CN112852837B - 一种PoPE1基因和蛋白及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种PoPE1基因和蛋白及其在诱导植物抗病性的应用,所述PoPE1基因由信号肽序列和非信号肽序列组成,其中,所述信号肽的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示,非信号肽序列如SEQ ID NO.2所示;所述PoPE1蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO.3所示,所述PoPE1基因及蛋白来源于溶磷草酸青霉菌(Penicillium oxalicum)P8,保藏号CGMCC No.2272。通过基因测序、蛋白筛选体系和生物学功能验证等研究发现,上述PoPE1蛋白具有提高番茄抗病性的功能,为番茄的产量和品质提供有效保障,并针对研发对人类健康安全无害、对环境友好、超低用量、高选择性的微生物农药提供重要研发方向和基础,为未来开发生物类蛋白农药提供重要资源,在农业生产上具有广阔应用前景。

Description

一种PoPE1基因和蛋白及其应用
技术领域
本发明涉及生物技术领域,特别是涉及一种PoPE1基因和蛋白及其应用。
背景技术
植物青枯病是由革兰阴性细菌青枯雷尔氏菌(Ralstonia solanacearum,简称青枯菌)侵染引起的系统性病害,它是一种典型的维管束病害,最显著的症状是枯萎,发病严重时会造成整株死亡。青枯菌宿主众多,能侵染包括花生、烟草、番茄、马铃薯、香蕉在内的50多科近450种植物。部分青枯菌生理小种演化成对侵染宿主植物的偏好性或专一性。青枯病已成为常见、易发和传播迅速的重要土传病害之一,严重影响了蔬菜的产量和品质。
传统控制青枯菌群体数量的方法主要有:及时清理田中青枯病的宿主植物、使用化学制剂控制青枯菌数量、通过使用生物有机肥添加青枯菌的拮抗菌、土壤消毒、合理的耕作和栽培措施等方法。随着科学技术的发展,青枯病的防治措施已发展为集成农业防治、选用抗病品种、物理、化学和生物防治为一体的综合防治体系。
其中,随着抗生素的广泛使用,以及耐药性或抗药性的出现,绿色防控和生物防控作为传统药物疗法的替代重新受到关注。生物源蛋白激发子是主要由细菌或真菌分泌的能诱导植物产生抗性,能提高植物对病原菌抵抗力的特殊化合物。由于其绿色、环保和无毒特性,在农作物病害的生物防治中受到广泛的关注。化学农药防治结合抗病育种是目前农作物防治病害的主要手段,病原菌致病能力与植物抗性协同进化,导致农药施用量逐年增加,并且农药残留导致农产品的安全问题接踵而至。随着科学技术的进步,微生物代谢物诱导植物抗性的研究逐渐引起农业科学家的广泛关注,并促进微生物农药的发展与应用。
蛋白多肽类物质是一类具有生防作用的物质,研究证明,病原菌在侵染植物会释放一些能诱导植物发生免疫反应的物质,如多糖、小分子肽等,其与植物细胞表面的受体蛋白结合,激活信号传导,诱导抗性相关基因的表达,从而诱导植物产生系统抗性。
青霉菌分布广泛,菌落大部分成灰绿色,分生孢子梗呈扫帚状分枝。营腐生生活,其营养来源极为广泛,是一类杂食性真菌,可生长在任何含有机物的基质上,导致如柑橘、苹果、梨等水果腐烂,但其发酵液却可应用在大豆、玉米等植物上进行防治病害,预示着其中可能存在抗菌类物质。
发明内容
基于此,本发明的目的之一在于提供一种PoPE1基因和蛋白及其在提高植物抗病性的应用,通过研究发现,上述PoPE1蛋白具有提高植物抗病性的功能,特别是针对番茄植株,为番茄的产量和品质提供有效保障,并针对研发对人类健康安全无害、对环境友好、超低用量、高选择性的微生物农药提供重要研发方向和基础,为未来开发生物类蛋白农药提供重要资源。
实现上述目的的技术方案如下:
一种PoPE1基因在提高植物抗病性中的应用,所述PoPE1基因由信号肽序列和非信号肽序列组成,其中,所述信号肽的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示,其非信号肽序列如SEQID NO.2所示;或信号肽序列为如SEQ ID NO.1所示和非信号肽序列如SEQ ID NO.2所示的核苷酸序列经取代、缺失和/或添加一个或多个核苷酸,且能编码相同功能蛋白质的核苷酸序列;或为编码氨基酸序列如SEQ ID NO.3所示的核苷酸序列。
