瓜類果斑病菌致病基因及靶標(biāo)基因的預(yù)測(cè)

嚴(yán)婉榮， 王鐵霖， 戴良英， 楊玉文， 王建玉， 趙廷昌＊

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物安全科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，植物病蟲害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；3.新疆兵團(tuán)農(nóng)六師農(nóng)科所，五家渠 831300）

瓜類果斑病菌致病基因及靶標(biāo)基因的預(yù)測(cè)

嚴(yán)婉榮1， 王鐵霖2， 戴良英1， 楊玉文2， 王建玉3， 趙廷昌2＊

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物安全科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，植物病蟲害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；3.新疆兵團(tuán)農(nóng)六師農(nóng)科所，五家渠 831300）

哈密瓜果斑病是嚴(yán)重危害瓜類的種傳細(xì)菌性病害，其病原菌為嗜酸菌屬西瓜種（Acidovoraxcitrulli）。本文首先用Bioedit軟件建立瓜類果斑病菌全氨基酸序列本地資源庫(kù)，運(yùn)用比較基因組學(xué)的方法，通過大量查找嗜酸菌屬、歐文氏菌屬、假單胞菌屬、黃單胞菌屬、勞爾氏菌屬、土壤桿菌屬、木質(zhì)部小菌屬中的致病基因和參考文獻(xiàn)中已報(bào)道的致病基因，下載相關(guān)致病基因的氨基酸序列，與瓜類果斑病菌的全氨基酸序列進(jìn)行l(wèi)ocalblast，取E＜10－5的為候選基因，得到果斑病菌中與致病性相關(guān)的基因，并對(duì)未知蛋白進(jìn)行產(chǎn)物預(yù)測(cè)。同時(shí)，根據(jù)已經(jīng)公布的靶標(biāo)基因，用同樣的比對(duì)方法，得到果斑病菌中潛在的靶標(biāo)基因。本研究通過保守估計(jì)，得到77個(gè)致病性相關(guān)蛋白，預(yù)測(cè)了其中7個(gè)未知蛋白的產(chǎn)物，得到46個(gè)靶標(biāo)蛋白。致病基因和靶標(biāo)基因的分析預(yù)測(cè)，對(duì)以后研究此類基因提供了指導(dǎo)作用，為更好地防治該病害提供了理論基礎(chǔ)。

瓜類果斑病菌； 致病基因； 靶標(biāo)基因

植物與病原互作的結(jié)果決定于各自所帶的基因。目前，已知的植物病原細(xì)菌的致病因子主要有胞外多糖、脂多糖、胞外酶、植物毒素和Ⅲ型效應(yīng)物［1－2］。除了常見的過敏性反應(yīng)和致病性基因hrp（hypersensitive reaction and pathogenicity gene）基因簇和無毒基因外，還有其他的基因與致病性相關(guān)。如在歐文氏軟腐病菌中，opgGH葡聚糖合成基因：葡聚糖（OPG）是革蘭氏陰性細(xì)菌細(xì)胞膜表面的成分，具有調(diào)節(jié)滲透壓的作用，突變時(shí)致病性喪失，胞外酶合成能力降低、胞外葡聚糖合成過剩和侵染性降低；sodA過氧化物歧化酶基因：突變體降低菌的毒性，通過轉(zhuǎn)換H2O2抵消過氧化物陰離子的作用；msrA甲硫氨酸還原酶基因：編碼還原被氧化蛋白的酶［3］；水稻條斑病菌和白葉枯病菌中，wxocA、wxocB、wxocD、wxocE和wzt是水稻條斑病菌（Xanthomonasoryzaepv.oryzicola，Xooc）的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）合成基因，基因wxocB、wxocE和wzt與致病性有關(guān)，前兩基因的突變導(dǎo)致細(xì)菌完全失去毒性，而后一基因的突變導(dǎo)致細(xì)菌部分喪失毒性［4］。

