多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白（PGIP）的研究进展概述 桂枝;高建明;袁庆华
【摘 要】多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白（PGIP）在阻止病原物的侵入、发展，进而激活特定的防卫反应方面具有独特的作用。本文对PGIP的特性、差异表达、功能和检测进行了简单总结，并对今后PGIP研究的方向提出了自己的看法。%For polygalacturonase inhibiting protein （PGIP） , the special actions could be found in preventing the pathogenic bacteria infection, disease development and activating the further defense of the plants. Some problems are reviewed, such as the properties, the differential expression, the detection of PGIP, and its functions on disease resistance and plant development. Finally, several research directions on PGIP are put forward. 【期刊名称】《天津农学院学报》
加热器端差【年(卷),期】2011(018)003
【总页数】6页(P36-41)
【关键词】多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白;特性;表达;功能;检测
【作 者】桂枝;高建明;袁庆华
【作者单位】天津农学院农学系,天津300384;天津农学院农学系,天津300384;中国农业科学研究院北京畜牧兽医研究所,北京100094
【正文语种】中 文
金基德时间【中图分类】画家和牧童教学设计Q786;S432.23
植物细胞壁富含多糖，是抵抗病毒、细菌、真菌、线虫及昆虫等病原物侵染的第一道屏障。植物病原物在侵染植物的过程中，首先必须分泌一系列能够降解细胞壁多糖的酶来破坏细胞壁结构，进而才能成功地侵染植物，内切半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）即是其中之一。病原物在侵染初期分泌PG，以催化植物细胞壁中果胶类物质的主要成分——多聚半乳糖醛酸（homogalacturonan，HGA）降解为寡聚半乳糖醛酸和半乳糖醛酸，从而使细胞壁结构解体并获得生长所必需的营养[1-2]。
为防止病原物的侵染，植物通常首先使用位于其细胞表面和细胞间的受体检测病原物的类型，然后启动相应的防卫反应。多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白（PGIP）即是这种受体之一，能专一性地抑制病原物分泌的内切多聚半乳糖醛酸酶（endo-PG）的作用，阻止病原物的侵入和发展；同时，PGIP可促进植物体内寡聚半乳糖醛酸的积累，从而激活特定的防卫反应，最终抑制相应病害的发生。自从1971 年Albersheim 和Anderson在蚕豆和西红柿的细胞壁中首次发现 PGIP以来[3]，至今已在20多个属的多种植物中发现这类蛋白质[4-10]。目前，PGIP基因是植物防卫反应研究的重点之一，由于研究多是针对植物真菌病害进行的，因而PGIP基因也是植物抗真菌基因工程的研究热点之一。
1 特性
1.1 PGIP与PG的相互作用
病原物分泌的PG是具有多种形式的同工酶，可能是为了适应不同的生存条件和不同的寄主，它们的一级结构、稳定性、特殊活性、最适pH值、作用方式、底物偏爱性等都不相同，释放出的低聚糖的类型也不相同[11]296。在病原物与寄主相互作用的进化过程中，植物也进化出了不同的PGIP，可以特异性地识别出真菌释放的不同的PG，限制致病真菌的
