全 文 ：·综述与专论· 2014年第6期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
植物在生长发育过程中会经常受到细菌、真菌
和病毒等病原体的侵袭，其结果表现为抗病或感病。
在与病原体长期的相互作用与进化过程中，植物逐
渐形成了复杂的防御机制。一般认为，植物通过抗
性（R）基因与病原体无毒基因（Avr 基因）的互作，
激活植物的防御反应［1，2］。大多数植物的 R 蛋白具
有 核 苷 酸 结 合 位 点（Nucleotide-binding site，NBS）
和富亮氨酸重复序列（Leucine-rich repeat，LRR）的
结 构 特 点。NBS 具 有 ATP 或 GTP 结 合 活 性，LRR
结构域调节蛋白质-蛋白质相互作用，起着确定基因
对基因间互作的直接特异性［3］。NBS-LRR 类 R 基因，
根据其 N 端的结构域特点，可进一步分为卷曲螺旋
结构域（CC）NBS-LRR 类与果蝇 Toll 蛋白和哺乳动
物白细胞介素 I 受体同源域（TIR）NBS-LRR 类［4］。
虽然 R 蛋白在感知病原体后的激活抗性过程
收稿日期 ：2013-12-03
基金项目 ：国家转基因生物新品种培育重大专项（2011ZX08001-002）
作者简介 ：龚前园，男，硕士研究生，研究方向 ：植物分子生物学与基因工程 ；E-mail ：gqyscnc@sina.cn
通讯作者 ：张永强，男，研究员，研究方向 ：植物分子生物学 ；E-mail ：zhangyongq@sina.com
拟南芥 NDR1 基因介导的广谱抗病性研究进展
龚前园  张超  李为民  张永强
（中国农业科学院生物技术研究所，北京 100081）
摘 要 ： 抗病基因的研究是抗病育种及防治植物病害的基础。拟南芥 NDR1（Non-race-specific disease resistance 1）基因，编
码一个质膜定位蛋白，在 R 基因介导的抗性中具有重要作用。NDR1 能与 CC-NB-LRR（卷曲螺旋核酸结合或富亮氨酸重复）类抗
病蛋白相互作用。以拟南芥抗病基因 NDR1 及其蛋白结构的研究进展为基础，综述了 NDR1 的广谱抗病性和抗病分子机理。
关键词 ： 抗病基因 NDR1 CC-NB/LRR
Advances of NDR1 Gene Determined Broad-spectrum Disease
Resistance in Arabidopsis
Gong Qianyuan Zhang Chao Li Weimin Zhang Yongqiang
（Biotechnology Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081）
Abstract:  The research of resistance genes is the basis of disease resistance breeding and plant diseases controlling. Arabidopsis NDR1
（non-race-specific disease resistance 1）gene, encoding a plasma membrane protein, plays an important role in the R gene mediated disease
resistance, by interacting with CC-NB-LRR（nucleic acid binding or coiled-coil leucine-rich repeat）class of antiviral proteins. Here, we
summarized the latest progresses of Arabidopsis NDR1 gene and the broad-spectrum disease resistance of NDR1.
