植物线虫的分泌蛋白质及其功能研究进展
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长江大学学报(自科版)农学卷2007年9月第4卷第3期JeernatofYangtzeUniversity(NatSolEdit)AgrtSolVSep.2007。VoL4No.3
植物线虫的分泌蛋白质及其功能研究进展
应喜娟,刘丽娟,柳宇琰。罗大民(厦门大学生命科学学院.福建厦门361005)罗云(华中师范大学医学院。湖北武汉430070)
[摘要]植物体内寄生的植物线虫必须寄生于宿主体内并获取充足的营养才能完成完整的生活史。植物线虫的寄生过程主要是依靠线虫分泌蛋白质的作用来完成。近年来。对植物线虫分泌蛋白质的研究取得了重大进展。分离出一系列由线虫表皮、侧器、食道腺等分泌的蛋白质.这些蛋白在线虫与植物相互作用的过程中起重要的作用z破坏宿主细胞壁.影响宿主细胞周期.改变宿主细胞代谢过程和传导信号.选择性蛋白质降解、抵抗宿主细胞对线虫的防御等。[关键词]植物线虫I植物线虫一宿主互作,分泌蛋白[中圈分类号]¥436.412.29;Q71[文献标识码]A[文章编号31673—1409(2007)03一.¥005一04
植物线虫危害遍布世界各地,每年造成的农业经济损失超过770亿美元Ⅱ].。植物线虫从植物获取营养的方式主要有非固定和固定性取食2种。非固定取食的线虫在一个取食位点仅停留一段时间,而固定取食的线虫,如根结线虫(Meloidogynespp.)和胞囊线虫(Heteroderaspp.andGloboderaspp.)等,它们侵入根部并诱导根部细胞分化形成特殊的取食结构——巨型细胞,作为线虫发育和繁殖的持续营养源[-2,3]。植物线虫分泌的蛋白质一直都是线虫研究的热点,这些从线虫表皮、侧器、食道腺分泌出来的蛋白质与线虫寄生生活密切相关,并具有不同的功能,在线虫的寄生过程中,扮演不同的角色。它们破坏宿主细胞的细胞壁结构,使线虫能够入侵宿主;重新启动宿主细胞的细胞周期和再次分化,最终诱导形成巨型细胞;改变宿主细胞新陈代谢过程,为线虫提供其所需的营养物质;结合植物细胞信号传导途径受体,改变宿主细胞的生理活动;抵抗宿主细胞的免疫反应,保护线虫不受侵害。这类与线虫寄生密切相关的蛋白质是植物线虫最为有利的进化特征H~8]。植物寄生线虫所分泌的蛋白质是线虫得以完成寄生生活的关键因素,是研究植物线虫寄生机制并从中寻求防治线虫危害的重要环节。目前,对这类蛋白质的研究主要通过分离分泌蛋白质、克隆与寄生有关的cDNA来进行[g“03。此外,抗原抗体特异识别反应、HPLC及二维聚丙烯酰胺凝胶电泳在分泌蛋白质的研究也得到了广泛的应用。指纹图谱技术与基因芯片技术用于比较线虫不同生活时期及不同组织mR-NA的表达情况,并从中筛选与寄生相关的基因;鸯立线虫食道腺cDNA文库、EST—cDNA文库,通过对同源基因的筛选、核酸杂交技术、抗体识别表达cDNA文库来分离与线虫寄生相关的基因都是该领域常见的研究方法。RNAi技术也是研究基因功能的有力手段,已越来越多的应用到寄生相关基因的研究中[11~13J。
1表皮因子
线虫表皮具有复杂的细胞外结构,它对线虫形态维持、蜕皮及保护线虫不受体外环境侵害有重要作用。由真皮细胞表达并分泌至表皮的蛋白质不仅有构成线虫外骨骼的重要组分胶原蛋白,还具有能使线虫免受宿主防御系统伤害的蛋白埙。研究发现用单克隆抗体与线虫表皮蛋白质结合后,能抑制线虫在宿主组织中的迁移口‘1。在马铃薯金线虫(Globoderarostochiensis)表皮发现的过氧化物还原酶(glutathione
[收稿日期]2007—06—01[基金项目]围家基础科学人才培养基金项I三1(J0630649);t-海市科学技术委员会资助项目(06DZ22110)[笼一作者简介]应喜蝎(198307女,福建南平市人,硕士研究生,研究方向为植物线虫与植物间的互作.
[通讯作者]罗大民(1962-),教授。主要从事动植物寄生线虫学研究,E-mail:dmluo@xmu.edu.cn.