一种PoPE1蛋白在提高植物抗病性中的应用,所述PoPE1蛋白的氨基酸序列如SEQID NO.3所示,或如SEQ ID NO.3所示氨基酸序列经取代、缺失和/或添加一个或多个氨基酸,但蛋白活性相同。
在其中一些实施例中,所述PoPE1基因及蛋白来源于溶磷草酸青霉菌(Penicillium oxalicum)P8,保藏号CGMCC No.2272。
在其中一些实施例中,所述植物为番茄。
在其中一些实施例中,所述抗病性为对青枯病的抗性。
本发明的目的之一还在于提供一种PoPE1基因的重组表达载体在提高植物抗病性中的应用;
实现上述目的的具体技术方案如下:
一种PoPE1基因的重组表达载体,所述重组表达载体上插入有上述PoPE1基因,或插入可用于表达上述PoPE1蛋白的基因。
在其中一些实施例中,所述重组表达载体为pET-28a(+)。
在其中一些实施例中,所述植物为番茄,所述抗病性为对青枯病的抗性。本发明的目的之一还在于提供一种提高番茄抗病性的方法。
实现上述目的的技术方案如下:
一种提高番茄抗病性的方法,该方法包括喷洒PoPE1蛋白溶液;
在其中一些实施例中,所述抗病性为对青枯病的抗性,所述PoPE1蛋白溶液针对番茄植株的叶片和/或茎部的最低喷洒浓度为0.5-2nM。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明发明人在溶磷草酸青霉菌(Penicillium oxalicum)P8,保藏号CGMCCNo.2272中发现一种PoPE1基因及其蛋白,通过基因测序、蛋白筛选体系和生物学功能验证等研究发现,采用大肠杆菌表达系统将PoPE1基因进行蛋白表达后,PoPE1蛋白可以提高植物抗病性,特别是提高番茄对青枯病的抗性,为番茄的产量和品质提供有效保障,并针对研发对人类健康安全无害、对环境友好、超低用量、高选择性的微生物农药提供重要研发方向和基础,为未来开发生物类蛋白农药提供重要资源,在农业生产上具有广阔应用前景。
附图说明
图1为实施例1中激发蛋白PoPE1的SDS-PAGE图,其中泳道Line1和Line2皆为表达的目标蛋白PoPE,红星标记为纯化蛋白PoPE1的条带,分子量大小约为34kDa。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将参照实施例对本发明进行更全面的描述,以下给出了本发明的较佳实施例。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施例。提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。应理解,下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件,或按照制造厂商所建议的条件。实施例中所用到的各种常用试剂,均为市售产品。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。
本发明的术语"包括”和“具有”以及它们任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或组分,而是可选地还包括没有列出的步骤,或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或组分。
在本发明中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”,描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
除非特别说明或另有定义,本文所使用的“第一、第二…”仅仅是用于对名称的区分,不代表具体的数量或顺序。
为了便于理解本发明,下面将对本发明进行更全面的描述。本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施例。相反地,提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。
本发明所述PoPE1基因及蛋白来源于溶磷草酸青霉菌(Penicillium oxalicum)P8,保藏号为CGMCC No.2272,保藏于中国微生物菌种保藏委员会普通微生物中心,地址北京市朝阳区北辰西路1号院3号。
本发明所述PoPE1基因由信号肽序列和非信号肽序列组成,其中,所述信号肽核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示,其非信号肽序列如SEQ ID NO.2所示;或为编码氨基酸序列如SEQ ID NO.3所示的核苷酸序列的序列。
