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Discovery and identification of homology gene to Rpi-blb2 in tomato(Solanum lycopersicum)

番茄中Rpi-blb2同源基因的挖掘与鉴定



全 文 :  Guihaia  Apr. 2016ꎬ 36(4):462-470
http: / / journal.gxzw.gxib.cn
http: / / www.guihaia-journal.com
DOI: 10.11931 / guihaia.gxzw201408016
王俊生ꎬ胡利宗ꎬ刘红占ꎬ等. 番茄中 Rpi ̄blb2同源基因的挖掘与鉴定[J]. 广西植物ꎬ 2016ꎬ 36(4):462-470
WANG JSꎬHU LZꎬLIU HZꎬet al. Discovery and identification of homology gene to Rpi ̄blb2 in tomato (Solanum lycopersicum) [J]. Guihaiaꎬ 2016ꎬ 36(4):
462-470
番茄中 Rpi ̄blb2同源基因的挖掘与鉴定
王俊生ꎬ 胡利宗ꎬ 刘红占ꎬ 王永立ꎬ 陈  龙
( 周口师范学院 生命科学与农学学院ꎬ 河南 周口 466001 )
摘  要: 番茄晚疫病是番茄生产中的主要病害之一ꎬ经常会造成较大的经济损失ꎮ 晚疫病生理小种的变异和
进化常会导致番茄品种原有的遗传抗性丧失ꎬ因此不断挖掘新的抗性基因ꎬ改良番茄晚疫病抗性是番茄抗病
育种的长期任务ꎮ 该研究采用 BLAST同源比对的方法ꎬ以马铃薯野生近缘种的晚疫病抗性蛋白序列 Rpi ̄blb2
为种子序列ꎬ在 NCBI蛋白质序列数据库中检索得到 11 条番茄蛋白质序列ꎬ这些序列与种子序列相似性为
78%~83%ꎬ属于番茄疾病抗性蛋白家族ꎬ并对该家族成员进行了基因结构、基因定位、序列保守结构域和进化
关系等分析ꎮ 结果表明:该家族中 10条序列分布在第Ⅵ条染色体上ꎬ1条分布在第Ⅴ染色体上ꎻ6号染色体上
的 10序列呈现 2个抗病基因簇分布ꎬ在染色体上分别占据 2个和 3个基因位点ꎻ10条同源蛋白是 Rpi ̄blb2的
共同垂直同源蛋白ꎬ但不具有平行同源关系ꎬ大多数成员定位于细胞质ꎮ 按照蛋白质保守结构域和基因定位
的不同可分为三类ꎬ第一类共 4条系列ꎬ包含有 DUF3542和 NB ̄ARC两个保守结构域特征序列ꎻ第二类共 6条
序列ꎬ与马铃薯 Rpi ̄blb2蛋白一样ꎬ仅包含 NB ̄ARC保守结构域特征序列ꎬ在这 2类蛋白序列的 NB ̄ARC结构
域均位于序列中部ꎻ第三类(仅包含 XP_004239406.1)虽然也具有与第一类蛋白相似的 DUF3542 和 NB ̄ARC
结构域ꎬ但在结构域两端的非保守区序列较短ꎬ且位于 5号染色体上ꎬ因此将其单独归为 1类ꎮ 前两类蛋白成
员相应的基因具有 1~2个内含子ꎬ第 3类蛋白不含内含子ꎮ 该研究结果为利用生物技术选育番茄抗性品种提
供了理论基础ꎮ
关键词: 番茄ꎬ 晚疫病ꎬ 基因ꎬ 垂直同源ꎬ 进化分析
中图分类号: Q943.2ꎬS641.2    文献标识码: A    文章编号: 1000 ̄3142(2016)04 ̄0462 ̄09
Discovery and identification of homology gene to
Rpi ̄blb2 in tomato (Solanum lycopersicum)
WANG Jun ̄Shengꎬ HU Li ̄Zongꎬ LIU Hong ̄Zhanꎬ WANG Yong ̄Liꎬ CHEN Long
( College of Life Sciences and Agricultureꎬ Zhoukou Normal Universityꎬ Zhoukou 466001ꎬ China )
Abstract: Late blight is the most destructive disease in tomato (Solanum lycopersicum) cultivation worldwide and will
result in large economic losses. As the variation and evolution of original racesꎬ mining new resisitance gene and impro ̄
ving the genetic resistance to late blight is a major issue in breeding new varieties of tomato ꎬ because of the new races
will overcome the resistance gene ̄mediated genetic resistance from commercial varieties. Rpi ̄blb2ꎬ a potato late blight
resistance protein as seed sequenceꎬ has 11 homology sequences from tomato protein sequences databank in NCBI and
has a similarity to seed sequence range from 78%-83%. The above data were obtained by blast ̄protein way in this
study. Then the gene structureꎬ gene locationꎬ conserved domain feature of 11 protein sequencesꎬ and homology se ̄
收稿日期: 2014 ̄11 ̄12    修回日期: 2015 ̄04 ̄03
基金项目: 河南省科技厅基础与前沿技术研究项目 (122300410127)ꎻ 河南省教育厅项目 (14B210022) [Supported by the Basic and Forefront
Technology Research from Henan Office of Science and Technology (122300410127)ꎻ the Project of Henan Education Office (14B210022)]ꎮ
作者简介: 王俊生(1970 ̄)ꎬ男ꎬ陕西蒲城人ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ主要从事生物信息教学与植物分子育种ꎬ(E ̄mail)wjs0099@ 163.comꎮ