藥物靶標(biāo)是指藥物在生物體內(nèi)的作用結(jié)合位點(diǎn)，它可以是基因位點(diǎn)、受體、酶、離子通道、核酸等生物大分子?，F(xiàn)在對(duì)植物致病菌潛在靶標(biāo)的研究非常少，植物致病菌的藥物靶標(biāo)的個(gè)數(shù)更是少之又少。高娜等根據(jù)人類抗菌藥物靶標(biāo)名稱和序列信息在16個(gè)植物致病菌基因組中進(jìn)行查找，依據(jù)靶標(biāo)名稱分類，在植物致病菌中共發(fā)現(xiàn)人類抗菌藥物靶標(biāo)54種850個(gè)［5］。

本研究嘗試?yán)帽容^基因組的方法對(duì)植物病原細(xì)菌AcidovoraxcitrulliAAC00－1全基因組進(jìn)行致病基因和靶標(biāo)基因的預(yù)測(cè)分析。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

從 NCBI（http：∥www.ncbi.nlm.nih.gov／nuccore／NC＿008752）上 獲 得AcidovoraxcitrulliAAC00－1的全基因組序列、氨基酸序列和ORFs的功能注釋等相關(guān)信息。

主要網(wǎng)絡(luò)資源：NCBI（http：∥www.ncbi.nlm.nih.gov／），KEGG（http：∥www.genome.jp／kegg／），COG（http：∥www.ncbi.nlm.nih.gov／sutils／coxik.cgi？gi＝20243）。

軟件：Bioedit，Excel。

1.2 預(yù)測(cè)方法

從NCBI上獲得瓜類果斑病菌全基因組的氨基酸序列，用BioEdit建立該序列的本地資源庫(kù)；

搜索大量的文獻(xiàn)資料，篩選出經(jīng)過驗(yàn)證與細(xì)菌致病性相關(guān)的基因，查詢KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)和NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)，下載氨基酸序列。

利用生物信息學(xué)的方法，將下載到的與致病性有關(guān)的氨基酸序列與果斑病菌全基因組氨基酸序列進(jìn)行l(wèi)ocalblast［6－22］，比對(duì)結(jié)果的參考標(biāo)準(zhǔn)：E＜10－5時(shí)，認(rèn)為該基因和比對(duì)的基因具有同源性，分類整理這些基因，同時(shí)預(yù)測(cè)未知蛋白的產(chǎn)物。

根據(jù)已公布的靶標(biāo)基因信息［23］，下載到相關(guān)靶標(biāo)基因，用同樣的方法進(jìn)行l(wèi)ocalblast，搜索整理獲得瓜類果斑病菌潛在靶標(biāo)基因。

2 結(jié)果

2.1 致病基因

推測(cè)獲得瓜類果斑病菌基因組中致病性相關(guān)基因，并按其基因注釋的功能進(jìn)行分類，結(jié)果見表1。

表1 預(yù)測(cè)致病基因分類1）

在果斑病菌中，有些基因的產(chǎn)物是未知的，通過與其他致病基因比對(duì)，在比對(duì)結(jié)果中有7個(gè)未知產(chǎn)物且有同源性的基因，并對(duì)未知產(chǎn)物進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中致病性基因的來源注釋如下，蛋白編號(hào)指果斑病菌中未知產(chǎn)物的蛋白編號(hào)，結(jié)果如表2。

表2 未知蛋白產(chǎn)物預(yù)測(cè)

