LysM结构域及其与植物真菌相互作用的关系

植物学报ChineseBulletinofBotany2014,49(2):1–1,——————————————————收稿日期:2013-02-26;接受日期:2013-07-12*通讯作者。E-mail:[e-mail]结构域及其与植物–真菌相互作用的关系江聪1,2,黄敏仁1,徐立安1*1南京林业大学森林资源与环境学院,南京210037;2西北农林科技大学西农-普度联合研究中心,杨凌712100摘要在长期的进化过程中,植物与真菌之间形成了复杂而又紧密的联系,其中最主要的就是侵染与防御的关系。植物的抗病性由于涉及农作物、林木的生长与产量,逐渐成为研究热点。在植物免疫系统中,对病原真菌的识别是一个重要环节。目前认为在这一过程中,LysM结构域起到了极为关键的作用。植物细胞膜上有含LysM结构域的识别受体,该受体可以结合真菌细胞壁上的几丁质,并将信号传递到胞内,从而启动免疫反应。在真菌中,同样具有含LysM结构域的基因,主要是一类效应因子。它们可能参与真菌在侵染过程中的“伪装”,以逃避植物的识别。该文以LysM结构域在植物–真菌相互作用中扮演的角色为着眼点,讨论有关研究的意义与趋势,并对如何利用LysM结构域的相关研究进行有效的抗病育种提出了新的设想。关键词LysM,结构域,真菌,相互作用江聪,黄敏仁,徐立安(2014).LysM结构域及其与植物–真菌相互作用的关系.植物学报49,1–1.真菌病害占植物病害的80%以上,它们影响着植物生长发育的各个阶段,是限制农作物及林木产量和质量的重要因素。如何防治真菌病害,已成为当前农林业生产中迫切需要解决的难题。深入研究植物与真菌相互作用的分子机制,并以此为基础进行抗病品种的培育,是植物抗病育种的新思路、新途径。植物和真菌的相互作用是一个非常复杂的过程,有大量的基因参与其中。然而迄今为止,仅有少量基因功能得以确定。植物和真菌的相互作用可能发生在植物免疫的各环节中。植物自身有一套完整的免疫系统,可以抵御病原真菌的侵染(王忠华等,2004)。其中第1层防御系统又被称为病原相关分子触发式免疫,病原相关分子来源于病原真菌,植物通过膜上识别受体识别物质,从而激活自身的免疫系统(JonesandDang,2006)。由于多数病原相关分子对病原真菌的正常生命活动至关重要,所以病原真菌无法通过“丢弃”这些物质来逃避植物的识别(JonesandDang,2006)。因此,病原真菌逐渐进化出能够帮助其破坏或者抑制植物防御系统的物质,这就是效应因子。效应因子可以干扰植物膜上识别受体对病原相关分子的识别,阻断植物胞内信号转导以及抑制抗病基因的表达(StergiopoulosanddeWit,2009)。效应因子在帮助病原真菌完成侵染的同时,也触发了植物的第2层防御系统,即效应因子触发式免疫(JonesandDang,2006)。在病原真菌与植物相互作用的过程中,有3类物质起着相对关键的作用,它们分别是来源于病原真菌的病原相关分子、效应因子以及植物细胞膜上的识别受体(Chisholmetal.,2006)。其中,几丁质是唯一能够确定的病原相关分子。而关于植物膜上识别受体的研究同样不够深入,仅在拟南芥(Arabidopsisthaliana)、水稻(Oryzasativa)等少数几个模式生物中鉴定出几丁质的识别受体(Kakuetal.,2006;Wanetal.,2008)。针对真菌效应因子开展的研究仅处于起步阶段。目前已发现的植物膜上识别受体及效应因子中都含有一类典型的结构域,称为LysM结构域(Kakuetal.,2006;Boltonetal.,2008;Wanetal.,2008)。这类结构域在植物和真菌中普遍存在,并扮演着不同的角色。对LysM结构域及含LysM结构域基因的功能分析是研究植物–病原真菌互作的核心内容和突破点。