quences of Rpi ̄blb2 belong to disease resistance protein sup ̄family of tomato and their evolution relationship were re ̄
vealed and discussed. The results showed that ten of eleven distributed in the sixth chromosomeꎬ one the fifth chromo ̄
someꎻ ten sequences distributed the sixth chromosome showed two gene clustersꎬ containing two and three gene locus in
the sixth chromosomeꎬ respectively. They were co ̄orthologous for Rpi ̄blb2 proteinꎬ but not paralogous each otherꎬ the
most of them located in cytoplasm. According to the difference in structure domain and gene locationꎬ they were divided
into three categories. The first categoryꎬ a total of four membersꎬ contains DUF3542 and NB ̄ARC conser domainꎻ The
second categoryꎬ a total of six membersꎬ like potatoes Rpi ̄blb2 proteinꎬ containing only NB ̄ARC conserved domainꎬ the
NB ̄ARC domain is located in the middle of these two kinds of protein sequencesꎻ The third category (only contains XP_
004239406. 1) also has DUF3542 and NB ̄ARC domain and located on chromosome 5ꎬ but the non ̄conserved sequence
at the ends of the domain is shorter. The members of the first two categories have one or two introns in gene structureꎬ the
third category does not contain introns. The study provides theory basis for breeding tomato disease resistance cultivar by
molecular biology techniques.
Key words: tomato (Solanum lycopersicum)ꎬ late blightꎬ geneꎬ orthologousꎬ phylogenetic analysis
    番茄(Solanum lycopersicum)是在世界范围内广
泛种植的主要蔬菜之一ꎬ被各国人民所喜爱ꎮ 番茄
晚疫病(Phytophthora infestans)是番茄生产中的主
要病害之一ꎬ可导致植株茎叶死亡和果实变褐甚至
腐烂ꎬ每年在番茄主产区均造成较大的经济损失
(Kamoun ꎬ2001 )ꎬ已成为番茄生产的主要障碍之
一ꎮ 由于病源生理小种的不断变异ꎬ导致生产上番
茄品种的抗性逐渐丧失ꎬ加重了晚疫病病害的发生
(赵统敏等ꎬ2006)ꎮ 利用抗菌剂类药物进行防治不
仅会造成环境污染ꎬ还会使病原菌产生抗耐药性ꎬ促
进生理小种变异(Daayf & Plattꎬ 2012)ꎬ不利于晚疫
病的控制ꎬ而选育抗性品种不仅可以从根本上克服
番茄晚疫病的发生ꎬ而且经济有效ꎮ 鉴定和克隆晚
疫病抗性基因是选育抗性品种的基础ꎬ尤其一些广
谱主效基因在育种上的应用会产生较好的效果ꎮ 近
年来ꎬ在番茄抗晚疫病基因克隆方面取得了较好的
进展ꎬ如 Chunwongse et al ( 2002 )、 Moreau et al
(1998)、Brouwer et al(2004)和 Kole et al(2006)分
别克隆了抗番茄晚疫病的几个主效基因ꎬ如 Ph ̄1、
Ph ̄2、Ph ̄3和 Ph ̄4ꎬ但随后发现番茄中出现了能克
服以上主效基因的晚疫病菌株(贾芝琪等ꎬ2009)ꎻ
Zhang et al(2013)把野生醋栗番茄中获得的抗性基
因 Ph ̄3转入番茄栽培种中使其获得了广谱晚疫病
菌抗性ꎬ并且对其进行了染色体精细定位ꎮ 然而目
前已有的番茄野生资源中ꎬ尚没有发现更好的其他
抗性基因ꎬ尤其广谱性晚疫病抗性基因ꎮ
从植物野生近缘种中挖掘鉴定抗性基因并导入
栽培物种中ꎬ选育抗性植物品种是常用育种策略之
一ꎮ 近年来ꎬ从马铃薯野生种中克隆鉴定出了 20 多
个抗性基因(周军会ꎬ2008)ꎮ 其中ꎬRpi ̄blb1 和 Rpi ̄
blb2是从马铃薯野生种(Solanum bulbocastanum)中
分离出的晚疫病广谱抗性基因(Van der Vossen et
alꎬ2003ꎬ2005)ꎬ并且 Rpi ̄blb2 基因被转入番茄中获
得了抗马铃薯晚疫病菌株的番茄植株 ( Van der
Vossen et alꎬ 2005)ꎬ证明了这种抗性可以在番茄和
马铃薯之间进行转移ꎬ但是否可以抵抗番茄晚疫病
生理小种尚未可知ꎮ 马铃薯和番茄同属茄科植物二
倍体物种ꎬ均具有 12 对染色体ꎬ是比较基因组学研
究的理想材料ꎮ 因此ꎬ本研究以野生马铃薯抗病基
因 Rpi ̄blb2的蛋白序列为种子序列ꎬ基于番茄蛋白
质序列数据库、基因组数据库、遗传图谱和物理图谱
等生物信息资源ꎬ利用生物信息学方法挖掘番茄中
与马铃薯 Rpi ̄blb2基因同源的抗性蛋白(或基因)家
族ꎬ并对其基因结构信息、定位信息、序列进化关系
等进行了较为全面的分析ꎬ为揭示该家族蛋白质的
结构与功能关系ꎬ并利用相关信息进行番茄抗晚疫
病的分子育种奠定基础ꎮ
1  材料与方法
1.1 番茄抗性蛋白家族序列来源
以马铃薯抗晚疫病基因 Rpi ̄blb2(核酸序列 Ac ̄
cession number DQ122125.1:7967bp)相应蛋白序列
(Accession number为 AAZ95005.1ꎬ1267 个氨基酸)
作为种子序列ꎬ在 NCBI ( http: / / www. cbi. nlm. nih.
