全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2010, 36(12): 2091−2098 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金重点项目(30930064), 现代农业产业技术体系建设专项资金和高等学校学科创新引智计划资助项目(B07049)资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 康振生, E-mail: kangzs@nwsuaf.edu.cn
第一作者联系方式: E-mail: wangxiaominamy@yahoo.com
Received(收稿日期): 2010-05-24; Accepted(接受日期): 2010-08-03.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2010.02091
含 CBS结构域的小麦 TaCDCP1基因的克隆及其表达分析
王晓敏 1 冯 浩 1 孙燕飞 1 刘 博 1 王晓杰 1 徐亮胜 1 于秀梅 1
魏国荣 1 黄丽丽 1 康振生 1,2,*
1 西北农林科技大学植物保护学院, 陕西杨凌 712100; 2 西北农林科技大学 / 陕西省农业分子生物学重点实验室, 陕西杨凌 712100
摘 要: 利用电子克隆和 RT-PCR 技术, 在本实验室前期构建的非亲和互作的 SSH 文库基础上, 从条锈菌侵染的小
麦水原 11 叶片中首次分离出一个含 CBS 结构域蛋白的基因, 暂命名为 TaCDCP1 (Triticum aestivum CBS domain
containing protein 1)。TaCDCP1包含一个完整的 654 bp的开放阅读框, 编码 217个氨基酸。推测该基因拟编码的蛋
白具有 2 个 CBS保守结构域, 不含跨膜区且无信号肽, 定位在叶绿体基质内; 经过同源比对, 小麦 TaCDCP1氨基酸
序列与大麦、水稻和玉米等的同源序列的相似性较高; 该基因表达量在小麦叶中显著高于在根和茎中; 在小麦与条锈
菌的非亲和、亲和组合中, TaCDCP1基因均受到条锈菌诱导, 分别在接种后 18 h和 96 h达到表达高峰, 非亲和组合
表达量在侵染前期(接种后 18~48 h)高于亲和组合, 而在侵染后期(接种后 96~120 h)低于亲和组合; 外源植物激素脱
落酸诱导该基因上调表达, 苄基腺嘌呤, 乙烯, 赤霉素, 茉莉酸甲酯和水杨酸处理后其表达量在不同程度上受到抑
制; TaCDCP1在低温和干旱条件下表达量上升, 在机械伤害和高盐处理下表达量无明显差异。表明 TaCDCP1可能通
过脱落酸等信号途径参与小麦对条锈菌的防御反应, 同时参与低温和干旱环境下的信号转导途径。这些结果对于明
确 CBS结构域的功能以及 CBS结构域蛋白尤其是 TaCDCP1在小麦与条锈菌互作中的作用奠定了基础。
关键词: 小麦; 条锈菌; CBS结构域; 非生物胁迫; 基因表达
Cloning and Expression Analysis of a CBS Domain Containing Protein Gene
TaCDCP1 from Wheat
WANG Xiao-Min1, FENG Hao1, SUN Yan-Fei1, LIU Bo1, WANG Xiao-Jie1, XU Liang-Sheng1, YU Xiu-Mei1,
WEI Guo-Rong1, HUANG Li-Li1, and KANG Zhen-Sheng1,2,*
1 College of Plant Protection, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2 Shaanxi Provincial Key Laboratory of Molecular Biology for
Agriculture / Northwest A&F University, Yangling 712100, China
Abstract: To elucidate the defense response of wheat (Triticum aestivum L.) to Puccinia striiformis f. sp. tritici (Pst), we con-
structed the incompatible interaction SSH cDNA library of wheat (cv. Suwon 11) leaves infected by Pst CYR23. A total of 652
unigenes were identified and 424 genes were annotated. On the basis of previous study, according to cDNA sequence
LWSRP2502 (GenBank accession No. EV254338), a full-length sequence of the CBS domain containing protein gene, tentatively
designated as TaCDCP1 (Triticum aestivum CBS domain containing protein 1), was isolated and characterized from wheat leaves
infected by Pst through in silico cloning and reverse transcription PCR (RT-PCR) approaches. The open reading frame of
TaCDCP1 was 654 bp in length and predicted to encode 217 amino acids protein which contained two conserved cystathionine
beta-synthase (CBS) domains and was without transmembrane domain or signal peptide sequence. The deduced protein was pre-
dicted existing in chloroplast stroma. The amino acid sequence of TaCDCP1 shares 92%, 72%, and 63% identify with the ho-
mologs in barley (Hordeum vulgare), rice (Oryza sativa) and maize (Zea mays), respectively. The TaCDCP1 gene was highly
expressed in leaves than in roots and stems. Challenged by Pst, TaCDCP1 was induced by this fungus in both incompatible and
compatible interactions, with the maximal expression at 18 h post inoculation (hpi) and 96 hpi, respectively. Its transcript accu-
mulation was much higher in the incompatible interaction than in the compatible interaction at the early stage of infection (18–48
hpi), but much lower at the late stage (96–120 hpi). The expression of TaCDCP1 was also up-regulated after treated by phytohor-
mones such as abscisic acid (ABA), and down-regulated by benzyladenine, ethylene, gibberellins, methyl jasmonate and salicylic
2092 作 物 学 报 第 36卷

