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烟草表皮毛蛋白NtTTG1与转录因子AtMYB44调控植物防卫反应信号传导的机制

作　者: 刘若雪
导　师: 董汉松
学　校: 南京农业大学
专　业: 植物病理学
关键词: ParA1 NtTTG1 烟草叶片表皮毛 AtMYB44 EIN2 植物防卫反应
分类号: S572
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

自然界中的植物经常遭受病原菌或病原激发子的侵袭,而植物利用自身的先天免疫系统形成一套复杂而有效的防御机制来抵御这种侵害,这些机制包括过敏性细胞死亡(hypersensitive cell death, HCD)和系统获得性抗性(systemic acquired resistance, SAR)。HCD又叫过敏反应(hypersensitive response, HR),是植物抗病反应的一种典型症状,可在24 h内观察到。其特征是病原菌所侵染部位的细胞呈现快速枯死,病原菌得不到营养而致其不能生长和扩散。HR的产生与两种类型的病原菌与植物产生互作有关：一种是病原菌与寄主之间的不亲和互作(avr-R);另外一种是由病原菌与非寄主植物的互作所引起。已有研究表明,病原真菌中引起非寄主过敏性反应的物质主要是由疫霉属病原菌所产生的激发子elicitinS。ParA1是由寄生疫霉Phytophthra parasitica var nicotianae分泌产生的一种elicitin。ParA1处理烟草叶片的表皮毛,可以引起表皮毛细胞发生一系列的HCD相关反应。这表明,表皮毛中存在着一套接受外源激发子ParA1信号的分子机制。那么,ParA1是如何被植物体识别的?表皮毛发育蛋白NtTTG1是如何参与到ParA1引发的HCD过程之中的?转录因子在植物应对生长发育过程中遭受的各种生物和非生物胁迫的过程中起重要的作用。转录因子通过与其调控的下游基因启动子区的顺式作用元件结合而直接调控靶基因的表达,或形成同源、异源二聚体,或与其它蛋白互作成为某种活化形式而参与乙烯、水杨酸(SA)、茉莉酸(JA)与脱落酸(ABA)等信号传导途径,形成复杂的基因表达调控网络,提高植物对环境胁迫的适应能力。HrpNEa是由梨火疫病原细菌Erwinia amylovora产生的一种蛋白激发子。外施HrpNEa能够诱导拟南芥中多种转录基因的表达,也可以通过激发不同信号通路,诱导植物产生抗病、抗虫、抗旱以及促生长等多种有利表型。EIN2 (ethylene insensitive2)是乙烯信号通路的关键调控因子,那么,转录因子和EIN2之间会有什么样的联系?转录因子在乙烯信号传导通路中起到什么作用?本研究着重剖析NtTTG1在ParA1引发的烟草过敏细胞死亡中的作用机制以及AtMYB44参与乙烯信号传导通路的作用机制。1、ParA1与功能缺失蛋白C51S的获得及其功能验证根据以往的研究得知,蛋白激发子ParA1注射烟草叶片,可以引发过敏性细胞死亡；喷施烟草叶片时,可以引发肉眼不可见的微敏反应(microscopic hypersenseitve response, micro-HR),并伴随有活性氧爆发(ROS burst)和染色质凝集现象(Chromatin condensation, Cc)的发生。ParA1中含有6个保守的半胱氨酸,且两两结合形成三对二硫键维持着对于ParA1的功能行使所必需的特异的空间构象。本研究主要通过点突变(site directed mutagenesis)的方法将ParA1中的第51位半胱氨酸替换为丝氨酸,得到了基因C51S,经原核表达得到了点突变蛋白C51S。通过与对照ParA1的功能验证发现,C51S完全丧失了在烟草叶片上诱导HR的能力。而且DAB、trypan blue和DAPI染色结果发现,C51S处理表皮毛12h后,仍检测不到氧爆发、微敏反应和染色质凝集现象的发生。这些结果都表明,C51S已经完全丧失其生物功能。2、ParA1与NtTTG1在烟草表皮毛细胞的细胞膜附近的相互作用根据拟南芥中参与叶片表皮毛发育的几个关键基因,在烟草中筛选可以受ParA1诱导表达的同源物。发现只有AtTTG1的同源物受诱导表达,并依此克隆到NtTTG1基因。NtTTG1在表皮毛中被ParA1诱导表达的程度明显强于叶肉细胞。并通过酵母双杂交和pull-down assay证明了ParA1与NtTTG1可以发生互作,而C51 S与NtTTG1却不能相互作用。蛋白结构分析表明,51位的半胱氨酸位于ParA1蛋白的边缘,这个位置很可能在与其它蛋白的互作中起作用。ParA1与NtTTG1之间的互作经两个蛋白在植物表皮毛中的亚细胞定位而得到进一步验证。