Key words:  Disease resistance gene NDR1 CC-NB-LRR
中发挥着核心作用，但单靠 R 蛋白启动抗性是不
够的。因此，作为抗性共激活因子的众多辅助蛋白
和 伴 侣 蛋 白 也 已 被 确 定。 例 如，Enhanced disease
susceptibility 1（EDS1） 通 过 激 活 R 蛋 白 的 TIR 结
构 域 调 控 防 御 信 号， 而 Non-race-specific disease
resistance 1（NDR1）是含有 CC 结构域的 R 蛋白激
活所必需的［5-9］。但也有例外，几个 CC-NB-LRR 类
R 蛋白对卵菌纲病原菌 Hyaloperonospora arabidopsidis
的特异抗性独立于 NDR1 之外起作用［10，11］。因此，
虽然 EDS1 和 NDR1 依靠 R 蛋白的结构特异性、功
能和激活信号似乎是保守的，但这些途径相关的完
整机制仍不清楚。
激活 R 蛋白介导的抗性所需的两个主要信号元
件中，EDS1 研究的比较清楚。EDS1 作为涉及生物
和氧化应激信号的核心调控蛋白［12］。细菌感染植
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第6期30
物后，EDS1 通过与植保素缺陷蛋白 4（Phytoalexin-
deficient 4）和衰老相关基因 101（Senescence-associ-
ated gene101）的互作，诱发超敏反应（HR）［13，14］。
EDS1 也被证明在阻止非致病真菌侵入增长以及运作
氧化应激信号中起作用［12］。相反，NDR1 在 CC-NB-
LRR 类的信号转导通路中的功能尚不清楚。故笔者
着重对近年来对 NDR1 基因的研究进展进行综述。
1 NDR1 基因的结构
Century 等［6］在研究拟南芥与丁香假单胞菌（Pst）
之间的互作时，发现了一个可能涉及拟南芥抗病途
径的基因，由于其具有非小种专化抗病性，故命
名为 NDR1。NDR1 基因位于拟南芥第 3 条染色体
上，限制性片段长度多态性（RFLP）标记出其位于
g6220 与 g4711 之间的 8.5 厘摩（cM）［6］。NDR1 蛋
白是一个质膜蛋白，它经历了几个翻译后修饰，包
括羧基末端处理和氨基端糖基化［7，8］。基因组 DNA
序列分析显示，NDR1 含有一个单一的 660 个碱基
对的开放阅读框（ORF）［7］。
2 NDR1 蛋白的结构
Coppinger 等［8］通过序列分析预测 NDR1 是一
个 C 末端糖基肌醇（GPI）锚定蛋白，并通过选择离
子监测质谱法（SIM-MS）得到验证。NDR1 蛋白的
结构如图 1 所示，其中 ω 位点、断裂位点和疏水尾
巴为 GPI 锚定蛋白的基本特点。Knepper 等［16］通过
的 3 个氨基酸的 α-螺旋结构（图 2-B），他们确定了
在溶剂中暴露的氨基酸 178-180 位置存在的一个类
似整合素蛋白 Arg-Gly-Asp（RGD）的 NGD 结构域
（Asn-Gly-Asp）。在宿主-真菌互作中，防御信号中
的 NGD 域是一个潜在的配体结合位点，该位点涉及
胞壁质膜黏附［18，19］。此外，据推测 NGD 位点也是
病原菌效应蛋白和分泌系统的靶标，大概是为了通
过破坏细胞壁质膜黏着斑而方便病原体进入［20］。
Ӣ≤४ฏ 䭊ᇊ४
48aaⲴᯝ㻲ս⛩ ⮿≤ቮᐤ
18aa 20aa 156aa
D S
ω ω+1 ω+2
6aa 15aa
S R COOHNH2
D ：天冬氨酸 ；S ：丝氨酸 ；R ：精氨酸
图 1 NDR1 的结构［8］
与整合素蛋白 LEA14 进行同源建模，预测了 NDR1
蛋白的高级结构（图 2）。对预测结果进行进一步分
析发现该蛋白与涉及信号感知和先天免疫反应的哺
乳动物整合素蛋白具有几个惊人的相似之处。例如，
大量的 β 折叠的圆环（图 2-A 蓝色箭头）类似于Ⅲ
型纤连蛋白的核心结构。进一步的模拟表明 NDR1
的主要核心结构与膜结合亚单位（即纤连蛋白域）
FNIII 具有很强的相似性，NDR1 和整合的假定跨膜
结构域都连接到一个大的单一 β 片上［17］。根据相邻
A
N
N
B C
A ：预测的 NDR1 ；B ：LEA14 的结构 ；C ：NDR1 与 LEA14 拧到一起，以突
出同源性（PHYRE 分析同源精度为 95％，E 值 0.008）（颜色标识见电子版）
图 2 NDR1 蛋白的高级结构［16］
