摘要：PR10蛋白是植物在受到各類生物和非生物脅迫后產(chǎn)生的一種病程相關(guān)蛋白，在植物生長(zhǎng)發(fā)育和應(yīng)對(duì)外界生物和非生物脅迫時(shí)發(fā)揮重要作用。通過對(duì)近年來PR10研究結(jié)果的回顧，對(duì)PR10蛋白家族的序列、結(jié)構(gòu)特征、系統(tǒng)發(fā)生、生物化學(xué)功能、表達(dá)調(diào)控模式、啟動(dòng)子分析、亞細(xì)胞定位與蛋白互作及其在抑菌反應(yīng)和根瘤固氮中的作用進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)闡述了PR10蛋白的表達(dá)調(diào)控模式及生物化學(xué)功能，并提出了PR10蛋白研究中存在的問題及對(duì)未來的展望。

關(guān)鍵詞：PR10；表達(dá)調(diào)控模式；生物化學(xué)功能

中圖分類號(hào)：Q71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）02-0273-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.02.001

植物在受到外源病原體入侵時(shí)，體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一系列“應(yīng)激反應(yīng)”，其中包括誘導(dǎo)表達(dá)一類病原體相關(guān)蛋白（Pathogenesis-related protein）[1，2]。在開花植物中，人們根據(jù)PR蛋白結(jié)構(gòu)和功能特性的不同，將這些蛋白分為17個(gè)不同的家族。這些PR蛋白家族具有廣泛的功能，從細(xì)胞壁硬化到信號(hào)傳導(dǎo)，以至于抗菌活性[1，3，4]。在這些PR蛋白中，來自荷蘭芹（Petroselinum crispum）中的PR-1蛋白屬于典型的PR10家族，該蛋白廣泛存在于種子植物中，并受發(fā)育過程和環(huán)境脅迫的調(diào)控。根據(jù)蛋白序列的相似性、亞細(xì)胞定位區(qū)間及可能的功能，PR10家族蛋白又可以被分為兩個(gè)不同大類：①細(xì)胞內(nèi)病原體相關(guān)蛋白（IPR，Intracellular pathogenesis-related proteins），該類蛋白與核糖核酸酶（Ribonuclease）具有序列同源性；②Norcoclaurine合成酶（NCS，Norcoclaurine synthase，EC 4.2.1.78），該類蛋白參與芐基異喹啉堿（BIA，Benzylisoquinoline alkaloids）—一種植物次級(jí)代謝物的合成[5]。PR10蛋白最初是以IPR蛋白被發(fā)現(xiàn)的，包括樹花粉過敏原和主要的食物過敏原[6]。迄今，人們已從不同開花植物中發(fā)現(xiàn)100多種PR10蛋白或者PR10相關(guān)蛋白。在這些植物中，有單子葉植物也有雙子葉植物，有裸子植物也有被子植物[7]。

近年來，各種植物中關(guān)于PR10的研究有較大進(jìn)展，PR10蛋白不僅參與植物病原體入侵的防御反應(yīng)，在植物的正常發(fā)育過程以及根瘤菌共生過程中均起著非常重要的作用。本文從PR10蛋白的系統(tǒng)發(fā)生、功能、表達(dá)調(diào)控模式以及在不同生物學(xué)過程中的作用等方面進(jìn)行綜述。

1 PR10蛋白家族的序列和結(jié)構(gòu)特征

大多數(shù)PR10基因由長(zhǎng)度介于456～489 bp的開放閱讀框（ORF）編碼，蛋白產(chǎn)物約為151～162個(gè)氨基酸，分子質(zhì)量為15～18 ku。通常情況下，PR10基因的開放閱讀框包含一個(gè)76～359 bp的內(nèi)含子，內(nèi)含子位置在種子植物中非常保守[6，8]，但來源于蘋果的一個(gè)PR10亞家族卻沒有內(nèi)含子[9]。盡管PR10蛋白家族成員間的氨基酸序列分化非常嚴(yán)重，它們之間也有一些保守的特征，例如保守P-loop、小分子量、酸性等電點(diǎn)、亞細(xì)胞定位到細(xì)胞質(zhì)以及相似的三維結(jié)構(gòu)等[1，10]。研究發(fā)現(xiàn)，具有NCS活性的PR10家族成員的開放閱讀框比傳統(tǒng)PR10長(zhǎng)，通常由633～696 bp所編碼，相對(duì)分子質(zhì)量為23～26 ku，蛋白序列比傳統(tǒng)PR10蛋白多出N端或者C端[5，11]。