SEQ ID NO.1:
ATGGCTCCTACTAAGTGGTTCACCGCGGCGCTGGCAAGCTGCCTCGCCGGAGCAGTCTTGGCT
SEQ ID NO.2:
GCGCCAACTGCGACCACCGATACCCTGATCGTCAAGCGTGCCAACATCAACGATGCGGCAACAGGTTTCGCAAGCCAGAATGGCGGCACCACCGGCGGCGCCGGCGGGACCACCACCACCGTCTCATCCTACGCAGCTTTTACGCAGGCAGTCCAGGGCGATGCAAAGAAGGTGGTCATTGTGTCAGGAACCATCACCCAGACTGCGGATCAAGCCCGAGTTGGCAGCAATACCAGCATCATCGGCAAGGATGCCAATGCCAAGCTGGTGAACTTTGGCGTTCTTATCAAGGGCGCCTCGAATGTCATCATTCGTAACCTGGGCATCTCCAAAGTTCTGGCTGCCAACGGAGATGCCATTGGCATTCAGAAGTCCAAGAATGTCTGGGTGGATCACTGCGATGTCTCTTCCGATATGAACCACGACAAGGACTACTACGATGGTCTCATTGACATCACCCACGCTTCGGACTACGTCACCGTGTCCAACACTTATATCCACGACCACTGGAAGGCTTCTCTGATCGGCCACTCCGACAACAACGGCGCCGAGGATAAGGGTCATCTCCATGTCACCCAGAACAACAATTACTGGAAGAACATCCACTCGCGCACTCCCTCGATCCGCTTCGGCACAGGCCACATCTACAACAGCTACTTTGAGGTTGACGACGGTATCAACACCCGCGATGGCGCCCAGGTCCTGGTGGAATCGAACGTGTTTGTCGGTTCCAACAAACCCCTCTATTCGACCGATGCCGGCTACGCCGTCGCCAAGGACAACGACTTTGGTTCCGGTGCCAACAAGGCCTCCGCTGGTACACTCACTTCTGTCCCGTATTCGTACTCGCTGCTGGGTTCCAAGAATGTCAAGAGCGCTGTTGTCGGTAGCGCGGGTCAGACTCTGAAGTTTTGA
应当理解,考虑到密码子的简并性,在不改变氨基酸序列的前提下,对上述碱基序列进行修改,也属于本发明的保护范围。
本发明PoPE1蛋白的氨基酸序列如SEQ ID NO.3所示。
SEQ ID NO.3:
MAPTKWFTAA LASCLAGAVL AAPTATTDTL IVKRANINDA ATGFASQNGG TTGGAGGTTTTVSSYAAFTQ AVQGDAKKVV IVSGTITQTA DQARVGSNTS IIGKDANAKL VNFGVLIKGA SNVIIRNLGISKVLAANGDA IGIQKSKNVW VDHCDVSSDM NHDKDYYDGL IDITHASDYV TVSNTYIHDH WKASLIGHSDNNGAEDKGHL HVTQNNNYWK NIHSRTPSIR FGTGHIYNSY FEVDDGINTR DGAQVLVESN VFVGSNKPLYSTDAGYAVAK DNDFGSGANK ASAGTLTSVP YSYSLLGSKN VKSAVVGSAG QTLKF。
实施例1PoPE1基因的表达与纯化
1、原核表达载体的构建
针对PoPE基因设计特异性引物,引物序列具体为:PoPE1-F:CCATGGGCGCCAACTGCGACCAC,SEQ ID NO.4;PoPE1-R:CTCGAGAAACTTCAGAGTCTGA,SEQ IDNO.5,通过植物真菌RNA提取试剂盒(全式金,北京)对溶磷草酸青霉菌(PenicilliumoxalicumP8,保藏号为CGMCC No.2272)的菌丝体进行RNA提取,后采用RNA反转录试剂盒(全式金,北京)进行cDNA的合成,并以此为模板取2μL,前后引物各2μL,superMIX 2X 25μL,补充去离子水至反应体系为50μL,扩增程序为:94℃5min;94℃30s,55℃30s,72℃45s,35cycles,72℃5min;从而扩增得到PoPE1基因序列,将片段回收后,根据原核表达载体pET-28a(+)多克隆位点,选取酶切位点为NcoI(CCATGG)和XhoI(CTCGAG),采用双酶切的方式,利用内切酶NcoI和XhoI进行酶切,将PoPE1编码序列连接到载体上。