gov / ) 番茄非冗余蛋白质数据库进行 BLAST同源搜
索ꎬ蛋白序列相似性设定为≥40%ꎬ相应的核酸序列
从蛋白质序列检索结果中超链接进入ꎮ
1.2 蛋白基本信息和基因结构、基因定位信息获取
通过在蛋白比对结果网页中ꎬ获得比对序列之
3644期                    王俊生等: 番茄中 Rpi ̄blb2同源基因的挖掘与鉴定
间的相似性和蛋白序列基本信息ꎬ链接目标蛋白序
列ꎬ可以获得其相应的核酸序列信息ꎻ通过相应的
GeneID 超链接或者利用序列网页中提供的 Map
Viewer超链接可以获得相应基因的定位信息和基因
结构信息、基因符号和基因功能描述等ꎻ也可以从相
应的 mRNA序列(XM004245875.1)注释信息中获得
基因定位识别号进行超链接ꎬ从而获得相应基因定
位信息和基因结构信息ꎮ
1.3 蛋白分子量、等电点和保守结构域分析和亚细
胞定位
利用 ExPASy网站提供的在线 Prot ̄Param 软件
(http: / / web.expasy. org / protparam / )进行相对分子
质量和理论等电点(pI)等分析ꎻ利用 CDD(http: / /
www. ncbi. nlm. nih. gov / Structure / cdd / wrpsb. cgi) 在
线软件分析蛋白序列的保守结构域ꎻ利用 Plant ̄
mPloc 软件 ( http: / / www. csbio. sjtu. edu. cn / bioinf /
plant ̄multi / )进行亚细胞定位预测ꎮ
1.4 蛋白质序列进化树构建
通 过 Conserved Domain ( http: / / www. ncbi.
nlm. nih. gov / Structure / cdd / wrpsb. cgi)在线工具ꎬ搜
索蛋白质序列保守域ꎻ在 BLAST ̄protein 结果页ꎬ选
择所有同源目标序列后ꎬ利用 Tree View功能显示比
对序列与同源序列的距离进化树 (采用 Neighbor
Joining法ꎬkimura protein 距离ꎬ序列最大差异值设
定为0.7ꎬ有根树显示)ꎻ下载比对结果中的目标序列
到本地硬盘ꎬ采用 DNAman 软件进行多序列比对
(采用缺省参数)ꎬ分析番茄 SLy ̄Rpi ̄blb2 蛋白家族
成员之间进化关系ꎮ
2  结果与分析
2.1 番茄 Sly ̄Rpi ̄blb2 蛋白家族与马铃薯 Rpi ̄blb2
蛋白是垂直同源关系
2.1.1 番茄同源抗性蛋白序列基本信息  以野生马
铃薯抗晚疫病基因 Rpi ̄blb2 (核酸序列 Accession
number 为 DQ122125.1:7967 bp)相应蛋白序列(Ac ̄
cession number为 AAZ95005.1ꎬ1 267 个氨基酸)作
为种子序列ꎬ在番茄非冗余蛋白质数据库进行
BLASTp同源搜索ꎬ获得了 18 条相似性在 40%以上
的同源序列ꎬ其中与 11 条序列的相似性为 78% ~
83%ꎬ11条序列之间的相似性为 85% ~100%ꎮ 进一
步比对查询这 11条序列的相关信息(表 1)ꎬ发现这
些序列长度不等ꎬ最长为 1 257 个氨基酸ꎬ最短 566
个氨基酸ꎬ其中有 10 条定位于第 6 号染色体ꎬ1 条
定位于 5号染色体ꎬ均与番茄抗病性(晚疫病和根
结线虫病抗性)密切相关ꎻ位于 6 号染色体上的 10
条序列分子量接近ꎬ等电点分布在 4.85~5.19 之间ꎬ
非常接近ꎬ表明这些蛋白质以酸性氨基酸为主ꎬ作用
环境偏酸性ꎮ 因此ꎬ推测这些蛋白序列可能与野生
马铃薯 Rpi ̄blb2 蛋白互为共同垂直同源蛋白(Co ̄
orthologs)ꎬ他们之间互为平行同源蛋白ꎮ 位于 5 号
染色体上的 XP_004239406.1 序列长度仅 566 个氨
基酸ꎬ推测该蛋白的祖先基因序列可能发生了部分
复制、转移和插入等进化事件ꎮ 因此ꎬ把这 11 条蛋
白质序列暂命名为 SLy ̄Rpi ̄blb2蛋白亚家族ꎮ
2.1.2 番茄 SLy ̄Rpi ̄blb2 蛋白家族基因定位和亚细
胞定位  基因定位结果(表 2ꎬ图 1)表明ꎬ该蛋白家
族分布在 6号染色体上的 10个成员定位在 2.3 M~
2.75 M之间ꎬ其中 8个成员分布在 5个基因位点ꎬ并
且集中分布在 2个区段ꎬ成簇分布ꎬ其中第一族包括
3条序列(XP_004240499.1、NP_001234063.1 和 XP_
004240498. 1 )ꎬ 并且 XP _ 004240499. 1 和 NP _
001234063.1占据基因组上相同位点ꎬ这与两条序列
来自不同抗性品种相关ꎻ第二簇包括 5条序列ꎬ分别
为 ABI96216.1、XP _004240523.1、AAC97933.1、NP ̄