2 PR10蛋白系統(tǒng)發(fā)生

Liu等[7]用來自多種種子植物，包括裸子植物和被子植物的95個(gè)PR10蛋白的氨基酸序列構(gòu)建NJ系統(tǒng)發(fā)生樹。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)化樹變異非常大，包括2個(gè)主要的進(jìn)化枝。絕大多數(shù)PR10蛋白被聚在第一個(gè)大的進(jìn)化枝，而NCS組群蛋白則被聚在罌粟PR10組成的進(jìn)化枝，位于系統(tǒng)進(jìn)化樹的基部。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)暗示了NCS組群蛋白的起源可能先于種子植物的分化。在大的進(jìn)化枝內(nèi)部，高度分化的IPR蛋白被分成4個(gè)亞進(jìn)化枝，來自雙子葉植物的PR10蛋白被分在第一亞進(jìn)化枝，而來自單子葉植物的PR10蛋白被聚在第二和第四亞進(jìn)化枝，第三亞進(jìn)化枝則包括了來自松柏科植物的PR10蛋白。絕大多數(shù)來自同一物種的PR10蛋白聚在一起，推測(cè)在開花植物進(jìn)化之初，可能發(fā)生了PR10蛋白的爆發(fā)，進(jìn)而隨著基因組的進(jìn)化，導(dǎo)致了PR10的復(fù)制或者等位基因的發(fā)生。PR10蛋白同時(shí)存在于裸子植物和被子植物，可能進(jìn)化上來自同一個(gè)祖先基因，經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)變異和功能分化。盡管如此，不同物種中PR10基因的分化具有各自不同的特點(diǎn)，有待進(jìn)一步研究。

3 PR10蛋白的生物化學(xué)功能

3.1 PR10蛋白的RNase活性

PR10蛋白具有RNase活性，首先在白樺（Betula alba L.）得到驗(yàn)證，該P(yáng)R10蛋白與人參RNase具有較高同源性[12]。之后相繼發(fā)現(xiàn)很多PR10蛋白具有RNase功能[7，13-18]。通過不同物種中PR10蛋白氨基酸位點(diǎn)突變分析，發(fā)現(xiàn)PR10蛋白中有3個(gè)位點(diǎn)：P-loop、E94、Y150突變后在不同蛋白中均對(duì)RNase活性表現(xiàn)出一致的影響，推斷這幾個(gè)位點(diǎn)與RNase具有較為緊密的關(guān)系[19-22]。據(jù)報(bào)道，P-loop為保守的核酸結(jié)合模序，能與ATP和GTP結(jié)合，存在于許多核酸結(jié)合蛋白中[23]。Liu等[7]在對(duì)具有RNase活性的蛋白進(jìn)行序列比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，有4個(gè)位點(diǎn)在所有成員間保守，Y150便是其中之一。除PR10蛋白序列直接與RNase活性相關(guān)外，磷酸化可能也參與了RNase活性的激活，如CaPR10的磷酸化將RNase活性提高為非磷酸化蛋白的12.4倍[15]。

盡管來自很多物種的PR10蛋白被證實(shí)具有RNase活性，也有一些PR10蛋白被證明并不具有RNase活性，如LlPR10.1B在某種程度上具有RNase，但是它的同源類似物L(fēng)lPR10.1A卻沒有RNase活性[24]。除此之外，來源于西部白松的PmPR10-1.10重組蛋白也被證實(shí)不具有RNase活性，可能也不具有生理功能[25]。

3.2 PR10蛋白配體結(jié)合活性

除具有RNase活性外，PR10還具有配體結(jié)合活性。據(jù)報(bào)道，來自綠豆（Vigna radiata）和苔蘚（Physcomitrella patens）的PR10蛋白（VrCSBP）和具有細(xì)胞分裂素特異結(jié)合活性[26-28]。來自櫻桃（Prunus pseudocerasus）的過敏原PR10蛋白（Pru av1）能夠結(jié)合植物類固醇粟甾酮（Phytosteroid homocastasteron）[29]。樺樹（Birch）主要過敏原（Bet v1）能夠與很多具有生理功能的配體，如細(xì)胞分裂素、脂肪酸以及類黃酮等結(jié)合[30]。除此之外，Bet v1還能與脫氧膽酸鹽、蕓苔甾內(nèi)酯、表油菜素內(nèi)酯等特異性的非共價(jià)結(jié)合[10]。樺樹PR10-c能與細(xì)胞分裂素、黃酮苷、固醇類、大黃素等結(jié)合[31]。這些配體分子當(dāng)中，很多是具有重要生物學(xué)功能的激素、生物大分子和活性物質(zhì)，PR10蛋白可通過與這些分子的結(jié)合，調(diào)控其在植物體內(nèi)的濃度，從而調(diào)節(jié)生長(zhǎng)發(fā)育及其抗病防御。

