[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究探讨了 *Pisum* 物种中 PR10 基因的进化，揭示了编码序列和表达模式的快速分化。通过 RT-PCR 和测序，研究发现 PR10.1、PR10.2 和 PR10.3 在对病原体和植物激素的响应中表现出物种特异的表达时机，而更古老的 PR10.4 和 PR10.5 基因则保持保守，表明差异基因表达在植物-病原体共同进化中的表型多样性中起重要作用。

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.

研究动机与目标

• 理解 *Pisum* 物种中 PR10 多基因家族的进化动态。
• 研究编码序列和 PR10 基因表达模式在亲缘关系密切的 *Pisum* 物种间的分化情况。
• 评估差异基因表达在不同物种植物防御反应变异中的作用。
• 探究基因表达时机与 *Pisum* 物种生殖隔离之间的关系。
• 评估多基因家族中表达分化是否促进植物-病原体相互作用中的表型多样性。

提出的方法

• 使用 RT-PCR 分析 *Pisum sativum*、*P. humile*、*P. elatius* 和 *P. fulvum* 在不同处理下的 PR10 基因差异表达。
• 对 PR10 基因家族成员进行测序，以比较不同物种间的编码序列。
• 植物经 *Fusarium solani*、水杨酸、壳聚糖和脱落酸处理以诱导防御反应。
• 在处理后多个时间点监测表达动力学，包括 8 h.p.i. 和 48 h.p.i.。
• 基于序列相似性和系统发育分析推断 PR10 基因间的直系同源关系。
• 基于序列分化程度和生殖隔离水平估算进化分歧时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在病原体和激素处理下，PR10 基因在 *Pisum* 物种中的表达模式有何差异？
• RQ2 PR10 基因的编码序列在 *Pisum* 物种间的分化程度如何？
• RQ3 近期分化的 PR10 基因（如 PR10.1 和 PR10.2）的表达在不同物种间是否比古老旁系同源基因（如 PR10.4 和 PR10.5）更具变异性？
• RQ4 *Pisum sativum* 及其近缘种之间，真菌诱导的基因表达时机是否存在显著差异？
• RQ5 多基因家族成员差异表达的变化是否能促进植物-病原体共同进化中的表型多样性？

主要发现

• 在 *Pisum sativum* 中，PR10.1 在接种 *Fusarium solani* 后 8 小时内（h.p.i.）被强烈诱导，表明存在快速防御反应。
• 相反，*P. humile* 和 *P. elatius* 在真菌胁迫后 PR10.1 表达水平极低，表明调控机制存在分化。
• 在 *P. fulvum* 中，PR10.1 表达仅在 48 h.p.i. 达到峰值，表明其响应较 *P. sativum* 延迟。
• PR10.4 和 PR10.5 基因在所有 *Pisum* 物种中表现出更保守的表达模式，表明其功能稳定性。
• *P. elatius* 中未鉴定到 PR10.2 的直系同源基因，提示该谱系中可能发生基因丢失或分化。
• 数据支持多基因家族成员差异表达可快速进化，并在植物防御反应的表型多样性中发挥重要作用的假说。