玉米PR-1蛋白的计算机模拟表征、理化分析及抗真菌功能研究

本研究针对植物真菌病害防控需求，聚焦玉米(Zea mays)病程相关蛋白1(PR-1)的结构与功能解析。通过原核表达系统首次实现ZmPR-1重组蛋白的可溶性表达，结合生物信息学分析和体外抗真菌实验，证实该蛋白对尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)具有剂量依赖性抑制效应。研究揭示了PR-1蛋白在β-桶状结构保守性基础上的物种特异性理化特征，为开发新型抗真菌转基因作物提供了理论依据。

　　

在农业生产中，真菌病害每年造成高达20%的作物减产，其中尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)等病原体引发的萎蔫病尤为致命。传统化学杀菌剂不仅带来环境负担，还易诱导病原体产生抗药性。植物自身防御系统中的病程相关蛋白(Pathogenesis-Related proteins, PR)尤其是PR-1家族，因其广谱抗病原体特性成为研究热点。然而，玉米PR-1蛋白(ZmPR-1)的三维结构特征及其作用机制尚未明确，这限制了其在作物抗病育种中的应用。

为破解这一难题，Muhammad Zafar Saleem团队在《Scientific Reports》发表了开创性研究。研究人员采用多学科交叉策略：首先从巴基斯坦农业研究所(AARI)获取的玉米品种"Sahiwal Gold"中克隆PR-1基因(NM_001159109.2)，通过大肠杆菌BL21-DE3表达系统获得重组蛋白；运用ProtParam、SOPMA等生物信息学工具对6种禾本科植物PR-1进行比对分析；结合圆二色谱和Ni-NTA亲和层析技术完成蛋白纯化；最终通过纸片扩散法验证其对尖孢镰刀菌的抑制效果。

研究结果部分：

1. 1.

   基因克隆与表达分析

   成功构建pET15b-PR-1原核表达载体，SDS-PAGE显示17 kDa目标蛋白条带。跨膜区预测发现ZmPR-1具有典型膜蛋白特征，其N端23个氨基酸构成疏水区。

2. 2.

   多物种PR-1比较研究

   六种谷物PR-1蛋白序列相似度达65-90%，但理化性质差异显著：分子量15.7-18.7 kDa，等电点(pI)跨度4.23-8.93。ZmPR-1含8个半胱氨酸，预测形成Cys⁶⁷-Cys¹³⁹等三对二硫键。二级结构中无规卷曲占比最高(43.56%)，与β-折叠(17.79%)、α-螺旋(34.97%)构成稳定空间构象。

3. 3.

   三维结构建模

   同源建模显示ZmPR-1具有典型CAP超家族特征：中心β-桶状结构被α-螺旋包围，77.4%残基位于拉氏图优势区。结构分析发现其C端亲水区可能参与病原体识别。

4. 4.

   抗真菌功能验证

   40μg重组蛋白处理组形成17 mm抑菌圈，显著高于对照组(p<0.05)。抑菌效果呈现剂量依赖性，30μg和20μg组抑菌圈分别为15 mm和13 mm。

讨论部分强调该研究首次实现ZmPR-1在原核系统的高效表达，其结构特征解释了对不同真菌的广谱抑制机制。特别值得注意的是，PR-1蛋白可能通过干扰病原体固醇代谢破坏细胞膜完整性，这与预测的跨膜区功能相符。研究为开发基于PR-1蛋白的生物农药和抗病转基因作物奠定基础，对减少化学杀菌剂使用、推动可持续农业具有重要价值。未来研究可进一步探索PR-1与钙调蛋白(CaM/Ca²⁺)复合物的协同抗病机制。