小麦条锈菌蛋白激酶及细胞壁降解酶基因家族的比较基因组学分析

摘要

小麦条锈病是由条形柄锈菌小麦专化型（Pucciniastriiformisf. sp. tritici）引起的气传真菌性病害，是目前威胁全球小麦生产最重要的病害之一。小麦条锈病流行性广且危害性强，严重制约了世界粮食的安全生产。人们已经从该病害的流行学、组织学、细胞学以及分子生物学等方面进行了详尽研究，获得了许多研究成果。随着研究的深入，单一基因功能的研究不能满足病原菌与寄主互作研究的需要。从全基因组水平去全面阐述小麦与条锈菌互作分子机理和基因表达特征，将成为小麦条锈菌研究工作的重点。 作为真菌蛋白家族重要的组成部分，蛋白激酶、细胞壁降解酶在真菌的生长发育过程中具有不可替代的作用。本文基于小麦条锈菌全基因组和目前已经发表的真菌基因组序列，利用生物信息学的方法，对其蛋白激酶家族和细胞壁降解酶基因家族的比较基因组学和系统发育学分析，以期更好的理解小麦条锈菌在生长发育过程中的特点以及致病机制，为最终开发持续有效的防治小麦条锈病的新策略提供理论依据。 本研究的主要结果如下： 1、蛋白激酶是催化蛋白质磷酸化的酶类，其蛋白质磷酸化在细胞生代谢调控等过程当中发挥极为重要的作用，几乎涉及细胞所有生理过程。本研究系统比较了 131 个子囊菌和担子菌中的蛋白激酶。统计分析结果表明，在子囊菌和担子菌这两类真菌中主要的蛋白激酶包括 9 个家族：AGC，CMAK，CMGC，STE，CK1，Other，Ser/Thr， TKL和Atypicals，而RGC和TK蛋白激酶家族在所研究的真菌中未发现。其中所占比例最多的是 CMGC和 Other家族，分别占到统计总数的 23.5%和22.5%。与前人的研究结果不同的是，我们发现蛋白激酶在子囊菌和担子菌中存在显著差异，CK1和TKL的基因数量在担子菌中比在子囊菌中的显著增加。与其它的真菌分类相比，TKL 在伞菌（Agaricomycotina）的扩增非常显著。通过细致划分真菌蛋白激酶组，我们发现了子囊菌和担子菌之间的相互特异蛋白激酶亚家族，其中15个仅存在于子囊菌中，15个仅存在于担子菌中。通过分析子囊菌和担子菌蛋白激酶中辅助结构域分布，发现这两个类别的真菌在保守结构域的分布上也存在很大差别，在亚门水平上差别也十分明显，推测这些差别很可能在真菌分类中发挥重要作用。本研究结果说明蛋白激酶作为真菌调控机制的重要组成部分，在子囊菌和担子菌中已经产生明显分化，这种分化在蛋白激酶的种类上以及在保守结构域的构成上都有充分的表现，这为研究真菌代谢调控的分化提供了理论基础。 2、本研究中，我们鉴定了小麦条锈菌 32 号小种中的 290 个蛋白激酶，并根据序列的同源性将其分 10 个基因家族。其中所占比例最大的是 Atypical（非典型蛋白激酶），占到了整个蛋白激酶组的 26%。这些蛋白激酶中最常见的保守结构域同真菌激酶中相一致，都是protein kinase domain。其长度分布主要集中在1000个氨基酸残基以下，有个别的多于 3000 个但是数量很少。通过比较与小麦条锈菌 32 号小种与其他 3个小种和相近的植物病原菌的蛋白激酶分布，可以看出这些真菌中存在的蛋白激酶总体上基本一致，但是在个别蛋白家族中仍然存在差别，特别是在不同的小种中发现了独有的蛋白激酶家族。通过与酵母菌基因组的比较确定了在小麦条锈菌中存在的保守代谢通路中的蛋白激酶。研究构建了小麦条锈菌的蛋白激酶网络。分析了这些蛋白激酶在近缘的14个真菌中的基因家族分布，并找出了小麦条锈菌蛋白激酶组中独有的17个同源蛋白家族和 19个相关的基因。分析了蛋白激酶在不同时间段中的表达趋势，除个别基因外，小麦条锈菌中同一家族蛋白激酶的表达趋势趋近一致。本研究有助于理解蛋白激酶在小麦条锈菌生长发育过程中的作用，特别是在致病过程中的作用。 3、碳水化合物活性酶（Carbohydrate-Active Enzymes，CAZymes）是自然界中存在的一类很重要的酶，主要作用是降解、修饰及生成糖苷键的功能。其中部分酶类主要作用底物与植物细胞壁主要成分相关，这类酶称之为细胞壁降解酶。植物病原菌往往是利用多种细胞壁降解酶共同作用植物细胞壁，逐步破坏植物组织和细胞的正常结构，使植物产生一系列病理变化，某些水解酶与病原菌的致病性或者毒性是直接相关的。由于这些具有致病性的细胞壁降解酶多数是分泌蛋白，我们首先系统的比较了小麦条锈菌 7 个生理小种和小麦叶锈菌、秆锈菌、玉米黑粉菌以及杨栅锈菌在分泌组蛋白中的差别。研究发现，小麦条锈菌 7 个生理小种间的分泌蛋白的数量和功能存在较大差异。例如在数量上，分泌蛋白基因数量最多的32号小种是最少的87/7号小种的5倍。通过 GO 注释可将这两个小种的分泌蛋白分类，功能一致的蛋白只占所有分泌蛋白的 11.3%。进一步研究发现，几乎在每个小种中都有自己独特的分泌蛋白存在。这些差异可能成为我们描述或者鉴别小种的一种方法，也说明小麦条锈菌毒性变异尚有较大的空间，这也为将来预测小麦条锈菌毒性变化提出了挑战。 4、研究分析小麦条锈菌 7 个小种和小麦叶锈菌、秆锈菌、玉米黑粉菌以及杨栅锈菌中的细胞壁降解酶。除了最广泛存在的 GH5 家族外，其它种类的细胞壁降解酶在不同的小种间具有明显的差异。同时作为一个专性活体寄生菌，条锈菌中细胞壁降解酶的数量也少于其它植物病原菌，这与前人的研究结果相一致。研究阐述了细胞壁降解酶在条锈菌中的分布，也分析了条锈菌中小种间细胞壁降解酶的共性和差异，为进一步研究小种间的致病性差异提供了良好的研究基础。

目录

声明

第一章文献综述

1.1小麦条锈菌研究概况

1.2真菌基因组学

1.3真菌中致病相关的基因家族

1.4本研究的意义

第二章真菌蛋白激酶的比较基因组学分析

2.1引言

2.2材料和方法

2.3结果与分析

2.4本章小结

第三章小麦条锈菌磷酸激酶的比较基因组学分析

3.1引言

3.2材料和方法

3.3结果与分析

3.4本章小结

第四章小麦条锈菌细胞壁降解酶比较基因组分析

4.1前言

4.2材料和方法

4.3结果与分析

4.4本章小结

参考文献

附录

致谢

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