acid to a certain degree. And it was obviously up-regulated by various abiotic stresses, such as low temperature and drought.
However, mechanical wound and high salinity stress could not induce the expression of TaCDCP1. These results suggest that
TaCDCP1 is probably involved in the disease resistance and defense response in wheat to Pst through ABA, and also participate
in the signal transmission pathways under low temperature, and drought conditions.
Keywords: Wheat; Stripe rust fungus; CBS domain; Abiotic stresses; Gene expression
由条形柄锈菌(Puccinia srtiformis f. sp. tritici)引
起的小麦条锈病, 是世界范围内分布最为广泛, 毁
灭性最强的一种小麦叶部病害, 该病的大面积爆发
常造成小麦产量大幅度下降, 甚至绝收[1-2]。在我国,
该病害已有多次全国范围的大流行, 给粮食生产造
成巨大损失[3]。国内外研究和生产实践证明, 合理利
用抗病基因, 培育和推广抗病品种是防治小麦条锈
病最经济、安全和有效的方法[2-3]。优良的抗病基因
资源是产生突破性抗病育种的物质基础, 了解小麦
—条锈菌互作的分子机理是培育广谱、高效、稳定
抗病品种的必由之路。
CBS 结构域是 Bateman[4]根据胱硫醚 β 合成酶
(cystathionine beta synthase, CBS)命名的。CBS结构
域蛋白(CBS domain containing protein, CDCP)是由
一个蛋白进化上保守的超家族所组成的, 他们的主
要特征是在这些蛋白中通常有 2个或 4个CBS结构域
相连[5]。目前在动物中发现这个超家族广泛存在于
细胞膜或细胞质的一些蛋白中, 如 5′-AMP-激活的
蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)[6] γ
亚基 , 肌苷酸脱氢酶 (inosine-5′-monophosphate de-
hydrogenase, IMPDH)[7], 氯离子通道(chloride chan-
nel, CLC)[8], 胱硫醚 β合成酶 CBS[9], 还有一些膜蛋
白等。虽然目前对于 CBS 的功能还不清楚, 但该结
构域点突变的发生会导致人类的遗传疾病[10]; 由于
CBS 结构域常附着于其他各种蛋白质结构域上, 它
的突变还经常导致细胞功能的紊乱, 因此推测 CBS
可能在蛋白与蛋白的互作关系中起着重要的调控作
用[8]; 在许多蛋白中 CBS 结构域作为细胞能量代谢
的传感器 , 起着维持细胞内的氧化还原的调控作
用[10]。在植物中, 对于 CDCP 的研究才刚刚开始。
许多拟南芥和水稻中的未知功能的 CDCP成员与抵御
非生物胁迫有关, 并且根据不同的基因型有不同的
调控, 表明这个家族在植物的抵抗生物与非生物胁
迫反应中有重要作用[5]。Wang等[11]从水稻中分离出的
褐飞虱诱导的抗性蛋白 1 (brown planthopper-induced
resistance protein 1, Bi1)基因, 它编码的是含有类似
CBS 结构域的蛋白, 研究结果显示, 该基因参与水
稻对褐飞虱的抗性反应及对生物及非生物胁迫的应
答。在近等基因系小麦接种叶锈菌后的基因表达研
究中, 与水稻中假定的褐飞虱诱导的抗性蛋白 1基因
同源的 EST Contig 4160仅出现于感病品种中, 且呈
上调表达[12]。但这类基因在小麦中的全长序列尚未
见报道, 其在小麦与条锈菌互作过程中的表达特征
分析就更无从了解。
为研究小麦与条锈菌互作的分子机制, 本实验
室前期以小麦品种水原 11 和小麦条锈菌 CYR23 为
材料构建的非亲和互作的 SSH 文库中, 获得了大量
差异表达的表达序列标签(expression sequence tag,
EST), 对其进行拼接、比对和聚类, 并对聚类得到的
基因进行分类和注释[13]。本研究在此基础上, 筛选
了一个差异表达的 EST序列 LWSRP2502, 采用电子
克隆和 RT-PCR 技术, 首次从小麦中克隆得到一个
含有 CBS 结构域蛋白的基因, 暂命名为 TaCDCP1
(Triticum aestivum CBS domain containing protein 1),
并利用生物信息学软件对 TaCDCP1 的核苷酸及编
码蛋白的结构特征进行分析, 通过实时定量RT-PCR
技术明确其在小麦不同组织器官、生物及非生物胁
迫下的基因表达特征, 为阐明 TaCDCP1 及 CBS 结
构域蛋白在抗小麦条锈病和抗逆反应中的功能奠定
了基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料及处理
小麦(Triticum aestivum L.)品种水原 11, 小麦条
锈菌(Puccinia striiformis f. sp. tritici)条中 23 号生
理小种(CYR23)和条中 31 号生理小种(CYR31), 由
西北农林科技大学植物病理实验室提供。水原 11与
CYR23生理小种呈非亲和反应, 而与CYR31生理小
种呈亲和反应。按康振生等[14]的方法培育及接种小
麦幼苗, 以涂抹无菌水的小麦叶片作为对照, 并分
别在接种后 0、6、12、18、24、48、72、96和 120
h 剪取叶片。生长 2 周左右的小麦根、茎和叶用于
不同组织表达研究。参照 Zhang 等[15]的方法用 100
μmol L−1 脱落酸(ABA)、100 μmol L−1 苄基腺嘌呤
(BA)、100 μmol L−1乙烯(ETH)、100 μmol L−1赤霉
素(GA)、100 μmol L−1茉莉酸甲酯(MeJA)和 2 mmol L−1
水杨酸(SA)喷施生长 4 周左右的小麦叶片, 以喷施
0.1% (V/V)乙醇为对照, 分别在处理后 0、2、6、12和
第 12期 王晓敏等: 含 CBS结构域的小麦 TaCDCP1基因的克隆及其表达分析 2093


