[논문 리뷰] Plant defense multigene families: II Evolution of coding sequence and differential expression of PR10 genes in Pisum

Shilpa Tewari, Stuart M. Brown외 3명|ArXiv.org|2003. 10. 31.

Plant-Microbe Interactions and Immunity참고 문헌 41인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 *Pisum* 종에서 PR10 유전자들의 진화를 조사하여 번역 서열과 발현 양상에서의 급속한 분화를 밝혀냈다. RT-PCR와 염기서열 분석을 통해 PR10.1, PR10.2, 그리고 PR10.3가 병원균과 호르몬에 대한 반응에서 종별로 발현 시기가 다름을 확인했으며, 더 오래된 PR10.4와 PR10.5는 보존되어 있음을 보여, 이는 유전자 발현의 차이가 식물-병원균 공진화에서 표현형 다양성에 기여한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

While it is not possible to directly the observe evolution of multigene families, the best alternative is to compare orthologous family members among several closely-related species with varying degrees of reproductive isolation. Using RT-PCR we show that in pea (Pisum sativum) each member of the pathogenesis-related PR10 family has a distinct pattern of expression in response to the fungus Fusarium solani, and in treatment with salicylic acid, chitosan and abcisic acid. Sequencing reveals that PR10.1, PR10.2 and PR10.3 exist in P. humile, P. elatius and P. fulvum, except that no PR10.2 orthologue was identified in P. elatius. PR10.1, PR10.2 and PR10.3 appear to have diverged from a single gene in the common Pisum ancestor. For the recently diverged PR10.1 and PR10.2, the timing of fungal-induced expression differs greatly among species. For example, PR10.1 was strongly induced in P. sativum by F. solani within 8 hours postinoculation (h.p.i.), whereas little PR10.1 expression was seen in pea's closest relative, P. humile, and in the more distantly-related P. elatius. In P. fulvum, expression did not peak until 48 h.p.i. Expression of the more ancient PR10.4 and PR10.5 genes is more tightly conserved among Pisum species. These data indicate that expression, as well as sequence, can evolve rapidly. We hypothesize that changes in differential expression of multigene family members could provide a source of phenotypic diversity in populations, which may be of particular importance to plant/pathogen coevolution.

연구 동기 및 목표

• Pisum 종에서 PR10 다유전자 가닥의 진화적 역학을 이해하기 위해.
• 근연한 Pisum 종들 사이에서 PR10 유전자들의 번역 서열과 발현 양상이 어떻게 분화되었는지 조사하기 위해.
• 다른 유전자 발현이 종 간 식물 방어 반응의 다양성에 기여하는지 평가하기 위해.
• Pisum에서 유전자 발현 시기와 생식적 고립 간의 관계를 조사하기 위해.
• 다유전자 가닥에서의 발현 분화가 식물-병원균 상호작용에서 표현형 다양성에 기여하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• RT-PCR를 사용하여 *Pisum sativum*, *P. humile*, *P. elatius*, 및 *P. fulvum*에서 다양한 처리 조건 하에서 PR10 유전자들의 발현 차이를 분석하였다.
• 다양한 종들 간의 번역 서열을 비교하기 위해 PR10 유전자 가닥 성분의 염기서열 분석을 수행하였다.
• *Fusarium solani*, 살리실산, 케이토산, 및 아브시스산을 처리하여 방어 반응를 유도하였다.
• 처리 후 여러 시간대에서 발현 동역학을 모니터링하였으며, 8 h.p.i. 및 48 h.p.i.를 포함하였다.
• 유사 서열과 계통발생 분석을 바탕으로 PR10 유전자 간의 동원관계를 추론하였다.
• 서열 분화와 생식적 고립 수준을 기반으로 진화적 분화 시기를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 병원균과 호르몬 처리에 대한 반응에서 PR10 유전자들의 발현 양상이 *Pisum* 종들 간에 어떻게 다를까?
• RQ2 PR10 유전자들의 번역 서열이 *Pisum* 종들 간에 얼마나 분화되었는가?
• RQ3 최근에 분화된 PR10 유전자들(예: PR10.1 및 PR10.2)의 발현이 오래된 동원유전자들(예: PR10.4 및 PR10.5)보다 종 간에 더 변동성이 큰가?
• RQ4 *Pisum sativum*와 그 가까운 친연종 간에 곰팡이 유도 발현 시기가 유의미하게 다를까?
• RQ5 다유전자 가닥 성분의 발현 차이 변화가 식물-병원균 공진화에서 표현형 다양성에 기여할 수 있는가?

주요 결과

• PR10.1은 *Pisum sativum*에서 8시간 후 인oculation(h.p.i.) 이내에 *Fusarium solani*에 의해 강하게 유도되어 빠른 방어 반응를 나타낸다.
• 반면, *P. humile*와 *P. elatius*는 곰팡이 도전 후 PR10.1 발현이 거의 없었으며, 이는 조절의 분화를 시사한다.
• *P. fulvum*에서는 PR10.1 발현이 오직 48 h.p.i.에 최고조에 도달하여 *P. sativum*에 비해 지연된 반응을 보였다.
• PR10.4와 PR10.5 유전자는 모든 *Pisum* 종에서 더 보존된 발현 양상을 보이며, 기능적 안정성을 시사한다.
• *P. elatius*에서는 PR10.2의 동원유전자를 확인하지 못하여 이 계통에서 유전자 손실 또는 분화가 있었음을 시사한다.
• 자료는 다유전자 가닥 성분의 발현 차이가 식물 방어 반응의 표현형 다양성에 기여할 수 있도록 급속히 진화할 수 있다는 가설을 지지한다.