响应Helicoverpa害虫取食和植物激素信号的鹰嘴豆几丁质酶：全基因组鉴定、田间表达谱分析及基于结构的优先级排序

《BMC Plant Biology》：Chickpea chitinases responsive to Helicoverpa herbivory and phytohormone signaling: genome-wide identification, field expression profiling, and structure-guided prioritization

　　

摘要

背景

几丁质酶可以增强植物对真菌病原体和昆虫食草动物的防御能力，但其在鹰嘴豆中的家族组织结构、诱导性表达机制以及潜在的配体识别行为仍不明确。我们通过全基因组鉴定、在受控制的Helicoverpa armigera侵害条件下的田间表达分析、激素处理以及对代表性蛋白质的结构导向比较，来优先筛选与防御相关的几丁质酶。

结果

我们鉴定出28个鹰嘴豆几丁质酶基因位点（Car_Chits），包括22个糖基水解酶家族18（GH18）基因和6个GH19基因。局部复制，尤其是GH18基因内的串联复制，是该家族扩增的主要原因，且可解释的重复基因对主要通过纯化选择得以保留。启动子扫描显示，这些基因富含与防御和激素相关的顺式元件。在受控制的H. armigera侵害和激素处理条件下，对田间种植的11个候选基因进行定量实时PCR（qRT-PCR）分析，发现其表达具有处理特异性和时间依赖性。Car_Chit-4（GH19）在受到水杨酸处理后表达显著增强（0.5小时时增加7.81倍；q < 0.05），但在H. armigera取食后迅速被抑制（0.5小时时减少0.15倍；q = 0.030）。Car_Chit-19（GH18）是对食草行为反应最明显的基因，在8小时（1.62倍；q = 0.050）和48小时（1.85倍；q = 0.050）时表达增强。茉莉酸在多个基因中引起早期广泛抑制，随后在24小时时Car_Chit-4的表达被延迟诱导。我们构建了7个Car_Chit-(GlcNAc)?复合物的模型，并对其进行了100纳秒的模拟。GH18蛋白的MM-PBSA结合能预测值通常高于GH19蛋白，但这些结构指标更多作为相对配体识别指标，而非直接证明其具有抗食草功能。Car_Chit-17的结合能预测值最高（ΔG_bind = ?18.51 ± 6.75 kcal/mol），而Car_Chit-14和Car_Chit-27的配体结合构象最稳定，Car_Chit-19的蛋白质骨架也最为稳定。

结论

鹰嘴豆几丁质酶对食草行为和激素信号的反应存在差异。研究表明，GH19家族中的Car_Chit-4对水杨酸反应迅速，而GH18家族中的Car_Chit-19对食草行为的响应较慢。通过分层优先级框架，我们将基于表达的候选基因与基于结构的生化候选基因区分开来，这解释了为什么qRT-PCR和分子建模分析会得出不同的结果。结构分析为Car_Chit-17、Car_Chit-14和Car_Chit-27的生化特性研究提供了补充依据。这些结果共同为解析鹰嘴豆中的几丁质酶介导的防御机制以及选择功能验证候选基因提供了资源。

背景

几丁质酶可以增强植物对真菌病原体和昆虫食草动物的防御能力，但其在鹰嘴豆中的家族组织结构、诱导性表达机制以及潜在的配体识别行为仍不明确。我们通过全基因组鉴定、在受控制的Helicoverpa armigera侵害条件下的田间表达分析、激素处理以及对代表性蛋白质的结构导向比较，来优先筛选与防御相关的几丁质酶。

结果

我们鉴定出28个鹰嘴豆几丁质酶基因位点（Car_Chits），包括22个糖基水解酶家族18（GH18）基因和6个GH19基因。局部复制，尤其是GH18基因内的串联复制，是该家族扩增的主要原因，且可解释的重复基因对主要通过纯化选择得以保留。启动子扫描显示，这些基因富含与防御和激素相关的顺式元件。在受控制的H. armigera侵害和激素处理条件下，对田间种植的11个候选基因进行定量实时PCR（qRT-PCR）分析，发现其表达具有处理特异性和时间依赖性。Car_Chit-4（GH19）在受到水杨酸处理后表达显著增强（0.5小时时增加7.81倍；q < 0.05），但在H. armigera取食后迅速被抑制（0.5小时时减少0.15倍；q = 0.030）。Car_Chit-19（GH18）是对食草行为反应最明显的基因，在8小时（1.62倍；q = 0.050）和48小时（1.85倍；q = 0.050）时表达增强。茉莉酸在多个基因中引起早期广泛抑制，随后在24小时时Car_Chit-4的表达被延迟诱导。我们构建了7个Car_Chit-(GlcNAc)?复合物的模型，并对其进行了100纳秒的模拟。GH18蛋白的MM-PBSA结合能预测值通常高于GH19蛋白，但这些结构指标更多作为相对配体识别指标，而非直接证明其具有抗食草功能。Car_Chit-17的结合能预测值最高（ΔG_bind = ?18.51 ± 6.75 kcal/mol），而Car_Chit-14和Car_Chit-27的配体结合构象最稳定，Car_Chit-19的蛋白质骨架也最为稳定。

结论

鹰嘴豆几丁质酶对食草行为和激素信号的反应存在差异。研究表明，GH19家族中的Car_Chit-4对水杨酸反应迅速，而GH18家族中的Car_Chit-19对食草行为的响应较慢。通过分层优先级框架，我们将基于表达的候选基因与基于结构的生化候选基因区分开来，这解释了为什么qRT-PCR和分子建模分析会得出不同的结果。结构分析为Car_Chit-17、Car_Chit-14和Car_Chit-27的生化特性研究提供了补充依据。这些结果共同为解析鹰嘴豆中的几丁质酶介导的防御机制以及选择功能验证候选基因提供了资源。