3 NDR1 在抗病信号转导中的作用方式
通过突变体删除试验表明，NDR1 是一个重要
的诱导防御反应的抗性基因，并具有非小种专化抗
病性［6］。在过去的 10 多年中，通过阐明 NDR1 参
与的遗传相互作用，发现 NDR1 参与了植物防御信
号，并作为防御信号激活所需的核心元件，激活
CC-NB-LRR 类 R 蛋白［9］。拟南芥突变体 ndr1-1 植
株中，由细菌引起的水杨酸（Salicylic acid，SA）或
通过 UV-C 光或缺氧产生的活性氧（Reactive oxygen
species，ROS）都被减弱了，并且在由细菌或 ROS
诱导的 SAR 也受损，但 BTH 诱导的 SAR 不受影响。
从而表明，NDR1 在 ROS 的下游和 SA 的上游发挥
功能［21］。 结合以上分析，Shapiro 等［21］总结了抗
病信号转导模型，明确了 NDR1 在抗病信号转导中
的作用位置，如图 3 所示。
4 NDR1 基因的抗病性
4.1 拟南芥NDR1的抗病性
通过突变体 ndr1-1 的感病性检测，NDR1 对携
带 无 毒 基 因 avrB、avrRpm1、avrRpt2 和 avrPph3 中
任何一个的丁香假单胞菌具有抗性［6］。同时，NDR1
2014年第6期 31龚前园等 ：拟南芥 NDR1 基因介导的广谱抗病性研究进展
的 突 变 严 重 削 弱 了 拟 南 芥 在 响 应 携 带 无 毒 基 因
avrRpt2 的丁香假单胞菌时 HR 和 SAR 的诱导能力，
也降低了突变体植株 PR1 基因的表达水平［21］。
Coppinger 等［8］研究转基因拟南芥的 ndr1-1 补
充突变体发现，该基因开放读码框上游的一个 1.3
kb 区域，足以驱动 NDR1 基因的表达。在这个 1.3
kb‘NDR1 本地启动子’的启动下，能稳定地在转
基因拟南芥 ndr1-1 突变体中表达 NDR1，从而实现
在拟南芥中过量表达 NDR1。其结果是，可以增强
拟南芥对一些细菌的抗病能力，如番茄丁香假单胞
菌，但对非细菌性病原菌的抗性增强不明显，如芜
菁皱缩病毒和白粉病。通过抗病基因工程研究 NDR1
的功能也有报道。窦道龙等［22］利用农杆菌介导法，
将从拟南芥 Wassilewskija 生态型中克隆到的 NDR1
基因转到烟草中发现，部分转基因苗（约 30%）对
赤星病和晚疫病的抗性明显增强。人们在拟南芥中
发现了 45 个与 NDR1 和 HIN1（烟草中与 NDR1 序
列相似的抗病基因）相关的基因，它们属于 NHL（似
NDR1/HIN1）大家族［23， 24］。这些基因不同程度地参
与了植物防御途径，如 NHL10 在黄瓜花叶病毒引起
的过敏反应中被诱导表达［24］。
因此，NDR1 基因确实参与了植物的抗病反应，
而且与 NDR1 序列相似的基因也可能具有抗病性，
这为广泛克隆并研究植物抗病基因奠定了基础。
4.2 其他植物NDR1基因的抗病性
近年来，人们对其他植物中的 NDR1 同源基因
的抗病性也做了一定的研究。例如，Cacas 等［25］从
咖啡中克隆到了与拟南芥 NDR1 功能上同源的基因
CaNDR1a，它能恢复 ndr1-1 对丁香假单胞菌的抗性。
同时，他们还通过瞬时表达系统，确定 CaNDR1a 蛋
白和拟南芥 NDR1 蛋白一样也通过 C 末端处理定位
于质膜上，且与类似 RIN4 的蛋白互作，从而证明
了 NDR1 蛋白在咖啡和拟南芥之间的功能上和生化
特性上的保守性。Lu 等［26］克隆了柑橘中的 NDR1
同源基因，即 CsNDR1，并证实过表达 CsNDR1 能弥
补拟南芥突变体 ndr1-1 对丁香假单胞菌的抗性，也
能增强对卵菌纲病原体 Hyaloperonospora arabidopsidis
的抗性。这种过表达与 SA 产物的增加和防御标记
蛋白 PATHOGENESIS RELATED 1（PR1）的表达正
相关，这说明 CsNDR1 的过表达可激活 SA 介导的
防御信号，从而导致广谱抗病性的产生。此外，他
们还发现，在感染与柑橘火龙病相关的细菌病原
体 Candidatus Liberibacter 的柑橘中，能诱导温和的
PR1 的表达和 SA 的积累，从而进一步证实 CsNDR1
是拟南芥 NDR1 的一个功能性同源基因。
总之，NDR1 基因介导了植物的广谱抗病性，
并且它在一些植物的防御途径之间是保守的。因此
我们可以通过克隆一些抗病植物的 NDR1 同源基因，
通过基因工程的方法将 NDR1 基因转化到其他经济
植物中，以提高目标植物的抗病性。