001234622.1和 ABI96218.1ꎬ其中后 3条序列位于基
因组上同一位点ꎻ另外 2 个成员(AAC32253. 1 和
AAC32252.1)未能定位于染色体具体位置ꎮ 该蛋白
家族中的各成员在基因组成上比较简单(表 2)ꎬ仅
有 1~3个外显子数ꎮ 采用 Plant ̄mPloc 在线软件进
行亚细胞定位结果表明ꎬ11 条蛋白序列均定位于细
胞质中ꎬ这与野生马铃薯 Rpi ̄blb2 蛋白的亚细胞定
位结果相同ꎮ
2.1.3 番茄 SLy ̄Rpi ̄blb2 蛋白家族的保守结构域分
析   对 11 条同源蛋白序列通过 Conserved Domain
在线工具ꎬ搜索其保守域ꎬ结果表明这些蛋白的精确
保守域共有 3 类ꎬ第一类共 4 条系列ꎬ包括 XP _
004240523. 1、 AAC97933. 1、 NP _ 001234063. 1 和
AAC32252.1ꎬ同时包含有 DUF3542和 NB ̄ARC两个
保守 结 构 域 特 征 序 列ꎬ 第 二 类 包 括 XP _
004240499. 1、 NP _ 001234622. 1、 AAC32253. 1、
ABI96218.1、ABI96216. 1 和 XP _004240498. 1ꎬ仅包
含 NB ̄ARC保守结构域特征序列ꎬ并且与马铃薯
Rpi ̄blb2蛋白保守结构一致(图 1:B)ꎬ因此推测第
二类蛋白与马铃薯 Rpi ̄blb2 蛋白(AAZ95005.1)的
进化距离最近ꎬ与这类蛋白的祖先序列最为接近ꎬ分
464 广  西  植  物                                  36卷
表 1  马铃薯 Rpi ̄blb2蛋白在番茄中的同源蛋白序列信息
Table 1  Basic information of the tomato protein sequences homologous with potato Rpi ̄blb2 protein
序列登陆号
Sequence
accession code
基因符号
Gene
symbol
蛋白功能描述
Protein function description
相似性
Similarity
(%)
氨基酸数
AA
分子量 (等电点)
Molecular weight
(pI)
染色体
Chromosome
XP_004240523.1 Mi ̄1F putative late blight resistance protein homolog
R1B ̄14 ̄like
82 1 249 143 708 (5.13) VI
XP_004240499.1 Mi ̄1C putative late blight resistance protein homolog
R1B ̄14 ̄like
82 1 251 144 089 (5.04) VI
AAC97933.1 Mi ̄1 disease resistance protein 81 1 257 144 554 (5.10) VI
NP_001234063.1 Mi ̄1.2 root ̄knot nematode resistance protein 81 1 257 144 588 (5.09) VI
NP_001234622.1 Mi ̄1.1 plant resistance protein 81 1 255 144 355 (5.00) VI
XP_004240498.1
/ ABI96214.1
Mi ̄1B putative late blight resistance protein homolog
R1B ̄14 ̄like
81 1 251 144 227 (4.85) VI
ABI96216.1 Mi ̄1E NBS ̄LRR resistance protein ̄like protein 81 1 244 143 247 (5.05) VI
ABI96218.1 Mi ̄1G truncated NBS ̄LRR resistance protein ̄
like protein
83 996 114 411 (5.19) VI
AAC32253.1 Mi ̄copy1 disease resistance gene homolog Mi ̄copy1 82 1 204 138 481 (5.01) VI
AAC32252.1 Mi ̄copy2 disease resistance gene homolog Mi ̄copy2 81 1 206 138 668 (5.10) VI
XP_004239406.1 R1C ̄3 ̄lik putative late blight resistance protein homolog
R1C ̄3 ̄like