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方数据·6·长江大学学报(自科版)农学卷2007年9月
peroxiredoxin)能具有降解宿主细胞生成的过氧化脂肪酸,抵御植物氧化防御,保护线虫不受侵害并阻断植物防御信号途径的功能‘利。在苍白球胞囊线虫(Globoderapallida)中发现的脂肪酸结合蛋白(Gp—FAR一1),能够与亚麻酸结合,从而抑制植物抗性物质生成及茉莉酸信号途径‘”]。表明表皮细胞分泌蛋白质在线虫寄生过程中起重要的作用。
2侧器分泌的蛋白质
侧器是线虫的化学信号感受器,是加工、传递化学信号的器官。单克隆抗体与侧器分泌的蛋白结合后,影响线虫的蜕皮,从而影响线虫入侵植物组织的过程I-“]。在根结线虫侧器的分泌物中,发现了糖蛋白gp32,它可能指引线虫第二期幼虫(J2)入侵并定位于植物根组织。尔后的研究发现分泌蛋白质MAP一1具有N端信号肽,可能在线虫——植物互作的识别过程中起重要作用‘161。研究表明,侧器分泌的蛋白质可能有多种成分参与到线虫的寄生过程,并且具有不同的功能。
3食道腺分泌的蛋白质及其功能
植物线虫借助中空的口针将线虫食道腺分泌物注人宿主组织或细胞中,在宿主组织或细胞中行使不同的功能。这类由线虫食道腺分泌的行使寄生功能的蛋白质被称为寄生蛋白质(parasitome),表达寄生功能的基因被称为寄生基因(parasitismgene),对它们的研究是植物线虫研究的一个热点【l“17q刘。3.1参与细胞壁分解的水解酶植物线虫必须侵入宿主才能完成寄生生活,它们不仅通过机械破坏植物组织,还通过口针分泌在食道腺细胞表达的用于改变细胞壁结构的酶类帮助它们侵入植物组织或在植物组织内迁移。当Smant[5]第一次在马铃薯金线虫及大豆胞囊线虫(Heteroderaglycines)食道腺分泌物中发现寄生基因伊l,4一内葡聚糖酶(伊l,4-endoglucanase)基因时,即证实了这个猜想。这也是第一次在动物细胞中发现纤维素酶,它在线虫迁移过程中起作用。后续的研究也在南方根结线虫(Meloidogyneincognita)发现了内葡聚糖酶[20]。其他用于改变细胞壁结构的蛋白质还包括果胶水解酶,它可以降解果胶类多糖,破坏植物相邻细胞间的中胶层结构I-183等。目前研究者在马铃薯金线虫食道腺分泌物中发现了扩张蛋白(expansin),它能够通过打断细胞壁多聚物之间的氢键诱导酸依赖的细胞壁延展和压力松弛[2¨。在马铃薯金线虫中,扩张蛋白与细胞壁降解酶同时分泌,这可能是破坏植物细胞壁使线虫能人侵宿主细胞的主要原因[221。3.2参与诱导巨型细胞形成的蛋白质植物线虫能诱导根细胞形成特化的取食结构——巨型细胞。虽然巨型细胞的形成机制还不清楚,但是研究发现在巨型细胞形成过程中食道腺细胞相当活跃,说明食道腺分泌物可能参与诱导巨型细胞形成。在食道腺分泌物中,分离出蛋白质SXP/RAL2及钙网蛋白(calreticulin)[2引,发现这2个蛋白质分别分泌入巨型细胞中,推测它们可能与巨型细胞的形成有关[23.3参与细胞周期调控的蛋白质植物线虫能影响宿主细胞的细胞周期,促使其进行不完全的有丝分裂,形成合胞体结构。在马铃薯金线虫食道分泌物中分离出<3ku的短肽,可以促进烟草叶细胞原生质的合成和人外周血单核细胞的分裂,因此这类短肽可能在植物线虫寄生过程中起促进宿主细胞有丝分裂的作用r61。分泌的短肽具有分裂素的作用,另有研究从食道腺分泌物中分离出蛋白质RanBPM[2引,它是一类在微管组织中心与Ran结合的蛋白质,是重要的Ran的调节蛋白。Ran对微管组织、形成具有重要作用,因此在细胞分裂过程中,Ran影响纺锤体的形成。在食道腺分泌物中含有RanBPM,显然将影响宿主细胞中Ran与RanBPM的相互作用,从而影响细胞从有丝分裂间期进入分裂期。研究发现,短肽分裂素与RanBPM是同时分泌人宿主细胞的,猜测这两类蛋白质参与宿主细胞的合胞体的形成【25]。3.4模拟植物细胞信号传导分子的短肽植物细胞信号传导分子对植物细胞的生理活动具有重要的调节作用,植物线虫通过模拟植物细胞信