24 h取样。高盐处理是将小麦根部浸于 200 mmol L−1
NaCl; 低温处理是将幼苗生长于 4℃条件下; 机械
损伤是用灭菌剪刀对叶组织造成伤口; 干旱处理是
将小麦根部浸于 20%聚乙二醇(PEG-4000)。分别在
处理后 0、2、6、12和 24 h取样, 将剪取的叶片迅
速置液氮中, −80℃保存备用。
1.2 总 RNA的提取与 cDNA合成
采用 Trizol 试剂(Invitrogen)分别提取以上各叶
片样品的总 RNA, DNA 酶 I 处理后备用。以 Oligo
d(T)18为反转录引物, 用 M-MLV 反转录酶(Invitrogen)
试剂盒合成 cDNA 第一链, 用于基因的克隆及实时
荧光定量 PCR。
1.3 TaCDCP1基因的全长 cDNA克隆
以 LWSRP2502(GenBank 登录号为 EV254338)
的 EST为“种子”序列, 利用下载的小麦 EST数据库
和本实验室的 EST分析平台, 进行 EST contig的拼
接和校对, 利用 NCBI站点的 ORF finder (http://www.
ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html)程序进一步筛选。使用
Primer Premier 5.0 软件设计能够有效扩增 TaCOCP1
基因开放阅读框(open reading frame, ORF)的 RT-
PCR 引 物 (FP: 5′-GACCCACGCAACATCCAC-3′;
RP: 5′-GCTCTCCTAAATGCTCCCAG-3′), 以条锈菌
诱导的各时间点样品的总 RNA 等量混合后经反转
录得到的 cDNA 第一链为模板, 进行 PCR 扩增。
PCR程序为 95 , 4 min; 95 , 1 min, 60 1 min, ℃ ℃ ℃
72 1 min, 35℃ 个循环; 72℃延伸 10 min; 4℃保温。
电泳检测 PCR 产物, 回收目的片段, 并将其克隆至
pGEM-Teasy 载体, 采用通用引物 T7 和 SP6 进行测
序反应, 并在 ABI3130 遗传分析仪(Applied Biosys-
tems, Foster, CA, USA)上进行双向测序。
1.4 TaCDCP1的序列分析
使用ExPAsy网站的Compute pI/MW tool (http://
www.expasy.org/tools/pi_tool.html)计算蛋白质的等
电点及分子量; 利用 BLASTP (http://blast.ncbi.nlm.
nih.gov/Blast.cgi)和 InterProScan (http://www.ebi.ac.
uk/Tools/InterProScan/)分析氨基酸保守结构域 ; 利
用 TargetP (http://www.cbs.dtu.dk/services/TargetP/)预测
蛋白质信号肽; 利用 TMpred (http://www.ch.embnet.
org/software/TMPRED_form.html)进行氨基酸跨膜预
测; PSORT (http://psort.ims.u-tokyo.ac.jp/form.html)对
