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水稻白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xoo) hpa1Xoo基因编码的Hpa1Xoo蛋白具有其它harpin蛋白所共有的生物活性,能诱导非寄主烟草产生过敏性坏死反应(hypersensitive response, HR),诱导植物抗病、抗虫,促进植物生长。Hpa1Xoo蛋白N-端的卷曲螺旋(coiled-coil, CC)结构域多肽片段N21能激发烟草产生HR,其在烟草体内表达也能赋予烟草的抗病特性。为进一步明确其功能机制,本文通过基因芯片技术测定了转N21基因烟草及其相关基因(hpa1Xoo、AB)烟草的转录组谱,分析了水杨酸(SA)、茉莉酸(JA)和乙烯(ET)3种抗病信号通路及防卫相关基因表达情况,进而了解N21的抗病作用及其机理。本研究利用烟草基因芯片技术检测转hpa1Xoo、AB、N21基因烟草及其出发亲本烟草(CK)的基因表达谱,研究3种抗病信号通路和防卫相关基因表达情况。以2倍表达差异为标准(ratio大于2或小于0.5),转hpa1Xoo基因烟草和CK相比,共有4528个差异表达基因,其中上调表达的有2237个,下调的有2291个基因；转AB基因烟草和CK比较,上调表达基因1261个,下调有999个基因；转N21基因烟草和CK比较,上调表达基因有1204个,下调的有1462个；转hpa1Xoo和N21烟草相比,共有4273个差异表达基因,其中2330个上调表达,1943个下调表达；转AB和N21烟草相比,共有3280个差异表达基因,其中上调表达基因1442个,下调1838个；转hpa1Xoo和AB烟草相比,共有1822个差异表达基因,其中上调1017个,下调805个。这些差异表达基因主要涉及植物应激反应、生长发育、脂类代谢、光合系统以及水杨酸、茉莉酸和乙烯3种抗病信号通路和防卫反应。进一步分析发现(1)转N21烟草JA信号通路相关的差异表达基因有7个,分别是AT3G28910、AT2G46370、AT3G09600、AT4G35770、AT4G09460、AT2G40000和 AT5G44030,均为下调表达。其中AT4G35770即SEN1,与衰老、茉莉酸和伤口反应相关,同时也参与氧化应激反应。(2)SA信号通路的差异表达基因有AT1G28380、AT4G09460、 AT2G40000、AT5G42950、AT4G05320、ATIG13740、AT1G64160、AT5G48930和AT4G27430。除AT5G48930和AT4G27430上调表达外,其余均为下调表达。ATlG28380是编码坏死斑病变蛋白基因NSL1,与负调控水杨酸相关防卫反应和细胞死亡程序相关；AT4G05320是UBQ1O(聚泛素10)基因,编码高度保守的含76个氨基酸的泛素蛋白。SA能够诱导UBQ10的表达,但不依赖于SA诱导的NPR1。(3) AT2G46370、AT3G28910、 AT3G09600、AT5G25190、AT2G40000和AT5G44030均与ET信号通路相关,且均为下调表达。如AT5G25190是一种乙烯应答转录因子ERF003,编码ERF/AP2转录因子家族ERF(乙烯应答因子)亚族B-6中的一员。(4)还有部分防卫反应基因,如AT1G58848、AT5G48930和AT1G72870分别与细胞凋亡和PCD以及木质素合成相关,AT1G58848为上调表达,编码一种抗病蛋白RDL6/RF9。AT5G48930上调表达,不仅参与黄酮类生物合成,还与木质素生物合成相关,与奎尼酸羟化肉桂酰基转移酶(HCT)几乎完全相同。HCT受多种非生物胁迫因子处理高度诱导表达,包括机械伤害、H2O2、冷胁迫、ABA、SA和干旱。AT1G72870编码TIR-NBS类抗病蛋白。许多差异表达基因参与2种以上的信号通路。AT2G46370与AT4G09460与JA信号通路相关,AT2G46370还参与ET信号通路,AT4G09460也参与了SA信号通路。另外,AT3G28910、AT3G09600、AT2G40000和AT5G44030与3种信号通路均相关。AT2G46370编码一种茉莉酸氨基合酶JAR1,能够催化活性茉莉酸-异亮氨酸(JA-Ile)缀合物的形成,JA-Ile能促进茉莉酸信号途径中JAZ1和COI1的互作,COI1可以与Cullin、Skp结合而形成一个E3泛素链接酶,从而介导JA信号的传递。JAR1同样也在ET信号途径中起重要作用。AT4G09460是转录抑制子MYB6,作用于细胞核,能够对JA和SA作出反应。AT3G28910是一种myb域蛋白myb30,与植物过敏性和植物对SA、JA和ET的反应相关。AT3G09600具有序列特异性DNA绑定转录因子活性,不仅与3种信号通路相关,同时还与植物对脱落酸、赤霉素和生长素的反应相关。AT2G40000编码类线虫抗性蛋白HSPR02,其正调控基础防卫反应,作用于SA下游,并且能够通过JA和ET信号对其进行负调控。AT5G44030编码与次生细胞壁生物合成相关的纤维素合酶CESA4,参与植物对真菌和细菌的抗性,与JA、SA和ET信号通路均相关。以在真核生物中高度保守并且组成型表达的EF-1α基因为内参,qRT-PCR验证了转入的hpa1Xoo-N21基因在转录水平上启动的3种抗病信号通路和抗病防卫反应相关基因的表达情况。结果表明,在转基因烟草植株中可检测到SA, JA和ET 3种抗病信号通路相关基因如AT2G46370、AT3G09600和AT5G25190等的表达,同时也能检测到其它重要的防卫反应相关基因AT1G58848、AT5G48930和AT1G72870的表达,与基因芯片分析结果基本一致。