2.2 靶標(biāo)基因

根據(jù)已有的植物致病菌靶標(biāo)信息［5］，比對(duì)預(yù)測(cè)瓜類果斑病菌基因組中潛在的靶標(biāo)基因，如表3所示。

表3 潛在靶標(biāo)基因信息

續(xù)表1

3 討論

比較基因組學(xué)（comparative genomics）是基于基因圖譜和測(cè)序基礎(chǔ)上，對(duì)已知的基因和基因組結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，來了解基因的功能、表達(dá)機(jī)理和物種進(jìn)化的學(xué)科。已測(cè)序的革蘭氏陰性植物致病菌主要有以下幾類：嗜酸菌屬（Acidovorax）：瓜類細(xì)菌性果斑病菌（AcidovoraxcitrulliAAC00－1）；土壤桿菌屬（Agrobacterium）：根癌土壤桿菌 （Agrobacterium tumefaciensstr.C58）；棒形桿菌屬（Clavibacter）：番茄細(xì)菌性潰瘍病菌（Clavibactermichiganensissubsp.michiganensisNCPPB 382）；歐文氏菌屬（Erwinia）：胡蘿卜軟腐歐文氏菌（Erwiniacarotovorasubsp.atrosepticaSCRI1043）；假單胞菌屬（Pseudomonas）：菜豆暈疫病菌（Pseudomonassyringaepv.phaseolicola1448A）、丁香假 單胞菌（Pseudomonassyringaepv.syringaeB728a）、番茄細(xì)菌性斑點(diǎn)病菌（Pseudomonassyringpv.tomatostr.DC3000）；青枯病菌屬（Ralstonia）：茄科勞爾氏菌（RalstoniasolanacearumGMll000）；黃單胞菌屬（Xanthomonas）：柑橘潰瘍病菌（Xanthomonasaxonopodispv.citristr.306）、白菜黑腐病菌（Xanthomonascampestrispv.campestrisstr.8004，Xanthomonascampestrispv.vesicatoriastr.ATCC 3391）、番茄瘡癡病菌（Xanthomonascampestrispv.vesicatoriastr.85－10）和水稻白葉枯病菌（Xanthomonasoryzaepv.oryzaeKACC10331，Xanthomonasoryzaepv.oryzaeMAFF 311018）；木質(zhì)部小菌屬（Xylella）：苛養(yǎng)木桿菌（Xylellafastidiosa9a5c，XylellafastidiosaTemecula1）。這些完成測(cè)序的基因組為比較基因組分析提供了大量的材料，成為通過全基因組方法研究基因和蛋白功能的新方法。

通過保守估計(jì)，比對(duì)的結(jié)果得到了36個(gè)與Ⅲ型分泌系統(tǒng)有關(guān)的基因；3個(gè)無毒基因；11個(gè)毒性基因；10個(gè)非寄主適應(yīng)性基因；2個(gè)胞外多糖基因；2個(gè)表面蛋白基因；1個(gè)細(xì)胞壁降解基因；12個(gè)其他類型的基因。但是果斑病菌中與致病性相關(guān)的基因遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。同時(shí)發(fā)現(xiàn)hrp基因中蛋白編號(hào)為YP＿968830的基因已經(jīng)被證實(shí)過是與致病性相關(guān)的hrcR基因［24］；根據(jù)丁香假單胞菌番茄致病變種（Pseudomonassyringaepv.tomato）DC3000中新的毒性基因tvrR（TetR－like virulence regulator）的氨基酸序列，從瓜類細(xì)菌性果斑病菌（AcidovoraxcitrulliAAC00－1）的全基因組中發(fā)現(xiàn)并克隆了tvrR基因的同源物，致病性試驗(yàn)結(jié)果顯示：突變體比野生型的病程延長(zhǎng)，但最終致病情況與野生型無差異。而在比對(duì)所得的毒性基因中也沒有發(fā)現(xiàn)與該基因有關(guān)的蛋白［25］。說明比較基因組學(xué)在預(yù)測(cè)致病性基因方面的可靠性，同時(shí)也進(jìn)一步說明了本文所預(yù)測(cè)的致病性基因在很大程度上是與致病性有關(guān)的。

通過從7個(gè)植物病原細(xì)菌54個(gè)潛在的靶標(biāo)基因中，預(yù)測(cè)得到了46個(gè)果斑病菌中潛在的靶標(biāo)基因，從致病性基因和靶標(biāo)基因的比對(duì)結(jié)果可以看到，得到的所有蛋白序列都集中在YP＿960000～YP＿970000之間，說明與果斑病菌致病性相關(guān)的基因在空間上都是在這10000個(gè)基因當(dāng)中分布，就像hrp基因簇是在一個(gè)小空間成簇分布一樣，所有與致病性有關(guān)的基因是在一個(gè)相對(duì)大的空間內(nèi)分布。可見，靶標(biāo)基因也具有一定的保守性。