氨基酸进行亚细胞定位预测。根据推测的 TaCDCP1
氨基酸序列, 利用 DNAMAN 软件分别进行氨基酸
序列同源性比对和进化树分析。
1.5 实时定量 PCR分析
根据 TaCDCP1 的 cDNA 序列设计定量 PCR 引
物 (F: 5′-GCCAGAAGAGGTAGAGCCAGTG-3′; R:
5′-CGTAGCTGAGGAGGGAGAAG-3′)。以小麦的延
伸因子 TEF1 (GenBank 登录号为 M90077.1)作为内
参 (FP: 5′-TGGTGTCATCAAGCCTGGTATGGT-3′;
RP: 5′-ACTCATGGTGCATCTCAACGGACT-3′)。利
用 ABI PRISM 7500实时定量 PCR仪以各时间点的
cDNA为模板进行 PCR扩增。反应体系含 0.3 µL 50×
SYBR Green、0.1 µL ROX Reference Dye、10×cDNA
1 µL、10×Taq buffer 2.5 µL、25 mmol L−1 MgCl2 2.5
μL、10 mmol L−1 dNTP 0.5 μL、5 U μL−1 Taq DNA
polymerase 0.2 μL、10 μmol L−1引物 0.5 μL, 补水至
总体积 25 µL。PCR程序为 95℃ 1 min; 95℃ 10 s,
60℃ 20 s, 72℃ 40 s, 40个循环。其后添加融解曲线。
反应结束后分析荧光值变化曲线和融解曲线 , 以
PCR 产物电泳确认扩增产物特异性。采用 2−∆∆CT法
分析数据, 确定基因的相对表达量。每个样品设 3
次生物学重复, 每个生物学重复设 3 个技术重复, 在
同一个批次完成内参基因和目标基因的 PCR反应。
数据的分析及标准误差均由 3 个生物学重复的结果
通过 Duncan 测试而统计得出, 当 P≤0.05 时, 接种
后各时间点表达量差异显著。
2 结果与分析
2.1 TaCDCP1的全长 cDNA克隆和序列分析
LWSRP2502经电子延伸后, 由原来的 233 bp延
伸至 1 118 bp。经 ORF finder预测, 该延伸序列含有
一个完整的 ORF。依据此 ORF设计特异引物进行扩
增, 得到期望长度的产物(854 bp), 经克隆、测序分
析, 其序列同电子克隆的序列完全一致。结果显示,
该基因 ORF长 654 bp, 编码 217个氨基酸(图 1)。
Blastn 分析发现, 该基因序列与大麦未被注释
功能的 FLbaf96m04 的全长序列和玉米包含 CBS 结
构域蛋白的基因全长 cDNA 序列高度相似, 且开放
阅读框范围基本一致。因此, 可以确定已克隆到的
基因有完整的开放阅读框, 将其命名为 TaCDCP1。
2.2 TaCDCP1编码蛋白的序列分析
TaCDCP1 所编码的蛋白, 预测分子量为 23.69
kD, pI 值为 8.30。利用 InterProScan 预测程序对
TaCDCP1 所编码蛋白的结构域和功能位点进行分析,
结果显示, 含有 2个 CBS保守结构域(图 1), 分别在
99~145 位和 157~212 位氨基酸。以 TMpred 预测该
2094 作 物 学 报 第 36卷