3.3 PR10蛋白在植物次級(jí)代謝中的酶活性

PR10蛋白參與次級(jí)代謝主要通過其NCS活性來實(shí)現(xiàn)。第一個(gè)被報(bào)道參與次級(jí)代謝的PR10蛋白是金絲桃中的HpHyp-1，編碼一個(gè)HYP1酶負(fù)責(zé)合成金絲桃素，金絲桃素參與二蒽酮的合成[32]。同時(shí)該蛋白還具有催化（S）-Norcoclaurine合成的功能，進(jìn)而參與芐基異喹啉堿的合成。但并非所有的PR10均具有NCS活性，到目前為止，具有NCS活性的蛋白多分離自毛茛目（Ranunculales），如罌粟（Papaver somniferum）、黃唐松草（Thalictrum flavum）和日本黃連（Coptis japonica）等[11，33]。

4 PR10蛋白表達(dá)模式

4.1 生物脅迫和非生物脅迫下的誘導(dǎo)表達(dá)

PR10蛋白能在病原微生物脅迫條件下被誘導(dǎo)表達(dá)，在很多植物物種中都有過廣泛的研究。這些病原微生物包括：病毒[15，34-36]、細(xì)菌[37-39]、真菌[34，40-46]等。據(jù)報(bào)道，在蘭伯氏松松針被銹病真菌侵染條件下，PR10能被誘導(dǎo)并結(jié)合到銹病病原體（Cronartium ribicola）水泡細(xì)胞壁上[47]。當(dāng)北美黃衫木（Pseudotsuga menziesii）被真菌侵染時(shí)，位于根皮層組織的PR10被誘導(dǎo)。

PR10表達(dá)除受病原微生物誘導(dǎo)之外，還受非生物脅迫如傷害、冷脅迫、干旱脅迫、堿性條件、金屬離子、氧化脅迫、紫外輻射等的誘導(dǎo)。在蘆筍中，AoPR1基因轉(zhuǎn)錄本在受到外界傷害后得到積累[48，49]。馬鈴薯PR10a在傷害和效應(yīng)物處理后快速積累，處理后6 h便能檢測(cè)到，但PR10c卻不能被誘導(dǎo)[50，51]。在西部白松中，受傷害誘導(dǎo)后，PR10在基因水平上和蛋白水平上均快速升高[44-46]。寒冬里，蘭伯氏松和西部白樺的根中PR10蛋白水平積累到最高水平[52]。同樣，冷脅迫誘導(dǎo)PR10的表達(dá)也發(fā)生在桃樹和桑葚中[53，54]。在堿性條件下，水稻根中PR10受到誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)[55]。干旱條件下，南歐海松和辣椒中PR10受到誘導(dǎo)[15，56]。沙漠豆科植物中Retama raetam PR10受休眠誘導(dǎo)[57]，樺樹葉和根中PR10受銅脅迫和其他相關(guān)氧化脅迫[58，59]，羽扇豆中PR10受紫外輻射誘導(dǎo)[34]。

4.2 PR10的組成性表達(dá)

盡管PR10最初的發(fā)現(xiàn)是在病原菌侵染條件下，隨著研究的深入，陸續(xù)有報(bào)道稱有些PR10表現(xiàn)出組成性表達(dá)模式，而與病原體侵染無關(guān)，且發(fā)育過程中在不同的植物組織器官中被調(diào)控[45，53]。在植物生長(zhǎng)過程中和不同組織器官中，如花[51，60-64]、花粉粒[50，60]、葉[25，46，65]、莖[46，61]、果實(shí)[35，66，67]、種子[20，61]和根[45，65，68]中均發(fā)現(xiàn)了PR10蛋白的組成性積累。作為花粉或者食物過敏原，PR10蛋白在樺樹花粉[60]、鵝耳櫪（Carpinus betulus）[69]、蘋果[67]、芹菜[70]、梨[71]和大豆[72]中大量存在。