连接方法为采用T4连接酶,反应体系为20μL,片段与载体各2μL,反应温度25℃,反应时间20min。之后将连接的重组质粒转化大肠杆菌TransT1(全式金,北京),具体方法为,取1μL的重组质粒与大肠杆菌感受态细胞在冰上共同孵育30min,之后将其于42℃处理1min,冰浴2min,在超净工作台下,加入无菌的LB培养基500μL,摇床37℃,200r/min培养1h后进行卡那霉素抗性平板涂布进行培养。并将长出的菌落进行测序,经测序正确的大肠杆菌进行大量培养并提取连接正确的质粒,并转化大肠杆菌BL21(全式金,北京)进行后续蛋白表达。
2、蛋白表达
将验证正确的蛋白表达菌株过夜活化,取1mL菌液接种至10mL含有卡那霉素的LB液体培养基中,摇床37℃培养至OD600为0.6-0.8。
同时将含有pET-28a(+)的空质粒的表菌株为阴性对照,分别取1mL的菌液计入到含有50μg/mL的卡那霉素的200mL的LB培养基中,37℃,220r/min,震荡培养3-4h至OD600为0.6-0.8。加入诱导剂IPTG(终浓度为2mmol/L),16℃诱导蛋白表达12h。菌体收集,高速离心(6000r/min)收集菌体,弃上清液,加入缓冲液(50mmol/L Tris-HCl,pH 7.0)涡旋振荡,经超声波破碎,功率200w,超声震荡5s,间隔时间5s,共计30min。超声破碎后,将全部的液体加入50mL的离心管中,低温高速离心(8000r/min,4℃离心30min)收集上清液,上清液即为蛋白PoPE1表达液。
3、蛋白纯化
将获得的蛋白表达液通过无菌0.45μm滤膜过滤,之后将其进一步纯化,过完滤膜的蛋白表达液通过Ni-柱(5mL)亲和层析对蛋白进行吸附,并重复上样3次,从而最大可能地将目的蛋白吸附到Ni-柱上。之后用5倍上样体积的缓冲液(50mmol/L Tris-HCl,pH 7.0)冲洗Ni柱,在出口处用10μL的移液枪吸取5μL进行蛋白检测,参照brandford蛋白检测,直至缓冲液(50mmol/L Tris-HCl,pH 7.0)将不能吸附到柱上的蛋白全部冲洗出来。然后用1倍上样量体积的洗脱缓冲液洗脱蛋白,并收集洗脱液,并利用10kDa超滤管(上海生工)进行浓缩除盐(5000r/min,4℃离心30min)。除盐后,加入无盐的Tris缓冲液至溶液体积定容为1mL。
4、蛋白电泳检测
取上述纯化后的PoPE1蛋白溶液10μL至1.5mL的离心管中,加入2μL 6×Proteinloading buffer混匀,沸水浴10min,取10μL进行SDS-PAGE检测,电泳为恒压垂直胶电泳,电泳步骤为,80V,15min,此步骤目的为是蛋白在浓缩胶中压到一条线,方面后续蛋白的分子量分析,之后转换电压160V,50min至蛋白移动至胶的底部。电泳结束后,考马斯亮蓝R250染色,观察蛋白表达情况。
经过SDS-PAGE检测,获得分子量约为34kDa的包含His(组氨酸)的融合表达蛋白,且从图1 SDS-PAGE胶图中可以看出,该蛋白的纯度较高,杂带较少,可用于后续的生测实验。
实施例2重组蛋白PoPE1对植物防御反应的影响
我们取上述30mL纯化后的PoPE1(1μM)溶液均匀的喷施在45株生长约一月龄(2-3片真叶)番茄幼苗的叶片上,1天后分为以浸根和灌根的方式接种青枯菌,另以不含有PoPE1蛋白的buffer(50mmol/L Tris-HCl,pH 7.0)喷洒,并通过上述相同方式处理的接种青枯菌的番茄植株作为对照组。其中青枯菌接种时使用的菌液浓度OD600为0.8,以浸根进行青枯菌接种的具体接种方法为:将盆栽中的番茄苗取出,轻轻摇晃番茄幼苗,使其根际土壤抖落,暴露番茄根,后将番茄根部放入发酵好的青枯菌菌液中,上下沾取3次,保障根部完全占有青枯菌液,后回栽至盆栽盆中。以灌根进行青枯菌接种的具体接种方法为:对浸根后重新栽种到盆里的番茄幼苗根部接种青枯菌发酵液,根部接种青枯菌发酵液2mL。
将上述所有植株放置到培养箱中(光照16h,温度30℃;黑暗8h,温度23℃;湿度70%)进行正常培养,7天后统计植株的发病数(发病调查依据)及植株株高。
发病调查依据:出现青枯菌侵染后的明显特征,即植株出现枯萎特征,横切叶脉,维管束呈现褐色。