图 1 TaCDCP1 的 cDNA序列及其推测的氨基酸序列
Fig. 1 Analysis of cDNA and predicted amino acid sequences of TaCDCP1
TaCDCP1 的起始密码子、终止密码子用边框标记; 上、下游引物的序列和位置用斜体字与箭头标记; 阴影部分为 CBS结构域。
Triple bases in the box show the start and stop codons of TaCDCP1; the italic and underlined sequences indicate the gene-specific primers for
RT-PCR with the arrows indicating the amplification directions; shadow regions are CBS domains.

蛋白不含跨膜区, Signal IP3.0预测该蛋白无信号肽,
不属于分泌蛋白, PSORT 亚细胞定位预测该蛋白位
于叶绿体基质内。
利用 NCBI 的 Blastx 和 DNAMAN 软件对
TaCDCP1编码的氨基酸序列与其他同源序列进行同
源性比较, 结果表明, 该基因的氨基酸序列与大麦
未被注释功能的 FLbaf96m04的全长序列(AK251025)
拟编码的氨基酸序列高度同源 , 同源性高达 92%;
与水稻中的 3 种褐飞虱诱导蛋白的氨基酸序列比较
后, 发现其与假定的褐飞虱诱导的抗性蛋白 1 (BAD
21528)/OsCBSX3a[5]最为相似, 同源性为 72%, 与假
定的褐飞虱敏感蛋白 1Hd002A (AAQ54304)、褐飞虱
诱导的抗性蛋白 1 即OsBi1(AAQ54305)的氨基酸同
源性次之 , 同源性分别为 61%和 43%; 与玉米
(NP_001148544)中的 homologs的氨基酸序列的相应
区段高度同源(图 2), 同源性为 63%, 以上这几种蛋
白均含有 CBS保守结构域。
系统进化树分析结果显示(图 3), TaCDCP1与大
麦中的同源序列亲缘关系最近, 与水稻和玉米的亲
缘关系次之, 与云杉和高粱的亲缘关系较远。
2.3 TaCDCP1 基因组织特异性及条锈菌诱导的
表达分析
定量 RT-PCR结果显示, TaCDCP1在小麦叶组织
中表达量显著高于其在根和茎中的(图 4)。TaCDCP1
基因的转录表达受小麦条锈菌的诱导(图 5), 在小麦
与条锈菌非亲和组合中, TaCDCP1从接种后 12 h开
始上调表达, 至 18 h时达到高峰, 为对照的 4倍, 其
表达量显著高于亲和组合, 之后下调恢复到初始水
平, 至 96 h时再出现表达高峰; 在亲和互作组合中,
TaCDCP1的表达量于接种后 12 h稍有上升(约为对
照 2 倍), 但很快下调, 至 24 h 时处于最低表达量,
仅为对照的 1/10, 之后恢复至初始水平。于接种后
96 h时达到高峰, 高达对照的 8倍, 表达量显著高于
非亲和组合。在接种后 120 h, 亲和组合中 TaCDCP1
下调至初始水平, 仍高于非亲和组合。
2.4 TaCDCP1基因生物及非生物胁迫的表达分析
使用不同外源激素处理小麦叶片, qRT-PCR 分
析结果表明(图 6), TaCDCP1受 ABA诱导上调表达,
受其他激素诱导在不同程度上下调表达。ABA处理
后 6 h 表达量上升至最大值, 之后急剧下降至初始
第 12期 王晓敏等: 含 CBS结构域的小麦 TaCDCP1基因的克隆及其表达分析 2095