1LysM结构域及含LysM结构域蛋白LysM结构域最早是在芽孢杆菌噬菌体溶菌酶中被发·专题论坛·2植物学报49(2)2014现的,该酶通过降解N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡糖胺之间的糖苷键来降解细胞壁(Garveyetal.,1986)。LysM结构域位于该蛋白质的C端,由44个氨基酸组成(Garveyetal.,1986)。此后,又陆续在其它原核生物的蛋白质中发现了LysM结构域。进一步研究发现,LysM结构域不仅存在于原核生物的蛋白质中,而且出现在真核生物甚至病毒的蛋白质中(Buistetal.,2008)。随着研究的深入,发现含LysM结构域的蛋白质多是分泌蛋白或膜蛋白,且该结构域不仅只存在于蛋白质的C端,还出现在蛋白质的任意位置。不过,该结构域在不同位置出现的几率有所不同。据统计,LysM结构域偏好出现在蛋白质的N端和C端,在中心位置出现较少(Buistetal.,2008)。同一蛋白质中可能会同时存在几个LysM结构域,这些结构域之间的连接序列富含丝氨酸、苏氨酸、天冬氨酸以及脯氨酸(Ohnumaetal.,2008)。这些氨基酸有助于在稳定的LysM结构之间形成一个相对灵活的区域(Ohnumaetal.,2008)。多数情况下,结构域之间的连接序列在长度、氨基酸组成上都有着很丰富的变异。比较特殊的是在植物中一类受体激酶中发现的在随机氨基酸两端含保守半胱氨酸的结构(Cys-X-Cys结构),该结构位于LysM结构域之间的区域,可能与蛋白质胞外部分的稳定性有关(Madsenetal.,2003;deJongeandThomma,2009)。LysM结构域家族是一个结构域构架极其丰富的家族(Zhangetal.,2009)。其原因主要有3方面:(1)LysM结构域本身的多样性;(2)LysM蛋白含LysM结构域的数目具多样性(1–12个不等);(3)LysM结构域可以与多种其它蛋白结构域组合出现在蛋白质中。据统计,LysM结构域可以与50多种结构域组合形成241种不同的蛋白结构域构架。在所有的结构域构架中,最为常见的有2种,一种仅含1个LysM结构域,在所有LysM结构域参与形成的结构域构架中,这是最简单的一种,它普遍存在于所有物种中(Zhangetal.,2009)。第2种含2个LysM结构域和1个肽酶结构域,它存在于原核生物、绿藻以及非维管植物中(Zhangetal.,2009)。以上2种结构域构架存在范围比较广,反映了起源初期LysM结构域可能的存在形式。相比之下,原核生物具有更为丰富的结构域构架(Buistetal.,2008)。在进化过程中,不同物种中出现了具有不同功能的特有结构域构架。例如细菌中的酰胺酶(amidase)、糖基转移酶(SLT)与LysM结构的组合;真菌中几丁质结合结构、糖苷水解酶(glycol_hydro_18)与LysM结构的组合;植物中LysM结构域与激酶结构域的组合(Zhangetal.,2009)。一个典型的LysM结构域由44个氨基酸组成,其中位于N端的16个氨基酸和位于C端的10个氨基酸相对保守,两者中间的区域则保守性较差,除了第23和30个氨基酸位置的亮氨酸/异亮氨酸和第27个氨基酸位置的天冬酰胺比较保守以外,其余位置上的氨基酸均有相对较大的变化(图1A)(Buistetal.,2008)。原核生物的LysM结构域含有大量的二级结构(α-螺旋、β-折叠、β-转角等)和氢键以形成稳定的三级结构;而真核生物中的LysM结构域则主要依靠二硫键来保持其结构(Pontingetal.,1999)。截至目前,已经分别利用核磁共振以及多波长异常散射法成功地解析了大肠杆菌膜结合的溶胞壁质转移酶MltD以及枯草芽孢杆菌的YkuD蛋白中的LysM结构(BatemanandBycroft,2000;Bielnickietal.,2006)。这2个蛋白质中的LysM结构很相似,它们均含有1个βααβ的二级结构,2个α螺旋出现在2个反向平行的β折叠的同一边。