号传导分子影响植物细胞的生理活动。除在马铃薯金线虫发现具有促进细胞分裂作用的短肽外,在胞囊
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线虫与根结线虫中还发现了其他具有信号传递作用的短肽。大豆胞囊线虫的寄生基因Hg-SYV40[7],与拟南芥次生分生组织细胞分化中CLAVATA途径的配体CLV3蛋白质具有相同的c-端的信号区,能够激活CLAVATA信号通路[26]。CLAVATA是由配体CLV3与磷酸激酶受体CLV/CLV2复合物结合后被激活,引导细胞分化的发生。大豆胞囊线虫通过Hg-SYV46的作用调节植物细胞分化,这一发现为线虫可能诱导植物细胞去分化,并重新分化形成巨型细胞的推测提供了证据Ⅲ。在南方根结线虫也发现了一个表达13个氨基酸短肽的寄生基因16D10[1引,并且在根结线虫中具有相当的保守性,它与GRAS蛋白质家族的SCARECROW样转录因子相互作用,它可能参与了寄生早期的线虫与植物间的信号传递[1¨。3.5参与调节新陈代谢的蛋白质植物线虫的寄生将改变植物细胞新陈代谢过程,为线虫提供适宜的寄生环境。对爪畦根结线虫(Meloidogynejavanica)寄生基因的研究发现了表达分支酸变位酶的基因Mj-CM-l[8]。分支酸变位酶是植物莽草酸途径(shikimatepathway)的关键酶,它催化分支酸生成预苯酸(prephenate),最终合成苯丙氨酸和酪氨酸。动物中没有莽草酸途径,但是在植物中它是生成芳香族氨基酸及次生代谢产物的重要代谢途径。线虫分泌的分支酸变位酶不受植物反馈抑制的调节,它加快了分支酸香预苯酸转化的速率,从而竞争性抑制了莽草酸途径的另一个支路,即植物分支酸衍生物(CDCs)的生成。CDCs在调节植物生长发育、植物抗性方面起重要作用[8]。植物激素吲哚乙酸的合成受到Mj—CM-I表达产物的抑制o71,这一研究结果证实了植物线虫通过分泌分支酸变位酶打破植物莽草酸途径的平衡,抑制CDCs的合成,从而影响植物细胞的发育。i3.6其他功能蛋白质由于高通量基因筛选技术的发展,从植物线虫食道腺基因中发现了很多未知功能的序列,它们有可能是植物线虫的寄生基因的序列,这些序列中有些在其他物种中找到它们已知功能的同源序列,由此可以推测它可能具有的功能;而有些序列则暂时无法了解其功能,有待研究的进一步深入。在对大豆胞囊线虫的寄生基因的研究过程中,利用PSORTIf分析发现,有3个cDNA克隆表达的蛋白质具有经典的人核信号NLS,推测它们可能在宿主细胞内起作用[2明;还发现了与泛素化蛋白质水解途径有重大关系的蛋白质:泛素与Skpl。Skpl是SCF复合物中的一个关键的骨架蛋白质,SCF作为一个泛素连接酶,是蛋白水解小体的底物,具有特异性识别待降解底物的功能。线虫分泌Skpl至宿主细胞可能通过特异降解某些蛋白质而调节植物细胞的生理活动使其更适合线虫的寄生[2¨。泛素在植物体内是过量的,线虫分泌的泛素可能通过传递特定的信号起作用[30,31]。这2种蛋白质具体在植物细胞内如何作用还有待进一步的研究。研究发现,在南方根结线虫中具有纤维素结合结构域的蛋白质(cellulose-bindingprotein)[捌,它可能在巨型细胞形成过程中起作用;还发现了具有卷曲螺旋(coiled-coil)结构域的蛋白质,由于该结构域具有多种功能,因此这类蛋白质在植物一线虫相互作用过程中的具体作用未知[1引。确认这类已发现的未知功能的寄生基因将是以后寄生基因研究工作的一个重点内容。
4展望
由线虫表皮、侧器、食道腺分泌出来的蛋白质是线虫进行寄生生活所必须的,充分了解这类寄生相关基因的功能对植物线虫防治具有重要意义['33,34]。以已知功能的寄生相关基因为靶位点设计的药物或新型植物线虫生物防治方法探讨可能成为植物线虫防治研究的方向。目前已经发现植物RNAi技术可能是一种很好的生物防治的方法:Shingles等Ⅲ3将以南方根结线虫基因16D10为靶基因设计的dsRNA序列表达在拟南芥中,发现它能够有效的抑制线虫的寄生。
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