5 PR10基因調(diào)控與啟動(dòng)子分析

PR10基因轉(zhuǎn)錄被多種脅迫條件所調(diào)節(jié)，并在生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段也有不同的調(diào)節(jié)模式。Walter等[73]研究顯示，Ypr10c啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的GUS基因表達(dá)具有組織特異性，并能受谷胱甘肽或SA誘導(dǎo)，但在Ypr10c啟動(dòng)子中并未發(fā)現(xiàn)特異的順式元件。在蘆筍PR10基因AoPR1啟動(dòng)子中發(fā)現(xiàn)的一些元件可能與傷害誘導(dǎo)有關(guān)，包括G-box、H-box和一個(gè)9 bp的序列（ATTTGACCG）[49，61]。另外在荷蘭芹PcPR1啟動(dòng)子分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)-240～-130是真菌誘導(dǎo)所必需[74]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該段序列中存在一個(gè)W-box，它的核心序列（T）TGAC（C）能與WRKY蛋白（WRKY1，2，3）相互作用，而WRKY蛋白則與效應(yīng)物響應(yīng)誘導(dǎo)的PcPR1表達(dá)相關(guān)[75，76]。PcPR2基因啟動(dòng)子中有一個(gè)11 bp模序（CTAATTGTTTA），也證明與效應(yīng)物介導(dǎo)的PR10基因表達(dá)有關(guān)[77]。

在西部白松中，PmPR10-1-14啟動(dòng)子的不同區(qū)域在轉(zhuǎn)基因煙草中與根部特異表達(dá)有關(guān)，其中包括一個(gè)長(zhǎng)的重復(fù)序列[45]。在PmPR10-1-13啟動(dòng)子序列中，有兩個(gè)區(qū)域（-1 316～-930 和 -309～-100）與疾病和傷害誘導(dǎo)活性有關(guān)[46]。在PmPR10-1-13啟動(dòng)子序列中也發(fā)現(xiàn)了一些在被子植物中與誘導(dǎo)表達(dá)相關(guān)的順式作用元件，如典型的Box-W1（TTGACC）[78]、茉莉酸甲酯響應(yīng)元件（CGTCA/TGACG）、乙烯響應(yīng)增強(qiáng)元件（ATTTCAAG）。啟動(dòng)子刪除及啟動(dòng)子活性比較分析表明，EIRE-box、G-box和一段回文結(jié)構(gòu)（ATGAAGTTCAT）可能參與了疾病和傷害條件下的PR10誘導(dǎo)表達(dá)[46]。在馬鈴薯PR10啟動(dòng)子中，-155～-52為一段正調(diào)節(jié)順式作用元件，與真菌和傷害誘導(dǎo)有關(guān)，而-52～-28是一段負(fù)調(diào)節(jié)順式作用元件[79]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯PR10a啟動(dòng)子的一段50 bp（-155～-105）的序列與效應(yīng)子（Effectors）響應(yīng)有關(guān)，磷酸化的核轉(zhuǎn)錄因子PBF1與 -135～-105區(qū)段結(jié)合，為PR10a轉(zhuǎn)錄活化所必需[80]。同時(shí)另一個(gè)磷酸化的核轉(zhuǎn)錄因子PBF2與ERE元件（TGACAnnnnTGTCA）的結(jié)合對(duì)PR10a的轉(zhuǎn)錄活化也至關(guān)重要[81]。

6 PR10蛋白家族成員的亞細(xì)胞定位及相關(guān)互作蛋白

PR10蛋白家族成員在亞細(xì)胞水平的分布多種多樣。根據(jù)PR10蛋白的序列特征，多數(shù)PR10蛋白不具備信號(hào)肽，被定位在細(xì)胞質(zhì)中[7，82]，如葉綠體中[47]，但也有例外。Islam等[83]研究發(fā)現(xiàn)，北美黃衫木根中PR10被定位在細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)中。Zhang等[84]發(fā)現(xiàn)來自剛毛怪柳（Tamarix hispida）的ThPR10在洋蔥上表皮胞中定位在細(xì)胞核中。新近有報(bào)道稱，來自中國(guó)的野葡萄品種（Vitis pseudoreticulata）中VpPR10在細(xì)胞內(nèi)外均有存在，包括細(xì)胞壁、葉綠體、細(xì)胞質(zhì)中，液泡和細(xì)胞核中也有少量存在，當(dāng)葡萄葉片在受到葡萄霜霉病（P. viticola）時(shí)，在細(xì)胞核中也檢測(cè)到VpPR10存在的信號(hào)[18]。對(duì)于另一類具有NCS活性的PR10蛋白，Lee等[33]研究表明，NCS蛋白N端肽段實(shí)際為信號(hào)肽，將PR10蛋白定位到液泡當(dāng)中。