LysM结构域广泛存在于细菌、真菌、植物、动物的蛋白质中,但迄今为止还没有在古细菌中发现该结构(Puntaetal.,2012)。有关LysM结构的起源与进化问题,如LysM结构是在何时产生的？起源于何类生物？是如何在不同物种间转移的？目前存在2种观点。一种认为LysM结构起源较早,它存在于所有物种的共同祖先中,在进化的过程中,很多分支都保留了这一结构,但是在古细菌这一分支中,这个结构丢失了;另一种观点认为LysM结构起源较迟,是在细菌、古细菌以及真核生物分离之后产生,它产生于细菌或真核生物中,并且在产生之后转移到另一分支中(Pontingetal.,1999)。这种结构域在不同物种间的转移确实存在,而且在真核生物与细菌间的转移要远比真核生物与古细菌间的转移普遍(Pontingetal.,1999)。LysM结构域在细菌与真核生物中承担着不同的功能。在细菌中,它主要负责肽聚糖的结合;而真核生物的LysM结构则被公认为几丁质的结合结构(Tanakaetal.,2013)。将LysM结构域与细菌中广泛存在的另外2个糖江聪等:LysM结构域及其与植物–真菌相互作用的关系3图1LysM结构域的序列特征及植物中含LysM结构域的蛋白(A)LysM结构域的序列特征(来源于Pfam网站);(B)植物中含LysM结构域蛋白的分类;(C)植物中含LysM结构域蛋白的功能Figure1ConsensussequenceofLysMdomainandthecatalogueofLysM-containedproteinsinplantandtheirfunctionalcharacterization(A)ConsensussequenceofLysMdomain(fromPfamwebsite);(B)TheclassificationofplantLysM-containedproteins;(C)ThefunctionofplantLysM-containedproteins结合结构域(胆碱结合结构域以及脂壁酸结合域)相比较,发现这3种结构域均含有1个保守的基序,称之为YG基序(Turneretal.,2004)。这意味着3种结构域很可能有着相同的起源。2植物中含LysM结构域蛋白植物中含LysM结构域的蛋白质主要是一些膜上识别受体(Gustetal.,2012;Tanakaetal.,2013),它们通过直接或间接的方式识别几丁质等葡聚糖从而发挥功能(图1B,C)。这一类蛋白根据亚细胞定位的预测和结构域的差异,可以分为LysM受体类激酶(LysM-containingreceptor-likekinases,LYKs)、LysM受体类蛋白(LysM-containingreceptor-likeprotein,LYPs)、细胞外LysM蛋白(extracellularLysM,LysMe)及非分泌型胞内LysM蛋白(intracellularnon-secre-toryLysMgenes,LysMn)(Zhangetal.,2009)。LysM受体类激酶根据受体类激酶激酶区域特点的差异,可将其分为LYKs以及类LYKs,也称LYRs。其中LYRs由于具有1个异常的激酶区,导致其缺少部分或全部激酶活性(Zhangetal.,2009)。大多数的LYPs均含有2个LysM结构域,而LysMe和LysMn则只含1个LysM结构域,LYKs和LYRs所含LysM结构域数目也不超过3个(Zhangetal.,2009)。与植物相比,真菌的LysM类蛋白中含LysM结构域最多,可达9个。可见,不同物种的单个蛋白含LysM结构域的数量有所不同,这是长期进化导致的差异,且与蛋白的功能相关(deJongeand4植物学报49(2)2014Thomma,2009)。几丁质普遍存在于真菌细胞壁中,对维持真菌细胞的形态结构至关重要,然而这类物质却不存在于植物细胞中,因此真菌病原入侵植物时,植物就可以通过识别