番茄果胶甲酯酶基因Pmeu1抗灰霉病（Botrytis.cinerea）机理研究

发布时间：2020-07-14 06:03

【摘要】：果胶甲酯酶(PME)属于碳水化合物酯酶家族CE-8,主要作用是可以调节果胶甲酯化程度,而果胶是植物细胞壁的主要成分。因为细胞壁构成了外界环境和植物细胞内部物质之间的物理屏障,所以细胞壁中果胶的修饰过程通常与植物防御反应有关。拟南芥微阵列数据库的开发应用揭示了大多数PME基因的表达水平随生物和非生物胁迫的变化而变化。果胶甲酯酶参与了植物营养生长和生殖生长过程,例如细胞壁扩展和加强,细胞分离,种子发芽,根尖伸长,叶子生长极性,节间茎增长,木材的形成,花粉形成和花粉管的生长,干果裂开和果实的成熟软化等。为深入研究番茄PME基因家族的功能,首先利用生物信息学方法对番茄基因组中PME基因家族成员进行鉴定,并对其基因组信息、蛋白生理生化特征、基因结构、保守结构域和系统进化树等方面进行了研究。结果如下:在番茄基因组中共鉴定出79个PME基因,23个PMEI基因,可以分为PME GroupⅠ、PME GroupⅡ、PMEI GroupⅢ三大类,GroupⅠ又可以进一步分成2个分支;PME基因在番茄的12条染色体上呈现不均匀分布,并存在很明显的串联重复现象,总共发现了20个串联重复基因簇,包括49个基因,串联重复是番茄PME基因扩增的主要方式。对番茄PME基因结构的分析表明,PME基因在进化过程中有一定的保守性;在对番茄PME蛋白氨基酸序列进行多重比对后,发现了5个典型的保守结构区域;通过MEME软件对番茄PME蛋白保守基序进行分析发现了8个较为保守的基序。之后根据已知的番茄果实中的转录组数据,挑选出十个在果实转色期之前表达量比较高的PME基因(有三个基因是串联重复基因)研究乙烯处理之后,这些基因的表达反应,发现Pmeu1、Solyc03g083360、Solyc07g017600、Solyc07g064190是响应乙烯信号的正调控基因;Solyc03g123620、Solyc00g027770、Solyc06g009190和Solyc12g098340是负调控基因。之后的研究拟以野生型(WT)和反义表达Pmeu1番茄植株(PE1as)为研究材料,对两种植株的叶片进行了离体侵染处理,发现灰霉病菌侵染后,野生型植株叶片上形成的病斑面积明显小于反义表达植株。同时测量了灰霉病菌侵染后叶片的乙烯释放量,发现侵染之后,无论是野生植株还是反义表达植株,乙烯释放量都显著增加了。之前的微阵列数据分析表明,灰霉病菌侵染或刺伤处理后,番茄果实中的Pmeu1基因表达量都明显升高了。最后分析了两种类型植株叶片中果胶的酯化度,发现野生型植株叶片中的果胶酯化度明显低于反义植株中。综合以上研究,提出一个可能的果胶甲酯酶基因抗灰霉病机理,在灰霉病菌侵染植物体过程中,乙烯释放量增加,促使果胶甲酯酶基因Pmeu1表达上调,从而对病原菌产生抗性。
【学位授予单位】：安徽农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S436.412.13
【图文】：

果胶结构,半乳糖醛酸,被甲,乙酰化

构区域构成,这几种果胶结构的不同主要体现在丰富多样的侧链基团。已有发现，在细胞壁中，RG-I 和 RG-II 会与 HGA 共价键联结形成果胶网状结构[4-6]。图1-1 果胶的结构简图Figure1-1 structure of pectinHGA 是由多达 200 个半乳糖醛酸基本单元以 α-1,4 糖苷键聚合而成的线型同聚多糖链 ,其侧链上的基团可以被甲酯化，也可以被氧乙酰化。XGA

杨树,拟南芥,番茄

3图1-2 生物和非生物胁迫对(a)拟南芥和杨树中(b)PME转录表达水平的影响Figure1- 2 Effects of biotic and abiotic treatments on PME transcript expression in (a) Arabidopsis and (b) poplar.研究果胶甲酯酶参与果实的成熟与软化过程，主要集中在果胶甲酯酶的活性变化对果皮的细胞壁结构的影响，特别是在番茄中。已有的研究发现，在抑制一个番茄果胶甲酯酶基因 Pmeu1 表达时，番茄果实的成熟软化提前了[29]，但是抑制另一个果胶甲酯酶基因 LePME2.1 表达时，发现与野生型相比，果实成熟软化却没有受到太大的影响，同时抑制这两个基因的表达并未进一步引起果实质地的变化[30]，表明不同的果胶甲酯同工酶在果实成熟软化过程中可能担任着不同的角色。在植物生长发育和环境因子的影响过程中

模式图,植物防御,模式

实的发育过程中，随着时间的变化，CmPME1 的表达量先升高后降低，在花后 170d 表达量达到最高36]。B Ning 等发现欧洲梨“Barlett”和“La France”的果肉的软化与果胶甲酯酶的活性增长进程比较一致，而“鸭梨”和“二十世纪梨”中的果肉软化速度较慢，果胶甲酯酶活性也低[37]。周培根等在以桃为研究材料时发现，在桃的成熟晚期，观察到果胶甲酯酶活性较高[38]。这些研究表明果胶甲酯酶可能参与了果实成熟软化的进程。1.3 果胶甲酯酶与防御作用因为细胞壁构成了外界环境和植物细胞内部物质之间的物理屏障，所以细胞壁的修饰过程通常与植物防御反应有关[39]。拟南芥微阵列数据库的开发应用揭示了大多数 PME 基因的表达水平会受到生物和非生物胁迫的影响。从图 2 可以看出拟南芥和杨树 PME 的表达模式似乎与特定胁迫相关[40-45]。此外，在一些反义沉默或过表达植株中观察到的 PME 活性的降低和增加，以及细胞壁果胶的甲基酯化（DM）程度的变化，已经与植物在应对病原体胁迫时的敏感性表现联系起来[46]。PME 可能直接通过与毒力因子的相互作用或间接地通过其催化反应的产物参与上述过程[47]。图 3 说明了 PME 在植物防御中可能发生的作用。PME 酶在活动过程中直接或间接地产生了三种参与植物防御的物质。

【参考文献】