以正调节因子OsWRKY13的过表达谱为依据构建水稻抗病基因网络外文翻译资料

Rice Gene Network Inferred from Expression Profiling of Plants Overexpressing OsWRKY13, a Positive Regulator of Disease Resistance

以正调节因子OsWRKY13的过表达谱为依据构建水稻抗病基因网络

Deyun Qiu, Jun Xiao, Weibo Xie, Hongbo Liu, Xianghua Li, Lizhong Xiong and Shiping Wang

National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, National Center of Plant Gene Research (Wuhan), Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China

摘要：日趋增多的文献表明植物抗病信号通路经常与调节发育过程或非生物胁迫反应的其他途径相互作用。然而，大多数这些信号途径之间交联的分子机制仍不明确。本文报道的OsWRKY13是一种水稻抗细菌和真菌病原体的激活剂，它可能是植物抗病信号途径与其他五种生理响应途径重要节点。对OsWRKY13过表达株系的表达谱的全基因组分析表明，根据基因数据库的分类，OsWRKY13直接或间接调节超过500个可能参与不同生理过程的基因的表达。通过比较在已知途径或病原体感染细胞的过程中起作用的基因的表达模式和在OsWRKY13过表达与野生型植物之间的表型，我们的数据表明OsWRKY13也是病原体感染期间其他生理过程的调节剂。OsWRKY13相关的疾病抗性途径通过OsWRKY13与谷胱甘肽/谷氧还原蛋白系统和类黄酮生物合成途径产生协同作用，以监测氧化还原稳态并增强OsWRKY13过表达株系中抗菌类黄酮植物抗毒素的生物合成。同时，OsWRKY13相关的疾病抗性途径与SNAC1介导的神经应激防御途径，茉莉酸信号途径和萜类代谢途径产生拮抗作用，通过OsWRKY13来抑制盐和冷防御反应以及推定延迟水稻增长与发展。

关键词：非生物胁迫；细菌性枯萎病；基因芯片；水稻；信号转导。

引言：

植物经常受到各种生物和非生物胁迫的影响，必须应对并适应环境问题。为了在压力条件下生存，植物已经进化出复杂的机制，以便在不同的生理途径中重新快速分配代谢资源，并最大限度地利用代谢资源来适应环境的变化。如果超过植物的常规调节，这种适应性反应可能导致生长迟缓和代谢减少的植物的适应性成本（Heil and Baldwin, 2002; Burdon and Thrall, 2003; van Hulten et al., 2006)。因此，阐明适应性反应的复杂机制可以促进工程化或在作物生产中减少这种适应性成本或允许开发耐胁迫植物。其中一个主要的环境压力是病原体。植物已经进化出针对致病性攻击的有效防御转导网络。虽然该网络的许多组件仍然未知，不同抗性（R）基因介导的基因对基因的抗性途径，水杨酸（SA）依赖的系统获得性抗性途径和茉莉酸（JA）/乙烯诱导的抗性途径是该网络公认的分支(Glazebrook, 2001; Hammond-Kosack and Parker, 2003)。

Corresponding author: Shiping Wang, National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China, E-mail:swang@mail.hzau.edu.cn,Phone:86-27-8728-3009,Fax:86-27-8728-7092The Author 2008. Published by the Molecular Plant Shanghai Editorial Office in association with Oxford University Press on behalf of CSPP and IPPE, SIBS, CAS.

doi:10.1093/mplant/ssn012AdvanceAccess publication 15 April 2008

在病原体诱导的防御网络中起作用的一些组分也在其他生理或发育途径中起作用。一些正向调节疾病抗性和发育的基因已经被鉴定了。例如，拟南芥ERECTA，编码富含亮氨酸的重复受体样激酶，定量增强植物对细菌枯萎病的抗性并调节所有空气器官的发育(Godiard et al., 2003)。据报道，具有相反作用的基因在抗病性和其他生理逻辑以及发育调节方面产生积极和消极的作用。例如，编码抗性蛋白质的拟南芥AtTIP49a作为一些抗性功能的负调节因子，对性器官的发育至关重要(Holt et al., 2002)。编码膜蛋白的水稻Xa13基因是水稻抗白叶枯病的负调节因子，但是花粉发育的正调节因子(Chu et al., 2006)。编码丝裂原活化蛋白激酶的水稻OsMAPK5负面调节对细菌和真菌引起的疾病抵抗，并积极调节对干旱，盐和冷的耐受性(Xiong and Yang, 2003)。编码GH3型蛋白质的拟南芥WES1和水稻GH3-8起到抗逆性和抑制生长的作用(Park etal., 2007; Ding et al., 2008)。此外，激素和活性氧（ROS）作为信号分子在抗病性和其他生理活动之间的串扰中发挥重要作用。例如，芸苔素内酯，一种生长和发育所需的植物类固醇激素并可诱导烟草和稻米的先天免疫(Nakashita et al., 2003)。JA对某些类型的病原体和发育过程的防御反应至关重要(Lorenzo and Solano, 2005)。ROS在生物和非生物应激反应途径的收敛点控制各种生理过程(for reviews,see Apel and Hirt, 2004, and Fujita et al., 2006)。不同途径中的重叠基因和信号分子是不同生理过程之间的相互作用点。他们也是适应性反应的重要参与者。虽然不同应激反应和发育过程中的会聚点已经揭示了不同信号通路之间的串扰，但在大多数情况下，适应性反应的潜在分子机制仍然知之甚少。之前研究表明OsWRKY13（一种WRKY型转录因子）的组成型过表达增强了水稻对黄单胞菌的影响。

