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水稻黄单胞菌Hpa1与AvrBs2蛋白调控植物生长与抗病性的研究

作　者: 李小杰
导　师: 董汉松
学　校: 南京农业大学
专　业: 植物病理学
关键词: Hpa1 激素信号促生长 H2O2 防卫反应 AvrBs2蛋白
分类号: S511
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

革兰氏阴性植物病原细菌Harpin与Avr蛋白代表Ⅲ型泌出蛋白的不同类型,对致病性与植物抗病防卫反应起不同作用。Avr蛋白属于致病效应因子,需要从细菌细胞转移到植物细胞,才能行使致病功能。Harpin蛋白作为转运子起作用,帮助致病效应蛋白转位。同时,无论是Harpin蛋白还是Avr蛋白,对致病性与植物抗病防卫反应都有双重影响,而Harpin蛋白还有促进植物生长的作用。对这种多重功能的分子机制,目前还不完全清楚。本文选用以前了解比较多的Harpin蛋白Hpal,研究其促进植物生长与抗病防卫反应的分子机理,探讨蛋白结构与亚细胞定位对其功能的影响。另外,还研究了水稻黄单胞菌(Xanthomonas oryzae)AvrBs2的致病作用,为今后探讨Harpin与Avr蛋白之间的功能关系提供基础。1.Hpal利用乙烯和赤霉素信号调控植物生长与生长相关基因表达前人研究表明,Harpin通过乙烯信号及其调控因子EIN5来促进植物生长,这一效应主要涉及植物伸展素蛋白(expansin, EXP)的作用。植物EXP构成一个很大的蛋白家族,其成员受不同激素的调控,松弛细胞壁、促进细胞伸展,影响植物不同器官或组织的生长。EXP蛋白家族何种成员受何种激素信号调控,还不完全清楚。因此,本文研究了水稻白叶枯病菌Hpa1诱导EXP基因表达与促进植物生长的关系,着重探讨乙烯与赤霉素在这个过程中所起的作用。研究结果表明,当用Hpa1分别处理拟南芥、番茄、烟草和水稻时,植物的生长速度加快,同时叶片含氮量、叶绿素含量及叶绿素a和叶绿素b的比率提高。对Hpa1诱导的EXP基因表达分析结果显示：有11个组织特异性的EXP基因被Hpa1诱导表达,其中有4个与Hpa1诱导的信号通路相关,还有4个是最新鉴定的在烟草或水稻叶片中特异表达的基因。Hpa1处理能够诱导乙烯信号通路关键基因的上调表达,而阻断乙烯信号的响应,能够抑制Hpa1诱导的EXP基因表达和植物促生长作用。在水稻中,Hpa1诱导EXP基因表达和促生长效应与GA3作用类似,而阻断赤霉素的生物合成,Hpa1诱导的EXP基因表达和促进植物生长的作用也会被抑制。由此说明,Hpa1诱导EXP基因表达和促进植物生长需要ET和GA信号的参与。2.Hpa1蛋白生物学功能行使与促进植物生长的作用必需其N-端序列水稻黄单胞菌的Hpa1蛋白,能够促进植物生长,增强植物防卫反应与抗逆性,但机制还没研究清楚。已有研究表明,Hpal N-端氨基酸对其在非寄主烟草上产生HR是必需的。为了研究Hpa1N-端氨基酸对其生物学功能及植物生长的影响,我们分别构建了全长Hpal和Hpal N-端缺失突变体的原核表达载体,得到了全长Hpa1蛋白和缺失N端的Hpa1蛋白(Hpa1ΔNT).分别用Hpa1和Hpa1ΔNT处理植物,发现HpalΔNT丧失了激发烟草产生HR的能力,同时也大大减弱了植物的抗病防卫反应及抗逆性。