烟草NPR1基因家族鉴定及其在南方根结线虫胁迫下的表达分析

摘要：本研究旨在挖掘烟草抗南方根结线虫病程相关基因非表达子NPRJ（non-expressor of PR genes）家族成员，并明确其功能。基于拟南芥AtNPR1家族成员蛋白序列，利用生物信息学方法鉴定分析烟草NtNPRI基因家族成员及其特征。通过qRT-PCR检测南方根结线虫侵染后抗病（NC95）、感病（长脖黄）烟草品种NtNPRI家族重要候选抗性基因的相对表达量，采用LC-MS/MS方法对2个品种烟草根系内源水杨酸含量进行检测。结果表明，从普通烟草基因组中共鉴定到12个NlNPRI基因，这些基因被分为3个亚组，同一亚组中NtNPRI家族成员蛋白结构、保守基序的长度和位置都极为相似。编码氨基酸长度范围为462～588，均为亲水性蛋白，均位于细胞核。南方根结线虫侵染抗、感烟草品种后，根系中水杨酸含量、NtNPR1基因家族成员表达量在抗病品种中均升高，在感病品种中则降低，其中NtNPR6的变化最为明显。综上，NPRJ基因与烟草南方根结线虫抗性密切相关，NtNPR6基因可作为烟草响应南方根结线虫胁迫的重要基因。

关键词：烟草；NPR1基因家族；生物信息学分析；南方根结线虫；表达分析

中图分类号：Q781：S572 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）09-0022-12

烟草为我国重要的经济作物，生产过程中受到各种病虫害的危害，其中南方根结线虫病是制约烟叶生产的一个主要因素，针对该病害的防治主要集中在生物、化学防治上，但并未从根本上解决问题。病程相关基因非表达子（non-expres-sor of PR genes，NPRl）是水杨酸SA信号转导途径下游的一类关键调控因子，也是SA的受体蛋白，在植物系统获得性抗性（systemic acquired resistance，SAR）及叶、花的形成发育过程中起着重要作用。目前，关于NPR1基因介导SA信号转导途径在南方根结线虫胁迫下烟草相关转运调控机制的研究较少。因此，挖掘烟草抗南方根结线虫基因对抗性品种选育和病害防治具有重要意义和参考价值。

前人研究表明，在大豆中过表达NPRI基因能有效抑制寄生线虫形成根瘿、卵囊、卵和二龄幼虫的能力。较野生型植株，AtNPR1转基因烟草对南方根结线虫表现出更好的抗性。抗病树种毛白杨在感染欧美杨细菌性溃疡病菌（Lonsdalea quercina subsp，populi）后体内NPRI-1、NPR1-2被诱导表达。Molla等通过在水稻中组织特异性表达AtNPR1基因发现，水稻对稻纹枯病的抗性显著升高，表明该基因在植物抗性反应建立过程中起关键作用。外源茉莉酸（JA）和乙烯（EL）处理红麻后，红麻抗根结线虫相关基因NPRI表达量均有提高，表明NPR1在JA/EL激素信号通路中被诱导表达，从而激活植物系统抗性（induced systenuc resistance，ISR）。NPR1作为两条不同形式抗病信号转导途径的重要交汇中心之一，在SAR和ISR反应中具有重要调控作用，是植物抗性激活方面不可缺少的调控因子，且NPR1具有平衡JA/EL信号转导途径强弱的能力。在缺少NPRI的情况下，拟南芥nprl突变体植株对SAR诱导物无法应答，并且病程相关基因（pathogenesis related gene，PR）也几乎不表达，导致植株对病原菌的防御力降低；相反，在NPRI存在时，SA信号转导途径介导的SAR反应过程中会产生关键调节因子，参与到PR基因表达调控，使植株抗性提升。

目前，在拟南芥（Arabidopsis thatiana）基因组中共鉴定出5个与NPR1具有高同源性的旁系基因，并将其分别命名为NPR2、NPR3，NPR4、NPR5（又称为BOP2）、NPR6（又称为BOPl）。有研究表明，拟南芥AtNPR1、AtNPR2在SA介导的免疫反应中具有正向调控作用：AtNPR3、AtNPR4在SA诱导的抗性基因表达过程中发挥反向调控作用；AtNPR5、AtNPR6对植物花、冠等器官发育与形成具有促进作用。经典的NPR1基因结构包含BTB/POZ（broad-complex，tramtrack，andbric-a-brac/poxvinls and zinc-finger）结构域、锚蛋白重复序列（ankyrin repeats，ANK-r）结构域以及NPRl-like-C转录激活结构。其中，BTB和ANK-r结构域与其他转录因子相互作用促使植物SAR反应建立。位于N端的BTB结构域通过介导NPR1与EIN3（乙烯受体蛋白）结合，使顶端弯钩形成受阻。并且BTB结构域还可与TGA2抑制区相互作用抑制PR基因的表达，与本身C端相互作用抑制NPR1的表达，当C端通过Cu2+与SA结合后，又重新激活NPR1与TGA形成转录复合体，诱导PR基因表达。

随着越来越多的植物全基因组测序工作的完成，不同植物的NPR1基因家族被陆续鉴定出来，如小麦、棉花、番木瓜和鳄梨中分别鉴定出1、1、4个和5个NPRI基因。烟草属于经济类模式作物，鉴定其NPR1基因家族对研究烟草抗性获得以及响应生物胁迫调控等方面具有重要意义。本研究通过同源比对和生物信息学方法从普通烟草基因组中鉴定NPR1基因家族，并系统分析候选基因理化性质、物种进化关系、蛋白结构及在南方根结线虫胁迫下的表达等特性，以期为明确烟草NPRI在响应胁迫过程中的调控机制提供理论指导。