将融合有红色荧光蛋白RFP的NtTTG1在烟草中瞬时表达,这个融合基因瞬时表达12h后在烟草表皮毛中有大量的转录。荧光观察表明,NtTTG1-RFP明显的定位在烟草表皮毛细胞的细胞膜上。而且荧光叠加结果表明,ParA1-eGFP可以与NtTTG1-RFP相结合,而C51S-eGFP不能与之结合。双分子荧光互补实验也进一步验证了荧光叠加的结果,而且,这种互作发生在表皮毛细胞的细胞膜附近。3、烟草叶片表皮毛在ParA1引发过敏性细胞死亡过程中的导航作用表皮毛作为烟草最外部的第一道天然屏障,势必最早接触蛋白激发子ParA1,并参与其诱导的过敏性细胞死亡(hypersensitive cell death, HCD)过程。我们以HCD发生过程中的重要信号分子H202和细胞内的染色质凝集为切入点,确定了表皮毛对于ParA1激发子诱导HCD的响应(见本博士论文研究报告第一章)。DCFH-DA染色及荧光观察结果表明,ParA1处理后1h,表皮毛内发生氧爆发,这比叶肉细胞早2h,其产生的活性氧还有向下部叶肉细胞传导的趋势。同时,药物抑制实验证明了活性氧的主要成份是H2O2。DAPI荧光分析表明,表皮毛内染色质凝集的发生要比叶肉细胞早5h左右。Trypan blue染色,并配合质壁分离实验,结果证明,在ParA1处理后1h到12h中,细胞死亡从表皮毛向底部细胞逐渐扩散,表皮毛细胞死亡发生比叶肉细胞早大约5h,且表皮毛在每个时间段内的细胞死亡数都高于叶肉细胞。RT-PCR方法检测了HCD反应中的标志基因PAL、hin1和hsr203的表达,三个基因在ParA1处理12h后的表皮毛中都有明显表达,而在叶肉细胞内表达稍晚一些。这些结果表明,HCD信号是从表皮毛向叶肉细胞中传导的。4、介导HrpNEa诱导拟南芥抗绿桃蚜作用的37个转录因子的初步筛选HrpNEa是由病原细菌产生的一类harpin蛋白质,它可以通过激发不同信号通路,诱导植物产生抗病、抗虫、抗旱以及促生长等多种有利表型。HrpNEa处理拟南芥可以通过激活乙烯信号通路来诱导植物对绿桃蚜的抗性反应。EIN2是乙烯信号通路中的关键调节因子,在诱导抗虫反应中起重要作用。为了阐明乙烯信号在诱导抗虫反应中的调控机制,我们对在拟南芥上由乙烯诱导的37个转录因子进行了研究。HrpNEa处理野生型Col-0后,与对照相比,发现有22个基因被上调表达,4个被下调,还有9个没有变化,其中AtMYB44的上调表达度最强。通过研究37个转录因子突变体中蚜虫趋避以及蚜虫繁殖情况时发现,有24种突变体和野生型差不多,有4种抗性增强,还有9种抗性减弱。atmyb44对蚜虫的趋避性减弱程度最为明显,而且削弱了HrpNEa诱导的抗虫反应。我们又分别检测了乙烯信号通路的标志基因PDF1.2的表达情况,发现其在野生型中表达,但在atmyb44和另外的4种突变体里不表达,这说明了乙烯信号通路已被阻断。本研究证明了拟南芥突变体atmyb44能消除HrpNEa诱导的EIN2基因的表达,从而说明了AtMYB44与EIN2有着很紧密的联系。5、转录因子AtMYB44与EIN2的互作研究AtMYB44是拟南芥MYB家族的一种转录因子,可以对乙烯信号发生感应,从而介入植物防卫反应。植物防卫反应经常受乙烯信号传导支配,而乙烯信号的中心调控因子是EIN2。目前,对AtMYB44调控的蛋白靶标及EIN2的作用机理的研究,都还不够深入。通过遗传学、药理学及微生物学等方法,我们发现AtMYB44、EIN2和乙烯在对HrpNEa诱导拟南芥对蚜虫产生抗性的过程中都是必需的因子。本研究通过geⅠmobility shift assay (GMSA)和chromatin immunoprecipitation assay (ChIP)两种方式证明了AtMYB44与EIN2能在植物体外体内产生互作。6、转基因双突变体ein2-1 atpp2-a1和ein2-1 abi2-1的产生与鉴定拟南芥AtPP2类韧皮部蛋白是一种独特的结合几丁质的凝集素,其氨基酸序列高度保守且均有韧皮部组织特异性,对刺吸式昆虫的侵袭有着特殊的防卫功能,在植物韧皮部相关防卫(plant phloem-related defense, PRD)反应过程中起重要作用。逆境激素脱落酸(ABA)能调控植物营养生长和生殖生长过程中的气孔关闭、抵抗逆境、种子后熟和休眠等许多重要事件。乙烯是植物生长发育重要的内源信号分子,其介导的植物抗病防卫基本信号通路对于植物的基本防卫十分重要。而EIN2是乙烯信号通路中的关键调节因子。本研究通过RNAi介导的基因沉默的转化方法,构建了AtPP2-A1与ABl2基因的沉默发夹结构,分别转化拟南芥乙烯不敏感突变体ein2-1,将AtPP2-A1与ABl2基因沉默,成功获得了双突变体品系ein2-1 atpp2-a1和ein2-1 abi2-1。为深入研究植物乙烯与PRD、ABA信号通路在植物防卫信号传导过程中的关系提供了材料与依据。