对植物生长能力的测定结果表明,Hpa1能够促进植物的营养生长,但不影响生殖生长；Hpa1处理能增强植物生长相关基因的表达和植物叶片细胞的伸长生长；Hpa1处理能促进植物叶片叶的CO2的传导及光合作用,而HpalΔNT则大大削弱了Hpa1所诱导的促生长效应。由此说明,Hpal N-端对其生物学功能的行使及促进植物生长是必需的。3.质外体和细胞质Hpal对H2O2的产生与抗病性发挥不同作用革兰氏阴性植物病原细菌分泌的Harpin蛋白能够激活植物防卫反应信号通路,诱导植物产生抗病性,其中包括Harpin诱导的活性氧爆发,尤其是质外体中H2O2的产生。但是,Harpin蛋白在防卫反应信号通路中是如何被识别的以及产生于植物细胞质外体中的H2O2是如何参与防卫反应的,目前还不是很清楚。本研究以水稻白叶枯病菌的Harpin蛋白Hpa1为研究对象,解析其亚细胞定位是否影响了H2O2的产生以及H2O2是如何参与调控植物抗病性的。分别把Hpal和融合了质外体定位信号基因(S)的Hpal(SHpa1)转入拟南芥,产生了转基因拟南芥植株HETAt (Hpal-expressing transgenic Arabidopsis thaliana)&SHETAt (SHpal-expressing transgenic Arabidopsis thaliana)。研究发现,转基因拟南芥对丁香假单胞菌Pst DC3000和大白菜软腐病菌Pcc RL4具有抗性。亚细胞定位显示,Hpa1定位于HETAt的细胞质及SHETAt的质外体和细胞膜。通过对植物中H2O2的检测发现,H2O2主要积累于HETAt的细胞质及SHETA的质外体和细胞质。药理学试验结果表明,H2O产生于HETAt的细胞质和SHETAt的质外体,并且产生于质外体的H2O2依赖于NOX。外源喷施Hpa1处理野生型拟南芥时,其主要定位于细胞质外体并能诱导H2O2在质外体产生,且质外体H2O2能转运至细胞质。用DPI处理喷施Hpa1的野生型拟南芥和SHETAt植物后,抑制了质外体H202的产生,且细胞质中H2O2的积累也大大减少,同时也削弱了植物的抗病能力。以上结果表明,受Hpa1诱导且在质外体产生的H2O2需要从质外体运转到细胞质中才能参与植物防卫反应过程。4.水稻条斑病菌Ⅲ型效应因子AvrBs2的病理功能研究水稻黄单胞菌通过Ⅲ型分泌系统将大量的效应因子注入寄主细胞,使寄主产生抗(感)病性。虽然越来越多的Ⅲ型效应蛋白包括Avr蛋白被鉴定出来,但是关于其蛋白结构与生物学功能的研究目前还不是很多。AvrBs2是第一个被证明能够增强病原细菌在寄主植物中繁殖的Ⅲ型效应蛋白,能够增强野油菜黄单胞菌Xanthomonas campestris pv. vesicatoria(Xcv)的毒性,但是高度保守的AvrBs2效应因子在其它黄单胞菌中的生物学功能目前研究的还不是很清楚,尤其是水稻黄单胞菌。本文拟研究Xoc菌株RS105的AvrBs2效应因子的蛋白结构与生物学功能。通过同源交换,我们获得了avrBs2xoc基因插入突变体。接种试验结果表明,avrBs2突变体和野生型虽然在烟草上引起过敏反应的能力没有明显差异,但突变体却显著降低了病原菌在水稻IR24上的致病性,同时增强了植物病程相关蛋白基因PR-laΔPR-1b的表达。由此我们判断,AvrBs2xoc是一个致病效应因子,且能抑制寄主植物的免疫反应。

