水稻三類抗病基因同源物的結(jié)構(gòu)和進(jìn)化分析.pdf

1、植物在同病原生物的共進(jìn)化中，形成了自己的一套防衛(wèi)體系，其中抗病基因在其中扮演著舉足輕重的角色，自1992年克隆出第一個(gè)抗病基因Hml之后，至2004年，已陸續(xù)從多種植物中克隆出來了40多個(gè)抗病基因。水稻中也克隆出Xa21、Pib、Pi-ta2等抗病基因。水稻兩個(gè)亞種全基因組測(cè)序的完成，使得我們有機(jī)會(huì)在其中發(fā)現(xiàn)抗病基因同源物，并進(jìn)一步為克隆抗病基因和抗病育種作好鋪墊。 1.水稻LRR-TM同源物的分布和結(jié)構(gòu)特征 鑒于LRR

2、-TM(富亮氨酸重復(fù)-跨膜區(qū))同源物具有一個(gè)細(xì)胞外的LRR結(jié)構(gòu)域和一個(gè)跨膜的螺旋結(jié)構(gòu)。我們通過同源搜索，在秈稻和粳稻基因組中發(fā)現(xiàn)翻譯后同時(shí)具有這兩個(gè)特征結(jié)構(gòu)域蛋白分別有174個(gè)和149個(gè)，將其作為LRR-TM同源物的候選。它們?cè)谌旧w上的分布，既有單基因，也有基因簇形式。其中兩個(gè)亞種基因組中分別有14個(gè)同源物同時(shí)具有信號(hào)肽和跨膜結(jié)構(gòu)域，與番茄的Cf抗性基因相似。LRR-TM同源物的缺失或擴(kuò)增事件主要發(fā)生在基因簇中。通過比較秈粳稻兩個(gè)亞種

3、中的高相似性序列，我們認(rèn)為多數(shù)LRR-TM同源物的形成在秈粳稻分化之前，少數(shù)(35％)在分化之后?；谙到y(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)2個(gè)秈稻和5個(gè)粳稻的LRR-TM同源物和4個(gè)番茄Cf抗性基因進(jìn)化距離很近，暗示它們可能來自同一祖先。這些LRR-TM同源物的分布和結(jié)構(gòu)描述將為發(fā)現(xiàn)水稻抗病基因提供重要線索。 2.水稻STK同源物的分布和結(jié)構(gòu)特征 STK抗病基因包含絲氨酸/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，以已鑒定的STK基因作為查詢，對(duì)水稻兩個(gè)亞種全基因

4、組進(jìn)行同源搜索，我們?cè)诜謩e發(fā)現(xiàn)秈稻和粳稻基因組中有142和132個(gè)和番茄Pto基因相似的STK同源物，大多數(shù)不含信號(hào)肽和跨膜結(jié)構(gòu)域。這些STK同源物在染色體上分布既有單基因的形式，也有基因簇的形式；在秈粳稻中分別找到8個(gè)和9個(gè)長度在20到57之間的最保守區(qū)域；并且每個(gè)亞種中都有超過的一半的STK同源物在另一個(gè)亞種中找到與之相似性超過80％的對(duì)應(yīng)同源物；在水稻、擬南芥、番茄等植物STK抗病同源物的進(jìn)化樹中，可以看出非水稻STK相關(guān)抗病基因

5、零星分布于水稻STK同源物之間，番茄STK相對(duì)集中于幾個(gè)分枝中，由此推測(cè)，STK同源物在水稻中有著復(fù)雜的進(jìn)化史。 3.水稻NBS-LRR同源物的分布和結(jié)構(gòu)特征 NBS-LRR同源物是由核苷酸結(jié)合位點(diǎn)(NBS，NucleotideBindingSite)及其下游的富亮氨酸重復(fù)(LRR，Leucine-RichRepeat)結(jié)構(gòu)域組成。為發(fā)現(xiàn)水稻中的NBS-LRR抗病基因，我們以該家族18個(gè)已鑒定的基因作為查詢，作同源搜索，

6、分別發(fā)現(xiàn)秈稻和粳稻亞種基因組有281和275個(gè)同時(shí)具NBS和LRR特征結(jié)構(gòu)域的同源物，它們大多數(shù)不含信號(hào)肽和跨膜結(jié)構(gòu)域，這和其它已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的NBS-LRR基因一致。同源物在染色體上也以單基因和基因簇兩種形式分布，10個(gè)保守基序的長度在20到51之間。相似性超過80％的同源物序列對(duì)，占半數(shù)以上的同源物。NBS-LRR家族成員的系統(tǒng)進(jìn)化分析樹表明，大部分水稻NBS-LRR同源物的產(chǎn)生在其秈粳稻分歧之前，而其它植物的NBS-LRR抗病基因幾乎處

7、于同一個(gè)分枝中，說明它們同水稻NBS-LRR進(jìn)化距離較遠(yuǎn)。 4.水稻三類抗病同源物的密碼子使用偏好性和系統(tǒng)進(jìn)化分析 從核苷酸水平對(duì)水稻抗病同源物做進(jìn)一步分析，我們發(fā)現(xiàn)秈稻和粳稻三類抗病同源物在密碼子的三個(gè)位點(diǎn)上對(duì)堿基的偏好性各不相同，而且它們對(duì)司義密碼子的使用存在明顯差異；水稻和番茄兩個(gè)物種中三類抗病同源物的序列存在一定的差異；而通過設(shè)置不同嚴(yán)格程度參數(shù)(E值)，利用hmmpfam程序?qū)ο惹八鸭降乃救惪共⊥次锏谋?/p>