78 566 65 700 (5.69) V
表 2  番茄 SLy ̄Rpi ̄blb2蛋白家族基因定位与结构信息
Table 2  Gene electronic positioning and structural information of tomato SLy ̄Rpi ̄blb2 protein family
序列登录号
Sequence
accession code
基因组序列
Genome sequence
基因位置
Gene location
编码区长度
Coding sequences
(bp)
外显子
Extron
亚细胞位置
Subcellular location
品种
Cultivar
XP_004240523.1 DQ863292.1 2 719 423-2 726 120 3 750 3 细胞质 Cytoplasm Heinz 1706
XP_004240499.1 DQ863290 2 354 694-2 360 082 3 755 3 细胞质 Cytoplasm Heinz 1706
AAC97933.1 AF091048.1 2 745 577-2 750 696 3 774 3 细胞质 Cytoplasm Motelle
NP_001234063.1 CS025319.1 2 354 694-2 360 082 3 774 3 细胞质 Cytoplasm VFNT Cherry
NP_001234622.1 CS025317.1 2 745 577-2 750 696 3 768 3 细胞质 Cytoplasm VFNT Cherry
XP_004240498.1 DQ863289.1 2 327 335-2 331 298 3 756 2 细胞质 Cytoplasm Heinz 1706
ABI96216.1 DQ863292.1 2 703 086-2 706 897 3 645 3 细胞质 Cytoplasm Heinz 1706
ABI96218.1 DQ863293.1 2 745 577-2 750 696 2 991 3 细胞质 Cytoplasm Heinz 1706
AAC32253.1 U81378.1 — 3 615 1 细胞质 Cytoplasm Motelle
AAC32252.1 U81378.1 — 3 621 1 细胞质 Cytoplasm Motelle
XP_004239406.1 AEKE02002627.1 2 968 251-2 969 951 1 701 2 细胞质 Cytoplasm Heinz 1706
AAZ95005.1 DQ122125.1 — 3 804 3 细胞质 Cytoplasm —
  注: “—”表示未能获得相关信息ꎮ
  Note: “—”indicates failed to get relevant information.
化较早ꎬ在这 2类蛋白序列中ꎬNB ̄ARC 结构域均位
于序列中段ꎻ 第三类 (仅包含一条序列 XP _
004239406.1)虽然也具有 DUF3542 和 NB ̄ARC 结
构域ꎬ并且 2个结构域间距与第一类非常接近ꎬ但在
结构域两端的其他序列非常短ꎬ并且该序列位于 5
号染色体上ꎬ因此将其单独归为 1类ꎮ
2.2 番茄 SLy ̄Rpi ̄blb2 蛋白家族成员的序列比对、
基因结构与进化
为了进一步确定 SLy ̄Rpi ̄blb2 蛋白家族成员之
间以及与马铃薯 Rpi ̄blb2 的同源关系ꎬ利用马铃薯
5644期                    王俊生等: 番茄中 Rpi ̄blb2同源基因的挖掘与鉴定
图 1  番茄 SLy ̄Rpi ̄blb2蛋白家族成员
在基因组上的分布位置
Fig. 1  Location for members of SLy ̄Rpi ̄blb2
protein family in tomato genome
Rpi ̄blb2蛋白与番茄蛋白数据库中相似性达到 40%
以上的 18条抗性蛋白(包括晚疫病抗性蛋白)序列
构建拓扑结构树ꎬ结果(图 3)表明ꎬ野生马铃薯 Rpi ̄
blb2 蛋白(图 3中红色箭头所指)与表 1 中的 11 条
番茄蛋白序列归为一大类(图 3:A 中蛋白家族 I)ꎬ
其他 7条序列分为蛋白家族 II 和蛋白家族Ⅲꎮ 表
明这 11条序列与马铃薯晚疫病抗性蛋白序列 Rpi ̄
blb2 可能为共同垂直同源蛋白ꎮ 将 11 条序列与种
子序列进行多序列比对分析(图 4)ꎬ结果表明ꎬ有 4
条序列 (分别为 ABI96218. 1 ( 996 个氨基酸)、
AAC32253.1 (1204 个氨基酸)、AAC32252. 1 (1206
个氨基酸)和 XP_004239406.1(566 个氨基酸)的长