生长，同时引发植物的防卫反应。例如，在韭葱（Allium porrum L.）中就发现了18种PGIP[12]。PGIP还是特异性的抑制剂，随着不同病原物分泌出的PG的不同，PGIP也就具有不同的抑制强度[13]1 212。梨的PGIP只抑制梨致病真菌分泌的 PG，对由 Aspergillus nige和Fusarium oxysporum分泌的PG则不进行抑制[14]，这更加证实了不同的 PGIP能够特异性地识别不同的PG。从真菌中分离得到的低聚糖或寡糖是一类很好的诱导物，它们能够在低浓度的情况下诱导植物的防卫反应[15]。 1.2 PGIP的分子结构
PGIP属于富含亮氨酸重复（Leucine-rich Repeat，LRR）的蛋白质超家族，含有包括 20～30个氨基酸[LxxLxLxxNxL or LxxLxLxxCxxL （L= I，L，V，F；N = N，T，S，C；C = C，S；x =any amino acid）]的共有重复序列[16-17]，重复次数一般为 10，形成 β-折叠/β-转角/β-折叠/α-螺旋结构，即LRR基序，被认为是参与蛋白质与蛋白质相互作用的区域[18]，这也是多数植物 PGIP抗病基因表达蛋白特有的保守序列[19]。PGIPs通过LRR基序中暴露于外表面的氨基酸残基与PG活性位点处的氨基酸残基相互作用，从而抑制 PG的活性[20-22]。所有已知的 PGIP有相似的一级结构，除了LRR基序外，还包括两个与之相邻
的富含半胱氨酸的区域。PGIP分子中有8个半胱氨酸残基是高度保守的，其中4个在C端，4个在N端，它们形成了4个二硫键，以稳定PGIP分子，从而形成二级结构。PGIP分子中还有一段信号肽，包含了24～29个氨基酸，参与PGIP分子从内质网向细胞间的转运[23]。
PGIPs是一类具有不同外形的细胞外糖蛋白（eLRR）。在已报道的PGIPs中，桃PGIP的分子量最小，仅15 kD[24]；梨PGIP的分子量最大，高达91 kD[25]，而绝大多数已被分离出来的PGIPs的分子量在34～54 kD之间。PGIPs还是一类特异性的热稳定糖蛋白，在50 ℃以下相对稳定，高于55 ℃以后，随着温度的增加而缓慢地失去活性[26]。
PGIP基因通常成簇地位于植物特定的染体区域，成为一个小的基因家族。例如，在菜豆中，至少有5个PGIP基因位于10号染体的一个165 kb的区域内[27]。大豆PGIP基因家族共包括5个成员，其中，Gmpgip1与Cmpgip2氨基酸序列的同一性为 80%，相距仅 3 kb[25]108，而Gmpgip3与 Cmpgip4氨基酸序列的同一性为71.6%，相距约 60 kb[28]。拟南芥 PGIP基因中AtPGIP1 （At5g06860）和 AtPGIP2（At5g06870）的氨基酸序列的同一性为 76.1%，以串连的方式位于 5号染体上，其编码序列相距仅 507 bp[29]103。水稻共有4个PGIP基因，均位于5号染体上一个30 kbp的区域内，与其它双子叶植物PGIP
基因的平均相似性约为40%[30]。当然也有例外。甘蓝型油菜的 PGIP基因 Bnpgip1和Bnpgip2氨基酸序列的同一性为67.4%，且位于不同的染体上[31]。最近的一项研究显示，PGIP2基因在菜豆种内不同种质间是高度保守的，其氨基酸序列几乎没有变化，而在菜豆及近缘种间的变异率则稍有增加，但所有变异体均能完全抑制4种真菌PG的活性，这表明PGIP基因在同一种植物内可能是比较保守的[32]。
1.3 信号转换机制
植物需要许多防卫相关蛋白的协调表达以高效限制致病物的侵染。在这些蛋白质中，科学家们对葡聚糖酶与几丁质酶等的生物化学作用已进行了深入的研究，但对PGIP等则知之甚少[29]105。虽然，人们已经克隆了许多植物的PGIP基因，但对其在受到不同刺激时表达信号的转换途径尚没有进行深入的研究[33]。研究表明，具有相似生物化学活性的不同 PGIP的调节可通过不同诱导物的信号传递途径发生[34]。
植物在受到许多生物或非生物因素胁迫时，PGIP被诱导表达。其中，生物诱导物主要包括真菌和昆虫，非生物诱导物则包括机械损伤、水杨酸、低温、盐、茉莉酮酸酯及寡聚半乳糖醛酸等[35]。D’Ovidio 等研究了菜豆基因型BAT93的PGIP基因在受诱导时的表达规律[36]