在研究PoPE1蛋白对番茄植株的抗病性作用的前后时期,我们还将该蛋白用于其他各种植物的抗病性研究,具体实验方法同上,经研究发现,PoPE1蛋白对不同植株的抗病性影响效果差异较大,其中,按照上述方式对茄子、辣椒幼苗喷洒PoPE1蛋白,也有一定的效果。
实验结果统计表如下表1所示:
表1
Figure BDA0002939192310000091
Figure BDA0002939192310000092
Figure BDA0002939192310000093
通过上述结果统计表可知,喷洒蛋白PoPE的番茄苗发病株数平均为3.4株,植株平均株高为23.5cm,发病率为22.7%。
对照组(喷洒不含有PoPE1蛋白的buffer)番茄的发病株数平均为6.5株,植株平均株高为16.8cm,发病率为45.3%。
喷洒PoPE1蛋白的茄子苗发病株数平均为5.8株,植株平均株高为16.5cm,发病率为38.7%。
对照组(喷洒不含有PoPE1蛋白的buffer)茄子的发病株数为7.5株,植株平均株高为12.9cm,发病率为50%。
喷洒PoPE1蛋白的辣椒苗发病株数平均为4.6株,植株平均株高为19.3cm,发病率为30.7%。
对照组(喷洒不含有PoPE1蛋白的buffer)辣椒的发病株数为7.4株,植株平均株高为16.4cm,发病率为49.3%。
结合辣椒和茄子植株上的发病情况,喷洒蛋白PoPE1在番茄叶片上会使得其青枯病的发病率显著降低。以上的结果说明蛋白PoPE1能提高植物对青枯菌的抗性,特别是可显著提高番茄对青枯菌的抗性,有助于植株保持较好的生长态势。虽然对辣椒和茄子的效果并不是很明显,这可能与不同植物内部基因对PoPE1蛋白响应程度不同有关,具体作用机制有待做进一步的研究。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
序列表
<110> 广东省科学院生物工程研究所
<120> 一种PoPE1基因和蛋白及其应用
<160> 5
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 63
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
atggctccta ctaagtggtt caccgcggcg ctggcaagct gcctcgccgg agcagtcttg 60
gct 63
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<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
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acaggtttcg caagccagaa tggcggcacc accggcggcg ccggcgggac caccaccacc 120
gtctcatcct acgcagcttt tacgcaggca gtccagggcg atgcaaagaa ggtggtcatt 180
gtgtcaggaa ccatcaccca gactgcggat caagcccgag ttggcagcaa taccagcatc 240
atcggcaagg atgccaatgc caagctggtg aactttggcg ttcttatcaa gggcgcctcg 300
aatgtcatca ttcgtaacct gggcatctcc aaagttctgg ctgccaacgg agatgccatt 360
ggcattcaga agtccaagaa tgtctgggtg gatcactgcg atgtctcttc cgatatgaac 420
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gtgtccaaca cttatatcca cgaccactgg aaggcttctc tgatcggcca ctccgacaac 540
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<211> 325
<212> PRT
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