度与种子序列差异较大ꎬ其他 7 条与番茄 Rpi ̄blb2
序列基本可以完全匹配ꎬ这 7 条序列与马铃薯 Rpi ̄
blb2蛋白序列相比ꎬ在 N端存在 2 个明显的较短缺
失序列(图 4:Ⅰꎬ缺失 3 个氨基酸ꎻ图 4:Ⅱꎬ缺失 6
个氨基酸)ꎻABI96218.1与 ABI96216.1相比ꎬ最大差
异在于 C端缺失了 249 个氨基酸序列ꎬ这可能是两
者的祖先基因因为部分染色体片段缺失造成的ꎬ也
可能是碱基突变造成编码序列提前终止引起的ꎮ 基
因结构(图 3:B)表明ꎬ该家族成员有 3 种基因结构
类型ꎬ第一类含有 2个内含子(5条序列)ꎬ第二类含
有一个较小的内含子(2 条序列)ꎬ第三类不具有内
含子结构(XP_004239406)ꎬ比较这些基因内含子序
列发现ꎬ第一个内含子序列相对较长ꎬ且长度差异较
大(556~2 199 bp)ꎬ序列间相似性差异也较大ꎻ第二
内含子位于靠近蛋白质 N 段的编码区内ꎬ所有同源
蛋白相应核酸序列的第二内含子长度均为 75 bpꎬ且
序列高度保守ꎬ这表明第二内含子是一个相当保守
的区域ꎬ可能对这类蛋白具有重要作用ꎬ因此进化过
程中不易发生改变ꎮ
3  讨论
通过对生物信息数据进行加工获取有用知识ꎬ
指导科研方向ꎬ是生物信息学常用的方法ꎮ 马铃薯
和番茄同属茄科ꎬ进化关系密切ꎬ因此利用马铃薯晚
疫病抗性基因 Rpi ̄blb2 序列ꎬ从番茄蛋白数据库中
获得了一个包含 11 条蛋白序列的蛋白家族 SLy ̄
Rpi ̄blb2ꎬ通过鉴定该家族成员与 Rpi ̄blb2 的进化
关系、基因结构、蛋白保守域特性等ꎬ确定该家族与
种子序列是垂直同源关系ꎮ 随后对家族成员之间的
进化事件进行了分析ꎬ表明该家族的共同祖先基因
在漫长的进化历史中发生了基因复制、重排、可变剪
接以及水平转移事件ꎬ从而形成了较为丰富的后代
同源基因(蛋白)ꎬ但与祖先基因(蛋白)序列相比ꎬ
可能由于保守域序列的改变ꎬ从而导致不同成员在
抗病的能力上发生了改变ꎮ
3.1 番茄 SLy ̄Rp ̄Blb2蛋白家族与 Rpi ̄blb2可能是
垂直同源关系
NBS 是指核苷酸结合位点ꎬ植物疾病抗性蛋白
中的 NBS是一个大约 320 个氨基酸的高度保守序
列ꎬ具有这种保守序列的蛋白可能是利用蛋白质构
象变化调节 NTP 的水解ꎬ从而通过信号转导ꎬ使寄
主对病原菌正确识别ꎬ促进寄主抗性防御信号的启
动(Belkhadir et alꎬ 2004ꎻ Leipe et alꎬ 2004)ꎮ 在植
物抗性蛋白质中 NB ̄ARC 结构域就是 NBS ̄LRR 保
守结构域(Stuart Seah et alꎬ 2007)ꎮ 本研究中的种
子序列 Rpi ̄blb2(Van der Vossen et alꎬ 2005) 具有
显著的 NB ̄ARC 保守结构域序列特征ꎬ属于 AAA ̄
ATPase 超级家族(图 2)ꎬ可能与这类蛋白参与病毒
产生的植物过敏反应或程序性死亡有关(Van der
Biezen1ꎬ1998)ꎮ DUF3542 保守域序列的功能尚未
可知ꎬ但具有 DUF3542 结构域的蛋白序列长度一般
在 516~1 284个氨基酸ꎬ并且这类蛋白多与 NB ̄ARC
结构域有关(http: / / www.ncbi.nlm.nih.gov / Structure /
cdd / wrpsb.cgi? INPUT_TYPE = live&SEQUENCE =XP
_004240523.1)ꎮ 在番茄 SLy ̄Rp ̄Blb2 蛋白家族中ꎬ
有 7条序列与马铃薯 Rp ̄blb2 蛋白具有相同的保守
结构域ꎬ仅具有 NB ̄ARC结构域序列特征ꎬ另 4条序
列同时具有 NB ̄ARC 和 DUF3542 结构域序列特征ꎮ
通过对马铃薯 Rpi ̄blb2蛋白和番茄蛋白数据库中相
664 广  西  植  物                                  36卷
图 2  番茄 SLy ̄Rpi ̄blb2蛋白家族成员结构域
Fig. 2  Conserved domain for tomato SLy ̄Rpi ̄blb2 protein family
图 3  番茄 SLy ̄Rpi ̄blb2的系统进化树(A)及 SLy ̄Rpi ̄blb2家族成员基因结构(B)  基因结构图中ꎬ
上部粗线段表示 mRNA序列ꎬ细线段表示基因组中内含子序列ꎬ下部粗线表示蛋白编码区ꎮ
Fig. 3  Phylogenetic tree of tomato SLy ̄Rpi ̄blb2 protein family  Above blod lines indicate mRNAꎬ
slim lines indicate intron in genomeꎬ below blod lines indicate coding sequence.