图 2 TaCDCP1编码蛋白与其他植物同源氨基酸序列比对
Fig. 2 Multiple alignments of predicted amino acid sequences of TaCDCP1 and homologs from other species
黑色与灰色分别表示氨基酸序列 100%及 75%的相似性; 左侧标注物种拉丁名缩写和蛋白的 GenBank登录号。Ta: 小麦; Hv: 大麦; Os:
水稻; Zm: 玉米。大麦中同源氨基酸序列对应的核苷酸序列 GeneBank登录号为 AK251025; BAD21528, 假定的褐飞虱诱导的抗性蛋
白 1; AAQ54304, 假定的褐飞虱敏感蛋白 1Hd002A; AAQ54305, 褐飞虱诱导的抗性蛋白 1。
Black and light-gray boxes represent 100% and 75% similarities of amino acid sequences, respectively. Left of the figure shows the species names and
the GenBank accession numbers. Ta: Triticum aestivum, Hv: Hordeum vulgare, Os: Oryza sativa and Zm: Zea mays. The GenBank accession number
of homolog protein’s nucleotide sequence in barley is AK251025; BAD21528, putative brown planthopper-induced resistance protein 1; AAQ54304,
putative brown planthopper susceptibility protein Hd002A; AAQ54305, brown planthopper-induced resistance protein 1.

状态; ETH处理后 2 h表达量下降, 处理后 6 h达到
最高值(仅为对照的 1.5 倍), 随后下降, 最终又恢复
初始水平。BA、GA、MeJA和 SA处理后 2~12 h的
表达量均受到抑制。以上结果表明, TaCDCP1 基因
可能通过 ABA 信号途径介导小麦对条锈菌的防御
反应。
在低温环境下, TaCDCP1在处理后 2~12 h下调
表达, 至 24 h时骤然激增至对照的 5.5倍; 在模拟干
旱环境中, TaCDCP1在处理后 12 h表达量约为对照
的 2 倍, 其他时间保持与对照同一水平; 机械伤害
和高盐处理对 TaCDCP1的表达影响不大, 其表达量
持续保持为对照的 1.0~1.5倍(图 7)。
3 讨论
本研究首次从小麦中克隆到一个含有 CBS结构
域的基因 Ta C D C P 1。虽然该基因序列与大麦
FLbaf96m04 的全长序列和玉米包含 CBS 结构域蛋
白的基因全长 cDNA序列高度相似, 但在NCBI中对
2096 作 物 学 报 第 36卷

这 2 个物种却仅仅只提交了基因全长序列而没有做
相应的研究[16-17], 而该基因预测编码的多肽与水稻
已报道的 3种褐飞虱诱导蛋白 OsBi1、假定的 OsBi1
和假定的褐飞虱敏感蛋白 1 的氨基酸序列相似性较



图 3 TaCDCP1与其他 CDCP的进化树分析
Fig. 3 Phylogenetic tree of TaCDCP1 and other CDCPs
CDCP序列的名称以物种拉丁名缩写和蛋白/基因 GenBank登录
号表示。Ta: 小麦; Hv: 大麦; Os: 水稻; Zm: 玉米; Ps: 云杉; Sb:
高粱。大麦中同源氨基酸序列对应的核苷酸序列 GenBank登录
号为 AK251025。
Branches were labeled with the species names and the GenBank
accession numbers. Hv: Hordeum vulgare, Ta: Triticum aestivum,
Os: Oryza sativa, Zm: Zea mays, Ps: Picea sitchensis and Sb: Sor-
ghum bicolor. The GenBank accession number of homolog
protein’s nucleotide sequence in barley is AK251025.