米曲霉（Xoo）导致细菌性枯萎病和稻瘟病菌（Magnaporthe grisea）引起真菌爆发，这是世界上两种最具破坏性的水稻病害(Qiu et al., 2007)。OsWRKY13似乎在疾病抗性SA-和JA-信号传导途径之间的收敛点起作用。 它通过直接或间接调节作用于SA上游和下游的基因子集的表达并起到SA依赖性途径的激活剂的作用。同时，它通过抑制参与JA合成的基因的表达来抑制JA依赖性途径。在无毒性病原体感染后，在携带不同R基因的水稻品系中大量诱导OsWRKY13的表达，表明R基因的激活是OsWRKY13在抗病性中起作用的关键(Wen et al., 2003; Qiu et al., 2007)。WRKY蛋白是一类调节因子，除了抗病能力反应外，还能控制多种发育的心理和生理过程(Eulg- em et al., 2000)。

虽然已在水稻基因组中鉴定出109个WRKY基因，在功能上只有两个基因被鉴定为能参与病原体诱导的防御(Liu et al.,2006; Qiu et al., 2007)。此外，水稻WRKY蛋白中涉及的信号传导途径知之甚少。确定OsWRKY13是否也参与除了疾病抗性信号传导之外的调节，我们还分析了OsWRKY13过表达株系的全基因组基因表达谱。比较病原体感染后OsWRKY13过表达和野生型植物中差异表达基因子集的表达模式，结果表明，几种已知的非生物反应和发育过程的信号通路可能与OsWRKY13的抗病网络相互作用来作为趋同点。

结果和讨论：

不同类型的基因受OsWRKY13调控转录因子。

为了确定在整个基因组中由OsWRKY13直接或间接调节的基因，我们使用包含总共有57,381个探针组的Affymetrix GeneChip水稻基因组阵列进行微阵列分析。两个独立和未感染的OsWRKY13过表达水稻品系D11UM1-1和D11UM7-2，以及用于分析野生型牡丹江8对Xoo和M. grisea的影响(Qiu et al., 2007)。与野生型相比，在D11UM1-1和D11UM7-2中分别鉴定出460和445个上调基因以及478和605个下调基因(the microarray data are under the accession

number GSE8380)在这些差异表达的基因中，236个上调(including 211 transcription units [TUs] annotated by TIGR [The Institute for Genomic Research, http://rice.tigr.org], 22 redundant probe sets, and 25 with no TU annotation) 和273个下调(including 257 TUs, 30 redundant probe sets, and 16 with no TU annotation)在OsWRKY13过表达的两个品系中检测到基因(Supplemental Tables 1 and 2)并且这些基因被认为是显著改变的。对于TIGR注释的相同基因的冗余探针组，使用平均值作为该基因的表达比率。

在芯片中检测到总共有22,295个用TIGR TU注释的基因，其中12,597个在基因本体论（GO）数据库中具有注释。在差异表达的基因中，297个基因，包括140个上调基因和157个下调基因，具有GO信息。将具有GO注释的12,597个基因用作基线来分析GO类别和子类别中包含的“生物过程”，“分子功能”和“细胞组分”本体中的差异表达基因。

在上调基因中，GO术语“生物过程”中有三个显著变化的亚类，其中包括“氮化合物生物合成”，“氨基酸和衍生物代谢”和“次级代谢”(Table 1 and Supplemental Table 3)。21个上调基因包括在三个亚类中。前两个亚类中的上调基因都与氨基酸代谢有关，主要在天冬氨酸家族氨基酸代谢或生物合成中具有较大的重叠(Supplemental Table 3)。“次级代谢”的子类别包括13个上调基因，并参与苯丙烷类和类黄酮的代谢。

表1. OsWRKY13过表达植物的上调基因中过度表达的GO亚类的分析

a该表中涉及的基因的详细信息显示为补充表3.

b芯片中表达的基因总数，计算（不重复）其所有后代类别的所有基因。

c此类别中上调基因的数量，计算（不重复）其所有后代分类的所有基因。

d使用Fisher精确检验和错误发现率（FDR）lt;0.1校正的P值lt;0.01的类别被指出

表2. OsWRKY13-过表达植物下调基因中过度表达的GO亚类的分析

a该表中涉及的基因的详细信息显示为补充表4。

b括号中显示的子类别名称表示与前一子类别中显示的相同的基因具有相同的基因名称涉及。

c芯片中表达的基因总数，计算（不重复）其所有后代类别的所有基因。

d此类别中上调基因的数量，计算（不重复）其所有后代类别的所有基因。

e使用Fisher精确检验和错误发现率（FDR）lt;0.1校正的P值lt;0.01的类别被指出。

四个亚类，“氧化还原酶活性”，“硫代二硫化物中间交换活性”，“氨基酸激酶活性”，“羧基作为受体的磷酸转移酶活性”，包括总共23个相关基因， GO术语“分子功能”发生了显著变化(Table 1 and Supplemental Table 3)。GO术语“细胞成分”中只有一个“固定于质膜上”的子类别发生了显著变化，其中包括两个上调基因，这些基因编码参与非生物金属应激反应的蛋白质(Roudier et al, 2002) (Supplemental Table 3)。在下调的基因中，GO术语中的两个亚类“生物过程”，“诱导系统抗性”和“茉莉酸介导的信号通路”，都发生了显著变化(Table 2)。包含在两个亚类中的五个下调基因中有四个是相同的(Supplemental Table 4)。“生物过程”，“有机酸转运”

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