[論文レビュー] Plant defense multigene families: II Evolution of coding sequence and differential expression of PR10 genes in Pisum

Shilpa Tewari, Stuart M. Brown+3 more|ArXiv.org|Oct 31, 2003

Plant-Microbe Interactions and Immunity参考文献 41被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、*Pisum* 種におけるPR10遺伝子の進化を調査し、コード配列および発現パターンの両方で急速な分化を明らかにした。RT-PCRおよび配列解析により、PR10.1、PR10.2、PR10.3は病原体およびホルモンへの応答で種特異的な発現タイミングを示す一方、より古くから存在するPR10.4およびPR10.5は保存されていることが判明し、遺伝子発現の差異が植物-病原体共進化における表現型多様性に寄与していることが示唆された。

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.

研究の動機と目的

• *Pisum* 種におけるPR10多遺伝子ファミリーの進化的なダイナミクスを理解すること。
• 近縁する *Pisum* 種間におけるPR10遺伝子のコード配列および発現パターンの分化を調査すること。
• 異種間における植物防御応答の変異に差異発現遺伝子が果たす役割を評価すること。
• *Pisum* における遺伝子発現タイミングと再結合隔離の関係を調査すること。
• 多遺伝子ファミリーにおける発現分化が、植物-病原体相互作用における表現型多様性に寄与するかどうかを評価すること。

提案手法

• RT-PCRを用いて、*Pisum sativum*、*P. humile*、*P. elatius*、*P. fulvum* におけるPR10遺伝子の発現差を解析した。
• 各種のPR10遺伝子ファミリー成員の配列を決定し、種間でのコード配列を比較した。
• 植物に *Fusarium solani*、サリチル酸、キトサン、アブシシン酸を処理し、防御反応を誘導した。
• 処理後複数の時間点で発現キネティクスをモニタリングした。特に8 h.p.i.および48 h.p.i.を含んだ。
• 配列類似性および系統解析に基づいて、PR10遺伝子間の対応関係（相同遺伝子）を同定した。
• 進化的分岐時刻は、配列差違および再結合隔離度に基づいて推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 病原体およびホルモン処理に対する *Pisum* 種間におけるPR10遺伝子の発現パターンはどのように異なるか？
• RQ2 *Pisum* 種間におけるPR10遺伝子のコード配列はどの程度分化しているか？
• RQ3 最近分岐したPR10遺伝子（例：PR10.1およびPR10.2）の発現は、古くから存在する相同遺伝子（例：PR10.4およびPR10.5）と比較して、種間でより多様性を示すか？
• RQ4 *Pisum sativum* とその近縁種との間で、菌類誘導発現のタイミングに顕著な差が認められるか？
• RQ5 多遺伝子ファミリー成員の発現差が、植物-病原体共進化における表現型多様性に寄与できるか？

主な発見

• *Fusarium solani* の接種後8時間以内（8 h.p.i.）に、*Pisum sativum* におけるPR10.1は強く誘導された。これは迅速な防御応答を示している。
• 一方、*P. humile* および *P. elatius* では、菌類挑戦後、PR10.1の発現はほとんど認められず、調節機構の分化が示唆された。
• *P. fulvum* では、PR10.1の発現が48 h.p.i.にピークに達した。これは *P. sativum* に比べて遅延した応答を示している。
• PR10.4およびPR10.5遺伝子は、すべての *Pisum* 種でより保存された発現パターンを示し、機能的安定性があることが示唆された。
• *P. elatius* にはPR10.2の相同遺伝子は同定されず、この系統では遺伝子欠失または分化が起こった可能性がある。
• 本データは、多遺伝子ファミリー成員の発現差が、迅速に進化し、植物防御応答の表現型多様性に寄与できるという仮説を支持している。