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1 5 10 15
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20 25 30
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50 55 60
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145 150 155 160
Asn His Asp Lys Asp Tyr Tyr Asp Gly Leu Ile Asp Ile Thr His Ala
165 170 175
Ser Asp Tyr Val Thr Val Ser Asn Thr Tyr Ile His Asp His Trp Lys
180 185 190
Ala Ser Leu Ile Gly His Ser Asp Asn Asn Gly Ala Glu Asp Lys Gly
195 200 205
His Leu His Val Thr Gln Asn Asn Asn Tyr Trp Lys Asn Ile His Ser
210 215 220
Arg Thr Pro Ser Ile Arg Phe Gly Thr Gly His Ile Tyr Asn Ser Tyr
225 230 235 240
Phe Glu Val Asp Asp Gly Ile Asn Thr Arg Asp Gly Ala Gln Val Leu
245 250 255
Val Glu Ser Asn Val Phe Val Gly Ser Asn Lys Pro Leu Tyr Ser Thr
260 265 270
Asp Ala Gly Tyr Ala Val Ala Lys Asp Asn Asp Phe Gly Ser Gly Ala
275 280 285
Asn Lys Ala Ser Ala Gly Thr Leu Thr Ser Val Pro Tyr Ser Tyr Ser
290 295 300
Leu Leu Gly Ser Lys Asn Val Lys Ser Ala Val Val Gly Ser Ala Gly
305 310 315 320
Gln Thr Leu Lys Phe
325
<210> 4
<211> 23
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 4
ccatgggcgc caactgcgac cac 23
<210> 5
<211> 22
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 5
ctcgagaaac ttcagagtct ga 22

Claims (7)

1.一种PoPE1基因在提高番茄抗青枯病中的应用,其特征在于,所述PoPE1基因由信号肽序列和非信号肽序列组成;所述信号肽的核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示,非信号肽序列如SEQ ID NO.2所示;或为编码氨基酸序列如SEQ ID NO.3所示的核苷酸序列。
2.一种PoPE1蛋白在提高番茄抗青枯病中的应用,所述PoPE1蛋白的氨基酸序列如SEQID NO.3所示。
3.根据权利要求1或2所述应用,其特征在于,所述PoPE1基因及蛋白来源于溶磷草酸青霉菌(Penicillium oxalicum)P8,保藏号CGMCC No.2272。
4.一种PoPE1基因重组表达载体在提高番茄抗青枯病中的应用,其特征在于,所述重组表达载体上插入有如权利要求1所述的PoPE1基因,或所述重组表达载体上插入可用于表达权利要求2所述PoPE1蛋白的基因。
5.根据权利要求4所述的重组表达载体,其特征在于,所述重组表达载体为pET-28a(+)。
6.一种提高番茄抗青枯病的方法,其特征在于,该方法包括喷洒PoPE1蛋白溶液。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述PoPE1蛋白溶液针对番茄植株的叶片和/或茎部的最低喷洒浓度为0.5-2nM。
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