大豆疫霉LRR-RLK和FYVE蛋白家族的进化特征分析

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疫霉属(Phytophthora)是卵菌纲(Oomycete)的一类重要的植物病原菌属。能够引起多种作物的毁灭性病害。在19世纪中叶由致病疫霉(Phytophthora infestans)引起的马铃薯晚疫病导致“爱尔兰大饥馑”,目前仍是全球农业上的主要病害之一。据统计大豆疫霉(Phytophthora sojae)引起的大豆根腐病平均每年造成约10-20亿美元经济损失。这些植物病害造成经济损失的同时也制约了农业生产,所以疫霉菌所致病害的防控已经成为农业生产中必须解决的重大问题,因此需要先加深对疫霉菌及其致病机理的认识。近些年来,随着高通量测序的高速发展,越来越多的疫霉菌被测序,利用生物信息学分析技术可以从基因组水平研究致病相关基因的特征和规律,加快了疫霉菌的研究效率。LRR-RLK(Leucine-rich repeat receptor-like kinase)是真核生物中一类数量庞大的类受体激酶(receptor-like kinase,RLK)亚家族,尤其在植物中广泛分布,参与了众多信号转导进程。FYVE结构域蛋白是另一类在真核生物中保守存在的蛋白家族,能特异性结合磷脂酰肌醇3-磷酸,参与了内吞膜运输等生物学过程。鉴于以上两个蛋白家族在真核生物中的保守性和功能上的重要性,但它们在卵菌中鲜有报道。因此,本文以大豆疫霉为研究对象,利用生物信息学分析平台,对大豆疫霉的LRR-RLK和FYVE蛋白家族进行了系统的鉴定和进化特征分析,主要结果如下:1.大豆疫霉LRR-RLK蛋白家族的鉴定和进化特征分析通过生物信息学预测发现,每种卵菌含有3-24个LRR-RLK蛋白,LRR-RLK蛋白在大豆疫霉和其它卵菌中普遍存在,在真菌中基本丢失,在植物中富集分布。基于系统进化分析,与植物相比,卵菌的LRR-RLK蛋白家族是独立进化的。在卵菌内部,不同属的蛋白数量差异较大,疫霉属的蛋白数量显著多于其它卵菌,进一步分析是由于疫霉属的祖先发生了基因复制导致的。依据进化树分析,卵菌的LRR-RLK蛋白可以分成5个亚家族,其中疫霉属在这5个亚家族中都有分布。对大豆疫霉的24个LRR-RLK蛋白进行深入分析发现,它们大多数聚集在基因组上的几个基因簇上。序列特征分析发现,大豆疫霉的LRR-RLK蛋白平均含有3个LRR基序,显著少于植物(>10个LRR基序),但大豆疫霉和植物LRR基序的核心区域中的保守氨基酸一致,两侧的保守氨基酸有差异。此外,大豆疫霉LRR-RLK蛋白的C端激酶结构域中预测到8个保守的基序,其中2个基序与植物较为相似,而其余6个基序是大豆疫霉特异的。选择压力分析显示大豆疫霉的LRR-RLK基因主要受到负向选择压力驱动。结合转录组数据,将近一半的大豆疫霉LRR-RLK基因在不同的侵染时间点显著上调表达。以上结果揭示了包含大豆疫霉在内的卵菌LRR-RLK蛋白家族的序列和进化特征,为今后进一步研究疫霉菌LRR-RLK蛋白的生物学功能奠定了基础。2.大豆疫霉FYVE蛋白家族的鉴定和进化特征分析通过生物信息学预测发现,含有FYVE结构域的蛋白在卵菌、真菌、植物和动物等真核生物中普遍存在,但在原核生物中却丢失。与其它真核生物相比,卵菌的FYVE蛋白显著富集,每种卵菌含有88-177个FYVE蛋白。系统进化分析表明,只有少数卵菌的FYVE蛋白与其它真核生物相似,其余的大多数卵菌FYVE蛋白是卵菌特有的。对FYVE蛋白的结构域分析发现,卵菌中除了 FYVE结构域,还存在大量的其它已知结构域,并且其中一些已知结构域是卵菌特有的。对大豆疫霉的116个FYVE蛋白进行深入分析发现,61%的基因在基因组上是成簇分布的。通过选择压力分析,找到有一组大豆疫霉的FYVE基因发生了正向选择压力。结合转录组数据,34.4%的大豆疫霉FYVE基因在不同的侵染时间点显著上调表达。以上结果揭示了包含大豆疫霉在内的卵菌FYVE蛋白家族的序列和进化特征,为今后进一步疫霉菌FYVE蛋白的生物学功能奠定了基础。
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