。结果发现：PvPGIP2在所有处理下均被诱导表达；而PvPGIP3则在悬浮培养细胞受到寡聚半乳糖醛酸处理时才被诱导表达，但不受葡聚糖的诱导，同时受到机械伤害和水杨酸处理时，下胚轴中的表达量不发生变化；PvPGIP4则在任何处理下均不表达。在拟南芥中，两个PGIP基因（AtPGIP1和AtPGIP2）的表达量在接种Botrytis cinerea后均上调，但信号的转换途径不同；AtPGIP2受茉莉酮酸酯的诱导而表达；AtPGIP1的表达量在用寡聚半乳糖醛酸处理时出现剧烈增加，却不受水杨酸、茉莉酮酸酯及乙烯的诱导；此外，低温可诱导AtPGIP1的表达，对AtPGIP2却没有影响[29]104。在桃树中，PPGIP1可被外源的水杨酸诱导表达，而在病原菌侵染时，PPGIP1的调节也是通过水杨酸途径发生的[37]。总之，不同的PGIP基因，其表达受不同的信号传递途径进行调节。
2 PGIP的差异表达
2.1 不同发育阶段
植物在不同的组织发育阶段，其PGIP的表达水平也存在差异。研究发现，在植物生长后期，果实中PGIP的活性一般随成熟度的增加而降低。例如，在番茄果实的直径从1.5 cm增大到2.5 cm的期间，PGIP的mRNA数量大约降低20倍；果实呈粉红时，PGIP的活性略许才厚
深圳市地震局
有增加；之后，随着果实成熟度的增加，又日渐降低[38]616。对梨、覆盆子和甜瓜的研究也得到了相似的结果，即：在非常小的果实中，PGIP的浓度最高[39-40]。但也有些研究的结论略有不同。例如苹果，在果实成熟前，PGIP的活性随果实的生长而降低，果实成熟后其活性又逐渐增加[41]91；草莓果实中的PGIP在果实成熟时的表达水平最高[42]107。另有研究显示，菜豆幼苗期营养组织中PGIP的活性随植株的生长而增强[43]；而马铃薯叶片中PGIP的含量在生殖阶段的初期逐渐降低，但在盛花期、结实与块茎形成期则逐渐增加[44]。
2.2 不同组织
研究表明，PGIP的抑制活性因植物器官的不同而不同，这些器官包括花、果实、茎、叶、豆荚、下胚轴、根等，这说明PGIP在植物发育和组成型的防卫反应中起着重要的作用[11]297。在番茄、苹果、覆盆子和草莓等植物中，PGIP主要在果实中表达，而在菜豆和大豆中则主要在营养组织中表达[45-47]。例如，在大豆的不同组织中，PGIP的活性从大到小依次为根和下胚轴＞叶＞子叶[48]；而在草莓中，PGIP转录水平的差异在叶、花和成熟度不同的果实中可达5～10倍，在成熟的红果实中的表达量最高[42]109。
2.3 不同品种
研究表明，抗病品种中PGIP的表达量高于感病品种的表达量。例如，抗Colletotrichum lindemuthianum的菜豆品系比感病品系含有更高水平的PGIP；体外实验显示，PGIP与下胚轴细胞的细胞壁结合，可有效地保护细胞壁不被PG降解[49]。Buza等的研究显示，被Monilia fructigena侵染前后，6个苹果品种的PGIP活性和受害程度明显不同，且病原菌在果实间的传播速度与PGIP的活性成负相关关系[41]90。
3 功能
3.1 抗病性
植物致病真菌在侵染时首先分泌PG，以降解植物细胞壁中的多聚半乳糖醛酸，使细胞壁崩溃，并获得营养[50]。在许多植物中，PGIP位于细胞壁上，它们能够特异性地抑制致病真菌PG的活性，在防止真菌侵染植物的过程中发挥重要作用。这可以从以下几个方面得到证实。第一，PGIP属于LRR超家族，与许多植物的抗病基因一样，具有LRR结构，其功能是负责特定的蛋白—蛋白识别和相互作用[51]。第二，体外试验显示，PGIP能够抑制一些致
病真菌PG的活性[52]。第三，PGIP可促进寡聚半乳糖醛酸的积累，而后者是许多防卫反应的诱导物[53]1 241。第四，转基因试验表明，PGIP转化体的抗病性更强[54-55]。第五，菜豆植株接种致病真菌Colletotrichum lindemuthianum后，PGIP转录物迅速积累，并与超敏反应（hypersensitive response，HR）相互关联[56]。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议