图 4 TaCDCP1在小麦根、茎、叶中的表达量
Fig. 4 Transcription expression of TaCDCP1 in wheat root,
stem, and leaf


图 5 TaCDCP1在非亲和与亲和组合中不同时间点的表达模式
Fig. 5 Transcription pattern of TaCDCP1 in wheat leaves in-
fected by Pst races CYR23 (incompatible reaction) and CYR31
(compatible reaction) at different time-points post inoculation

高 , 这为该基因在植物中的研究提供了一定的线
索。组织表达模式研究表明, TaCDCP1 在叶中表达
量远远高于在茎和根中, 这与 TaCDCP1位于叶绿体
基质内的亚细胞定位预测的结果一致。但在水稻中,
细胞原位杂交结果表明 OsBi1 基因特异地积累于受
褐飞虱诱导后茎部的维管束周围的细胞中[11], 这可
能与 CDCP 基因 5端结构不同有关。表明不同的
CDCP有不同的组织特异性。
抗病品种中对病原物侵染的防御反应通常发生
在植物与病原物互作初期。过敏性反应(hypersensi-
tive response, HR)与植物抗病性有着密切的联系[18-19]。
有些研究认为 HR 本身就是植物的一种基本的抗病
防卫反应[20]。本研究中 TaCDCP1在小麦与条锈病互
作的非亲和组合中, 最大表达量发生在条锈菌侵染
早期(接种后 18 h), 而前期研究表明小麦与条锈菌
互作的非亲和组合中, 由过敏性反应引起的细胞坏
死发生在侵入后(接种后 24 h)[21-22]。在过敏性坏死发
生之前, 条锈菌与寄主之间发生信号交换与基因互
作, 引发了一系列反应, 如蛋白磷酸化, Ca2+浓度变
化, 活性氧变化, 水杨酸变化和离子流变化等[23]。
CBS 结构域有维持细胞内氧化还原的调控作用[10],


图 6 小麦 TaCDCP1在不同激素诱导下的表达谱分析
Fig. 6 Real-time PCR analysis of the expression of TaCDCP1 in wheat in response to ABA, BA, ETH, GAs, MeJA, and SA treatments
ABA: 脱落酸; BA: 苄基腺嘌呤; ETH: 乙烯; GAs: 赤霉素; MeJA: 茉莉酸甲酯; SA: 水杨酸; hpt: 处理后小时数。
ABA: abscisic acid; BA: benzyladenine; ETH: ethylene; GAs: gibberellins; MeJA: methyl jasmonate; SA: salicylic acid; hpt: hours post
treatment.
第 12期 王晓敏等: 含 CBS结构域的小麦 TaCDCP1基因的克隆及其表达分析 2097




图 7 小麦 TaCDCP1在各种环境胁迫下的表达谱分析
Fig. 7 Real-time PCR analysis of the expression profile of the TaCDCP1 gene in wheat leaves treated with low temperature,
mechanical wounding, drought and high salinity
hpt: 处理后小时数。hpt: hours post treatment.