似性较高(40%以上)的同源蛋白构建序列进化树
(图 3)和亚细胞定位分析(表 2)ꎬ进一步证明番茄
SLy ̄Rp ̄Blb2蛋白家族与野生马铃薯 Rp ̄blb2 蛋白
可能是垂直同源关系ꎬ由共同祖先种通过物种分化
形成的ꎮ
在 SLy ̄Rpi ̄blb2蛋白家族中ꎬ序列 AAC97933.1
(Mi ̄1)及其抗性蛋白同源序列(NP_001234063.1、
NP_001234622.1、AAC32252.1和 AAC32253.1)所在
的染色体区段是利用胚胎挽救技术从茄科物种 So ̄
lanum peruvianum中渐渗入番茄栽培种中的(Smithꎬ
1944)ꎬ且导入的染色体片段位于番茄 6号染色体短
臂ꎬ而后通过育种实践和长期自然进化ꎬ把渗入的染
色体片断减少到了约 650 kb 的区间ꎬ这一区间的抗
性基因和不良性状的紧密连锁导致抗性基因与其它
7644期                    王俊生等: 番茄中 Rpi ̄blb2同源基因的挖掘与鉴定
图 4  番茄 SLy ̄Rpi ̄blb2蛋白家族成员序列比对
Fig. 4  Aligned multi ̄sequence comparison for members of tomato SLy ̄Rpi ̄blb2 protein subfamily
品种优良基因重组率严重降低 ( Liharska et alꎬ
1996ꎻKaloshian et alꎬ1998ꎻSchulte et alꎬ2006)ꎮ 但
杂交和回交等技术的频繁利用ꎬ使渗入了携带 Mi ̄
1.1基因的染色体区段不断发生染色体内部重组、
复制、重排以及染色体之间的交换ꎬ从而导致现在的
抗性番茄品种(携带 Mi ̄1.1 基因区段)在这一区段
与不具有 Mi ̄1.1 基因位点的易感根结线虫品种相
应区段不完全一样ꎬ这一点已得到证明(Kuang et
alꎬ2005ꎻ Stuart et alꎬ 2007)ꎮ 因此ꎬ番茄 SLy ̄Rpi ̄
blb2蛋白家族中的序列不再是简单的平行同源关
系ꎮ 从系统树(图 3:Aꎬ有根树ꎬ距离长短表示进化
速率快慢)的末端节点到共同祖先节点距离来看ꎬ
番茄 11 条序列的共同祖先序列为图 3 中节点 B 代
表的序列ꎬ从节点 B 到 11 条末端序列进化中ꎬ只有
864 广  西  植  物                                  36卷
序列 XP_004240523.1进化距离最短ꎬ并且没有产生
序列分化ꎬ其他 10条序列到节点 B之间存在相对复
杂的进化过程(存在较多的节点)ꎬ因此推测 XP_
004240523.1 是番茄中这类蛋白的祖先序列(或最
原始序列)ꎬ其他序列可能是由该序列进化而来ꎮ
当然这仅是根据构建的距离进化树推断ꎬ如果改变
进化树构建方法或考虑基因结构及相应蛋白序列的
保守域特性ꎬ可能会有不同的推断结论ꎮ
3.2 番茄 SLy ̄Rpi ̄blb2蛋白在基因组上成簇分布
植物基因组中抗性基因一般具有成簇存在的特
点(Hulbert et alꎬ 2001ꎻ Cannon et alꎬ 2002)ꎬ这类基
因编码的蛋白的一个主要功能就是作为检测分子可
以侦测到特定病原物和害虫的感染ꎮ Van der
Vossen et al(2003)研究表明ꎬ在野生马铃薯 Rpi ̄blb1
基因(RGA2 ̄blb)座位两侧分布有 RGA3 ̄blb、RGA1 ̄
blb和 RGA4 ̄blb 同源基因(互为平行同源基因)ꎬ这
些基因编码的平行同源蛋白的序列相似性很高
(70%~81%)ꎬ并且 Rpi ̄blb1 基因是祖先基因 RGA1 ̄
blb和 RGA3 ̄blb通过重组事件进化而来ꎮ 已有证据
表明(Aaron & Barbaraꎬ 2007)抗性基因簇可以通过
重组过程中的错配ꎬ产生新的抗性基因序列ꎬ改变抗
性特异性(抵抗新的病毒生理小种)或改变抗性基
因的表达模式ꎬ而这一特性促进了抗性基因的进化ꎻ
另外ꎬ抗性基因成簇分布ꎬ利于这些平行基因之间的