與PR10相關(guān)的蛋白互作研究進(jìn)展相對(duì)緩慢，到目前為止，僅有為數(shù)不多的幾例報(bào)道。在蘋果（Malus domestica）中，報(bào)道了一個(gè)功能未知的蛋白MadP，具有與蘋果PR10（Ma d1）蛋白結(jié)合的能力[85]，暗示了PR10在信號(hào)傳導(dǎo)中的潛在功能。另?yè)?jù)報(bào)道，一個(gè)來自辣椒（Capsicum annuum）的PR10蛋白，能與植物免疫系統(tǒng)中的一類LRR（Leucine rich repeat）蛋白結(jié)合，且這種結(jié)合對(duì)于抗病反應(yīng)非常重要，暗示了PR10可以通過調(diào)節(jié)植物免疫系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)其抗病功能[82]。

7 抗菌抑菌反應(yīng)與根瘤固氮

很多體外試驗(yàn)證明，PR10蛋白具有抗菌抑菌的功能。辣椒中重組蛋白CaPR10能抑制卵菌病原體（P. capsici），同時(shí)體外試驗(yàn)表明，該蛋白還具有RNase活性，能消化煙草花葉病毒RNA[15]。來自可可屬的TcPR10能抑制念珠菌病原物（M.perniciosa），體外試驗(yàn)表明，該蛋白同樣具有RNase活性和抗真菌活性[86]。牛茄子中SsPR10具有RNase活性和抗菌活性[7]。Ocatin是一種塊莖貯藏蛋白，屬于PR10蛋白家族。ZmPR10轉(zhuǎn)基因煙草葉片提取物具有RNase活性，并能抑制玉米黃曲霉（Aspergillus flavus）[87]。研究發(fā)現(xiàn)，該蛋白具有抗細(xì)菌和抗真菌的活性[88]。來自大豆（Glycine max）的GmPR10顯著抑制大豆疫霉的菌絲生長(zhǎng)并具有RNase活性，體外試驗(yàn)表明，過量表達(dá)的GmPR10能增加煙草對(duì)黑脛病的抗性[89]。鑒于此，研究人員提出PR10蛋白的抗菌功能很可能與RNase活性有關(guān)，具有RNase活性的PR10蛋白可能在植物的感染位點(diǎn)通過程序性死亡來保護(hù)植物，或者直接參與抵御病原體。已有一些結(jié)果支持該假設(shè)，但同時(shí)也有一些結(jié)果并不支持該假設(shè)。如馬鈴薯過表達(dá)STH-2并未提高對(duì)病原的抗性[90]。

在根瘤固氮方面，有研究表明，GmPR10.1在大豆根瘤菌（Bradyrhizobium japonicum）侵染后6～48 h內(nèi)在轉(zhuǎn)錄水平上被顯著上調(diào)表達(dá)[91]，最高達(dá)7倍（6 hpi），在蛋白水平也表現(xiàn)出上調(diào)（結(jié)果未發(fā)表），表明GmPR10.1能同時(shí)在基因水平和蛋白水平上對(duì)根瘤菌侵染作出響應(yīng)，在根瘤固氮的侵染過程中具有重要作用。PR10受根瘤菌侵染誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)在其他豆科植物，如豌豆、蒺藜苜蓿和菜豆等，均有報(bào)道[92-94]。

8 展望

PR10是一類小分子量酸性蛋白，不僅受病原體侵染誘導(dǎo)，在植物不同生長(zhǎng)發(fā)育和應(yīng)對(duì)外界生物和非生物脅迫過程中均起著非常重要的作用[15，34-59]。但其作用機(jī)理尚不明確，如PR10具有配體結(jié)合活性，如何決定其配體結(jié)合專一性以及如何通過配體結(jié)合調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育等還有待進(jìn)一步研究。此外，植物PR10對(duì)外源病原微生物具有抗性作用，但同時(shí)能與豆科植物共生的固氮菌侵染后又能誘導(dǎo)其表達(dá)[91-94]，這種誘導(dǎo)對(duì)共生作用的形成是利是弊，是否還有其他未知的功能，對(duì)這些問題的解答，將為解析植物如何利用PR10蛋白實(shí)現(xiàn)自我防御、生長(zhǎng)調(diào)控、協(xié)作共生的發(fā)生機(jī)理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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