4.3 NDR1的抗病分子机理
人们广泛认为，R 蛋白介导的植物对细菌抗性
的分子遗传基础，涉及直接或间接的识别来源于病
原体的毒力效应器，从而诱发植物的抗病性［27，28］。
细菌 III 型效应蛋白通过 III 型分泌系统进入植物细
胞质，识别寄主植物并激活防御信号形成抗性。当
效应蛋白被寄主植物识别时，就会产生基因对基因
的抗性，从而启动抗病反应。
Coppinger 等［8］通过抗原标记 NDR1 转化到拟
南芥 ndr1-1 中，再利用免疫印迹证实 NDR1 通过 C
末端糖基肌醇（GPI）锚定到质膜上，GPI 可能在膜
的外表面修饰 NDR1，从而使 NDR1 与外源病原体
信号直接或间接相互作用。Knepper 等［16］通过同源
建模，预测 NDR1 与拟南芥胚胎发育晚期富集蛋白
14（与非生物胁迫响应有关的蛋白）的结构高度相似。
NO
avr/Rสഐ׍䎆ؑਧ
ӗ⭏⍫ᙗ≗
Āᕅਁഐᆀā
PRสഐ表达
SAR
npr1
SA
ndr1
SA
㓶㜎↫ӑ
(HR)
图 3 抗病信号转导模型［21］
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第6期32
特定的蛋白质超二级结构也表明 NDR1 与哺乳动物
整合素具有惊人的相似性，整合素能调节细胞外基
质和胁迫信号之间的相互作用。ndr1-1 突变体植物
感染病原体后，与野生型 Col-0 相比，表现出较高
的电解液泄漏。 此外，还观察到质壁分离的表型改
变，这表明 NDR1 能通过调节在环境压力下发生的
细胞液损失，从而保持细胞壁质膜的粘连。
NDR1 是一个质膜定位、GPI 锚定的蛋白质，能
够形成同型二聚体。 NDR1 包含一个位于该蛋白质
外体的 NGD 结构域（Asn-Gly-Asp），该结构域能通
过直接或间接的相互作用将细胞壁和质膜连接在一
起（图 4 中小标 1，2）。通过鉴定 NDR1 与 RIN4 的
相互作用，人们进一步认识了 NDR1 在效应器触发
免疫（Effector-triggered immunity，ETI）中的作用 ：
NDR1 通过与 RIN4 的互作及随后 R 蛋白的负调节
作用，至少部分地，正向调节了抗性反应［29］。目前
尚不清楚介导 NDR1 与 ETI 联系的其他细胞元件。
RIN4 能与 R 蛋白 RPS2 互作，并通过 RIN4 的分开
来识别丁香假单胞菌 DC3000 的效应蛋白 AvrRpt2，
随后被 RPS2 识别并激活 ETI。最近发现，NDR1 能
激活丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated protein
kinase，MAPK）途径和 PTI。NDR1 与 PTI 上游的具
体互作元件仍未确定（图 4 中小标 3）。
5 展望
NDR1 通过 C 末端锚定到质膜上，在细胞质内
通过与抗病蛋白 RPS2 及负调节蛋白 RIN4 的相互作
用参与抗病信号转导，从而使抗病信号从细胞外空间
转导到细胞内［29］。同时，HR 过程中产生的 ROS 也
作用于 NDR1［21］。抗病信号进一步传递，产生 SA，
促进病程相关基因的表达。NDR1 基因介导了植物
的广谱抗病性，并且它在防御途径中的功能在很多
植物之间是保守的。因此可以通过对保守序列的分
析，克隆一些抗病植物的 NDR1 同源基因或与 NDR1
序列相似的基因，然后通过基因工程的方法将这些
基因转移到其他植物中，并实现稳定表达，从而提
高目标植物对各种病原菌的广谱抗性。
目前虽然已经确定 NDR1 参与抗病信号转导，
并对拟南芥 NDR1 的抗病性做了一定的研究。但对
NDR1 在信号转导通路中的功能及其抗病分子机理
的研究不多，而且大多处于推论阶段，需要进一步
的试验技术来证明。鉴于 NDR1 基因的广谱抗病性，
其在作物广谱抗病基因工程中具有较大的应用前景。
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ETI
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RPS2
NGD NGD
Apoplast
Cell wall
Plasma membrane
AvrRpt2
图 4 NDR1 在细胞生理和病原体防御信号中扮演的角色［30］
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（责任编辑 狄艳红）