果斑病作為一種較新的種傳細(xì)菌病害，其藥劑防治效果不理想，品種的抗性不強(qiáng)，發(fā)病范圍逐年擴(kuò)大，讓我們不得不重視其潛在的危害性。植物病原細(xì)菌對(duì)寄主植物的致病過程極其復(fù)雜，一般經(jīng)過接觸、識(shí)別、侵入、定殖、擴(kuò)展和發(fā)病6個(gè)階段。其中的每一步都有相應(yīng)的基因參與，這些基因有的參與營(yíng)養(yǎng)的獲取，有的影響信號(hào)的傳導(dǎo)，有的影響蛋白的分泌。在多數(shù)情況下，寄主編碼的抗病基因（R）產(chǎn)物識(shí)別有病菌編碼的無毒基因（avr）產(chǎn)物，這種互作觸發(fā)一個(gè)快速的防衛(wèi)反應(yīng)，即非親和反應(yīng)，病原菌被限制在初侵染位點(diǎn)。病菌avr基因只有在hrp基因參與的情況下才能誘發(fā)植物產(chǎn)生非親和反應(yīng)。當(dāng)病菌中缺少適合的avr基因或者寄主植物中缺少R基因，都將會(huì)導(dǎo)致親和性互作，這種情況下，病菌通過向植物分泌胞外酶、胞外多糖及其他致病因子，克服植物固有的防衛(wèi)機(jī)制，使植物發(fā)病。目前，對(duì)該病害分子機(jī)制方面的研究較少，本論文應(yīng)用生物信息學(xué)的方法，保守定位致病基因和靶標(biāo)基因，為以后研究致病基因的致病性和靶標(biāo)基因的作用機(jī)理縮小了范圍，對(duì)以后該病害的防治和新藥的研發(fā)有一定的幫助。本文只是初步對(duì)致病基因進(jìn)行了預(yù)測(cè)，對(duì)于其是否真正具有致病性還有待進(jìn)一步研究。

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Prediction for pathogenic genes and target genes inAcidovoraxcitrulli

Yan Wanrong1， Wang Tielin2， Dai Liangying1， Yang Yuwen2， Wang Jianyu3， Zhao Tingchang2
（1.CollegeofBio－safetyScience＆Technology，HunanAgriculturalUniversity，Changsha410128，China；2.StateKeyLaboratoryforBiologyofPlantDiseasesandInsect Pests，InstituteofPlantProtection，ChineseAcademyofAgriculturalSciences，Beijing100193，China；3.InstituteofAgriculturalResearch6thBranchofXPCG，Wujiaqu831300，China）

The melon fruit blotch transmitted by seeds is a serious hazard melon bacterial disease，the pathogen of which isAcidovoraxcitrulli.This study was conducted firstly through establishing a local resource library of whole amino acid sequences of the melon fruit blotch by Bioedit software.Subsequently，the method of comparative genomics was used to search for the pathogenic genes and reference pathogenic genes previously reported inAcidovorax，Erwinia，Pseudomonas，Xanthomonas，Ralstonia，AgrobacteriumandXylellaby downloading the relevant amino acid sequences of pathogenic genes and doing local blast with the melon fruit blotch pathogen full amino acid sequence.Taking the genes withE＜10－5as the candidates，we tried to obtain pathogenesis－related genes of melon fruit blotch，and predicted the unknown protein products.Meanwhile，according to the published target genes，the potential target genes were predicted by using the similar method.By conservative estimation，77 pathogenesis－related proteins were obtained，among which7 unknown protein products were predicted.And 46 target proteins were acquired in this study.Analysis of pathogenic genes and target genes can provide a guidance for further research and a theoretical basis for preventing the disease.

melon fruit blotch； pathogenic gene； target gene

S 432.42

A

10.3969／j.issn.0529－1542.2012.05.020

2011－11－15

2012－03－09

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201003066）；國(guó)家西甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS－26）

＊ 通信作者E－mail：tczhao＠ippcaas.cn