全文目录

目录  4-8
摘要  8-11
ABSTRACT  11-14
缩略语  14-17
前言  17-19
第一部分文献综述  19-40
  第一章植物病原细菌的Ⅲ型分泌系统  20-24
    1 植物病原细菌的Ⅲ型分泌系统结构模型  20-21
      1.1 胞外附属结构  20-21
      1.2 转运蛋白  21
    2 植物病原细菌hrp基因簇结构与功能  21-23
      2.1 hrp基因簇结构  21-22
      2.2 hrp基因的功能  22-23
    3 Ⅲ型泌出系统在植物病原细菌中的作用  23-24
  第二章 Harpin的分子遗传学特性及生物学功能  24-32
    1 Harpin的分子遗传学特性  24-25
    2 Harpin在植物细胞中的定位与识别  25-26
    3 Harpin蛋白在植物上的诱导效应  26-27
      3.1 增强植物的抗病性  26
      3.2 增强植物抗虫性  26-27
      3.3 提高植物抗旱能力  27
      3.4 促进植物生长  27
    4 Harpin的作用机制  27-32
      4.1 Harpin诱导的SAR信号通路  28-29
      4.2 Harpin启动的ET信号通路  29
      4.3 Harpin启动ABA信号通路  29
      4.4 Harpin诱导活性氧产生和过敏性细胞死亡  29-32
  第三章植物病原细菌Ⅲ型效应因子的功能调控机制  32-40
    1 Ⅲ型效应因子的概念  32
    2 Ⅲ型效应因子的分类与功能  32-35
      2.1 avrBs3/PthA基因家族  33-34
      2.2 Non-TAL效应物的特征与功能  34-35
    3 Ⅲ型效应因子的表达与分泌  35-36
    4 Ⅲ型效应因子在植物与病原物互作中的作用  36-38
    5 植物病原黄单胞菌avrBs2基因功能研究  38-40
第二部分研究报告  40-113
  第一章 Hpa1利用乙烯和赤霉素信号调控植物生长与生长相关基因表达  41-57
    摘要  41-42
    1 材料与方法  42-45
      1.1 植物材料  42
      1.2 Hpa1蛋白的制备和植物生长测定  42-43
      1.3 生理学效应测定  43
      1.4 基因表达分析  43-45
      1.5 药理学实验  45
    2 结果与分析  45-53
      2.1 Hpa1能够促进植物根系和地上部分的营养生长  45-46
      2.2 Hpa1处理增强了植物的光合作用和生物合成  46-48
      2.3 Hpa1能够诱导EXP基因表达  48-49
      2.4 Hpa1诱导EXP基因表达与促进植物生长的作用需要乙烯信号  49-51
      2.5 Hpa1诱导EXP基因表达与促进植物生长的作用需要赤霉素信号  51-53
    3 结论与讨论  53-55
    ABSTRACT  55-57
  第二章 Hpa1蛋白生物学功能与促进植物生长的作用必需其N-端序列  57-75
    摘要  57-58
    1 材料与方法  58-63
      1.1 Hpa1与Hpa1△NT蛋白表达  58-60
      1.2 Hpa1和Hpa1△NT蛋白活性检测  60
      1.3 Hpa1和Hpa1△NT蛋白功能测定  60
      1.4 植物处理和生长测定  60-61
      1.5 基因表达分析  61-63
      1.6 细胞生长观察  63
      1.7 叶片光合作用与叶绿素荧光测定  63
      1.8 数据分析  63
    2 结果与分析  63-71
      2.1 缺失N-端的Hpa1丧失了生物功能  63-65
      2.2 Hpa1促进植物生长必需N-末端序列  65-67
      2.3 Hpa1促进植物生长相关基因表达和细胞生长必需N-末端序列  67-69
      2.4 Hpa1提高叶片CO_2传导及光合作用必需N-末端序列  69-71
    3 结论与讨论  71-73
    ABSTRACT  73-75
  第三章质外体和细胞质Hpa1对H_2O_2的产生与抗病性发挥不同作用  75-95
    摘要  75-77
    1 材料与方法  77-81
      1.1 植物材料及其培养  77
      1.2 细菌接种及其在拟南芥中群体数量的测定  77-78
      1.3 原生质体提取、转化及荧光观察  78-79
      1.4 免疫胶体金银染色  79-80
      1.5 药理学实验和ROS的检测  80
      1.6 Hpa1的外施和植物反应实验  80-81
      1.7 数据分析  81
    2 结果与分析  81-90
      2.1 转基因拟南芥HETAt和SHETAt接种后防卫信号被激活  81-83
      2.2 Hpa1定位于HETAt的细胞质及SHETAt的质外体和细胞膜  83-85
      2.3 H_2O_2在HETAt4的细胞质及SHETAt4的质外体和细胞质中积累  85-86
      2.4 H_2O_2主要在HETAt4的细胞质以及SHETAt4的质外体产生  86-88
      2.5 质外体H_2O_2能转移到细胞质中  88-89
      2.6 抑制依赖于NOX产生的H_2O_2能够削弱植物的抗病性  89-90
    3 结论与讨论  90-93
    ABSTRACT  93-95
  第四章水稻条斑病菌Ⅲ型效应因子AvrBs2的病理功能研究  95-113
    摘要  95-97
    1 材料与方法  97-103
      1.1 材料  97-98
      1.2 实验方法  98-103
    2 结果与分析  103-108
      2.1 氨基酸序列分析  103-105
      2.2 avrBS2_(xoc)突变体的构建和分子验证  105-106
      2.3 avrBs2_(xoc)突变体功能回补子验证  106
      2.4 avrBs2_(xoc)突变体不改变非寄主烟草的HR反应  106-107
      2.5 avrBs2_(xoc)突变降低了水稻条斑病菌在水稻上的毒性  107
      2.6 avrBs2_(xoc)突变增强了水稻PR基因的表达  107-108
    3 结论与讨论  108-111
    ABSTRACT  111-113
全文总结  113-115
附录  115-129
参考文献  129-145
攻读学位期间发表的学术论文目录  145-147
致谢  147

水稻黄单胞菌Hpa1与AvrBs2蛋白调控植物生长与抗病性的研究

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