全文目录

摘要  7-11
ABSTRACT  11-16
缩略语  16-18
前言  18-20
文献综述  20-52
  第一章蛋白激发子elicitin的结构、分类及功能研究  20-26
    Elicitins的结构与分类  20-23
    Elicitins的基因结构  23
    Elicitins诱导植物产生HR和SAR的信号机制  23-26
  第二章植物表皮毛的生长发育机制及其防卫功能研究进展  26-36
    植物表皮毛生长发育的分子遗传机制  26-30
    各种植物激素与表皮毛生长发育的关系  30-32
    植物表皮毛的物质分泌及其防卫功能  32-36
  第三章高等植物转录因子的简介及其功能概述  36-44
    高等植物转录因子的功能结构域  36-37
    高等植物转录因子的分类与生物学功能  37-43
    高等植物转录因子的研究方法  43
    研究高等植物转录因子的意义  43-44
  第四章植物乙烯信号通路的研究进展  44-52
    乙烯的信号传导  44-48
    乙烯在植物抗病性的作用  48-52
第五章 RNAi介导的基因沉默及其在植物研究中的应用  52-60
  RNAi的发现及研究进展  52-54
  RNAi的作用机制  54-56
  RNAi技术在植物中的应用  56-60
研究报告  60-148
  第一章 ParA1与功能缺失突变蛋白C51S的获得及其功能验证  60-72
    摘要  60-61
    1 材料与方法  61-66
    2 结果与分析  66-69
    3 讨论  69-70
    ABSTRACT  70-72
  第二章 ParA1与NtTTG1在烟草表皮毛细胞的细胞膜附近的相互作用  72-92
    摘要  72-74
    1 材料与方法  74-84
    2 结果与分析  84-88
    3 讨论  88-90
    ABSTRACT  90-92
  第三章烟草叶片表皮毛在ParA1引发过敏性细胞死亡过程中的导航作用  92-102
    摘要  92-93
    1 材料与方法  93-95
    2 结果与分析  95-99
    3 讨论  99-101
    ABSTRACT  101-102
  第四章介导HrpN_(Ea)诱导拟南芥抗绿桃蚜作用的37个转录因子的初步筛选  102-124
    摘要  102-103
    1 材料与方法  103-111
    2 结果与分析  111-121
    3 讨论  121-123
    ABSTRACT  123-124
  第五章转录因子AtMYB44与EIN2的互作研究  124-136
    摘要  124-125
    1 材料与方法  125-130
    2 结果与分析  130-133
    3 讨论  133-135
    ABSTRACT  135-136
  第六章转基因双突变体ein2-1 atpp2-a1、ein2-1 abi2-1的产生与鉴定  136-148
    摘要  136-137
    1 材料和方法  137-140
    2 结果与分析  140-145
    3 讨论  145-146
    ABSTRACT  146-148
全文总结  148-150
参考文献  150-170
攻读学位期间发表的学术论文目录  170-172
致谢  172

烟草表皮毛蛋白NtTTG1与转录因子AtMYB44调控植物防卫反应信号传导的机制

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