推测含有 CBS 结构域的 TaCDCP1 有可能在条锈菌
侵染前期通过调控氧化还原作用参与小麦对条锈菌
的抗病反应。TaCDCP1的表达在非亲和与亲和组合
侵染后期(接种后 96 h)被大量诱导, 尤其是在亲和
组合中, 这可能是寄主细胞对于病原菌的次生菌丝
在组织中的扩展造成的细胞形态瓦解和营养物质破
坏的一种防御反应。抗虫水稻品种 B5 中, OsBi1 在
受到褐飞虱诱导后 36 hpi就被检测到有大量的表达,
并于接种后 96 h达到高峰[11], 这与本文的结果相似。
根据含有CBS结构域的数目及其他非CBS结构
域的种类, Hemant 等[5]对 34 个来自拟南芥的 CDCP
和 59个来自水稻的 CDCP进行归类发现, 这两种作
物中的 CDCP 也是一个庞大的基因家族。其他实验
室研究结果表明, 在由携带抗叶锈基因 Lr10近等基
因系小麦受叶锈侵染后分别构建的亲和与非亲和组
合的 cDNA 文库中, 挑选有表达差异的 EST 序列,
再经过 RT-PCR 基因表达分析的比较, 发现 Contig
4160 仅在亲和库中高度表达 , 该 EST 与假定的
OsBi1 高度相似[12], 这个结果与本实验的研究结果
不一致。经过同源比对, 假定的 OsBi1与水稻 CDCP
中OsCBSX3a的氨基酸序列一致, 即与其他OsCBSX3
的成员高度同源, 既然OsCBSX3有 5个不同的蛋白[5],
推测 TaCDCP1 在小麦中也可能是一个多基因家族
成员之一。由于 Contig 4160 仅为一段小麦的 EST
序列而不是基因序列的全长, 很可能与 TaCDCP1不
是同一个基因, 而是同属于一个家族, 由此造成不
同组合中表达模式的不同。
SA、JA和 ET是植物抵御病原菌侵入的 3个重
要信号调节分子[24], SA信号途径主要是抵御活体寄
生菌, JA/ET途径则被认为是主要抵御腐生菌, 是两
个不同的植物防御反应信号途径[25]。ABA途径也广
泛参与植物与病原菌互作过程[26]。OsBi1 在受到乙
烯诱导后大量表达, 但是不受 ABA、JA和 SA的诱
导[11]。本研究中, TaCDCP1对外源 ABA有较快响应
(处理后 6 h), 而其表达不被 SA、JA、ET等外源激
素所诱导, 这暗示 TaCDCP1 可能是通过 ABA 信号
途径介导对条锈菌的防御反应。但是, TaCDCP1 如
何参与小麦对条锈菌的防御反应, 有待进一步研究。
植物受到多种外界信号刺激, 包括干旱、冻害、
盐害、渗透胁迫、氧化胁迫、光照、触摸、风、雨、
伤害等。OsBi1参与了植物的防御反应[11]。TaCDCP1
对于低温胁迫十分敏感, 呈现先下调后急增的表达
模式; 模拟干旱胁迫也可诱导 TaCDCP1的上调表达;
对于伤害和高盐胁迫 TaCDCP1不敏感。这与 OsBi1
在干旱条件下大量诱导但对机械伤害无反应的结果
一致[11]。在拟南芥和水稻的根和芽中 CDCP 的所有
基因的表达量在受到干旱胁迫后上调表达, 部分基
因受到低温胁迫后也上调表达[5]。由此推测, TaCDCP1
可能参与植物对低温和干旱胁迫的抵御反应。
TaCDCP1作为 CDCP的一员, 可能参与小麦与
条锈菌的互作过程, 对于 CBS 结构域的功能有待进
一步研究。
4 结论
从小麦中分离出一个受条锈菌诱导的含 CBS结
构域的基因 TaCDCP1, 该基因编码 217 个氨基酸,
具有 2个 CBS保守结构域。TaCDCP1与大麦中的同
源序列相似性最高, 与水稻假定的褐飞虱诱导的抗
性蛋白 1 的相似性次之。该基因在小麦叶中表达量
显著高于其在根和茎中。TaCDCP1受小麦条锈菌诱
导表达 , 非亲和组合表达量在侵染前期 (接种后
18~48 h)高于亲和组合 , 而在侵染后期 (接种后
2098 作 物 学 报 第 36卷

96~120 h)低于亲和组合。TaCDCP1可能通过脱落酸
信号途径参与小麦对条锈菌的防御反应, 同时参与
低温和干旱环境下的防御反应。
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