序列交流ꎬ从而促进和加速了抗性基因的进化ꎮ
在茄科植物不同物种的 6号染色体短臂区均分
布着抗性基因集合ꎬ执行对不同病原菌的抗性
(Stuart et alꎬ2007)ꎮ 本研究获得的番茄 SLy ̄Rpi ̄
blb2蛋白家族共 11 条序列ꎬ10 条成簇分布在 6 号
染色体的短臂序列 (2 327 335 ~ 2 750 696 bpꎬ总长
624 kb)中ꎬ在染色体上的位置较靠近ꎬ执行不同的
抗性功能(表 1)ꎮ 其中第一簇有 3 条序列ꎬ占 2 个
基因位点(图 1ꎬCluster 1p)ꎬ在 Mi ̄1B基因上游的基
因位点 LOC101265033长度为 3 191 bpꎬ是一个假定
的晚疫病抗性蛋白同源序列ꎬ但不具有编码蛋白功
能ꎬ属于假基因ꎻ第二簇有 5 条序列(Cluster 2p)ꎬ占
3个基因位点ꎬ这一簇中ꎬ还分布两个基因位点ꎬ分
别是 LOC1012267122 和 LOC101267412ꎬ其相应的
蛋白序列均与运输抑制响应蛋白高度相似ꎬ这可能
与该簇基因对疾病抗性的响应密切相关ꎮ 另外 2 条
AAC32252.1 和 AAC32253.1 未能定位到具体的位
置ꎬ但这 2条序列来源于抗根结线虫栽培品种 Mo ̄
telleꎬ这一品种中的抗性基因均来源于茄科物种 So ̄
lanum peruvianum 中 ( Smithꎬ 1944)ꎬ这一结论与
Stuart et al(2007)基本一致ꎮ
番茄 SLy ̄Rpi ̄blb2 蛋白家族中 11 个成员间的
序列相似性在 85%以上ꎬ来自于抗性品种(Motelle
或 VFNT Cherry)的成员有 5 个ꎬ包括 AAC97933.1、
NP_001234063.1、NP_001234622.1、AAC32253.1 和
AAC32252.1ꎬ其他 6 个成员来自于易感根结线虫品
种(Heinz 1706)ꎬ因此部分成员在基因组被定位在
相同位置 (图 1)ꎬ如 NP _ 001234063. 1 和 XP _
004240499.1分享同一基因位点ꎬAAC97933.1、NP_
001234622.1和 ABI96218.1分享同一基因位点ꎮ 这
些蛋白在番茄抗病反应中的功能目前并不完全清
楚ꎮ Mi ̄1 蛋白序列 (AAC97933. 1)与马铃薯 Rpi ̄
blb2 具有 82%的相似性 ( van der Vossen et alꎬ
2005)ꎬ近来被证明是在 ETR3 蛋白参与下ꎬ通过感
知荷尔蒙来介导番茄植株对根结线虫的抗性(Man ̄
telin et alꎬ2013)ꎬ其同源序列 Mi ̄1.2 被证明具有根
结线虫抗性的功能(Nombela et alꎬ 2003)ꎬ其他同源
蛋白由于没有相应的独立表现型ꎬ因此对其功能的
鉴定比较困难(Stuart et alꎬ 2007)ꎮ 但由于可变剪
接产生的较短的抗性蛋白质同源序列ꎬ如本研究中
的 ABI96218.1(Mi ̄1G)编码 996 个氨基酸ꎬ具有完
整 N 段区域ꎬ能反向调节 Mi ̄1. 2 ( Stuart et alꎬ
2007)ꎬ从而调节番茄抗病性ꎮ 定位于 5号染色体上
的蛋白质序列 XP_004239406.1(566 个氨基酸)ꎬ与
其他 10 条序列相比ꎬ该序列在 N 段和 C 段分别缺
失了大约 500 个氨基酸和 100 个氨基酸的片段(图
2和图 4)ꎬ但该序列仍保留了 2 个保守域的序列特
征(图 2)ꎬ从这一点来看ꎬ该序列与图 2 中第一类序
列应归为同一类ꎻ该基因编码区序列是完整的ꎬ这意
味着该基因(蛋白)可能具有新的功能ꎬ在后续功能
研究中应作为重点研究之一ꎬ然而该基因与其他同
源基因的进化关系目前尚不能完全确定ꎮ
本研究获得的同源蛋白序列(基因)ꎬ大多数功
能尚未被鉴定ꎬ因此在后续研究中可以重点鉴定其
表达模式和性状表现ꎬ以分析和鉴定其功能ꎬ为番茄
抗病分子辅助育种提供理论依据ꎮ
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