑主要依賴于水楊酸（SA）、乙烯（ET）和茉莉酸（JA）介導(dǎo)的途徑[20]。植物病程相關(guān)基因PR-1的誘導(dǎo)表達是植物依賴于水楊酸誘發(fā)系統(tǒng)獲得性抗病產(chǎn)生的分子標志[21]。乙烯響應(yīng)元件綁定因子ERF1基因是乙烯信號傳導(dǎo)過程中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子之一[22]，脂氧合酶基因LOX是茉莉酸合成途徑的關(guān)鍵酶編碼基因[23]。所以常將PR-1、ERF1和LOX這3個基因作為水楊酸、乙烯和茉莉酸信號通路的標志性基因。在本文中，PR-1a基因相對表達量明顯上升，說明外源MoSlp1-AtCERK1蛋白處理誘導(dǎo)煙草抗病是依賴于SA信號傳導(dǎo)途徑。

我們通過DNA體外重組技術(shù)克隆MoSlp1-AtCERK1基因，在煙草系統(tǒng)中測試了MoSlp1-AtCERK1作為蛋白激發(fā)子的各種生理指標試驗，證明MoSlp1-AtCERK1具有蛋白激發(fā)子活性，可誘導(dǎo)煙草過敏性細胞壞死反應(yīng)。同時MoSlp1-AtCERK1蛋白可以誘導(dǎo)煙草對煙草花葉病毒的抗性，此誘導(dǎo)過程依賴于水楊酸信號傳導(dǎo)途徑。

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（責(zé)任編輯： 田 喆）