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13王卉——植物抗病性的机理和抗病育种策略

花匠小妙招
2024-10-08 05:50

1、植物抗病机理与抗病育种策略王卉南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室，江苏南京210095;摘要：植物病害仍然是农业领域的一个重要挑战，也是粮食安全的一个持续威胁，严重威胁着农作物的产量和品质。研究寄主植物的抗病性基因和病原物的致病基因相互作用关系以及植物的抗病机制，不仅为植物抗病育种提供理论指导，在植物生产上更具有重大的经济价值。近几年来,植物抗病研究取得显著进展，文章综述了与植物抗病性相关的基因,寄主植物与病原物的作用机理以及介绍现代植物抗病育种方法。关键词：植物抗病基因，分子机理，抗病育种basis of plant disease resistance and breedi

2、ng strategy forresistancewang huistate key laboratory of crop genetics and gemiplasm enhancement. nanjing agricultural university, nanjing 210095. china)abstract: crop disease remains a major cause of yield loss and emerging diseases pose new threats to global food security and the production and qu

3、ality of crops suffers from various diseases. study the relationships between host plant disease resistance genes and disease genes of plant pathogen, plant disease resistance mechanism, not only provide theoretical guidance for breeding of plant disease resistance, more important in the production

4、of plants economic value in the recent years, researches about advances of plant induced disease resistance have developed rapidly and great breakthrough have been made .in this paper, we review genes related with host plant disease rcsistancc genes, the molecular mechanism of plant disease resistan

5、ce is also bccn discussed. further methods and strategies about plant disease-resistance breeding have also been stated.key words: plants resistance genes; molecular mechanism; disease-resistance breeding生长在大自然中的每种植物都会遭到各类病原物的侵袭而受到不同程度的危害，抗病性是植物与其病原物在长期的协同进化屮相互适应，相互选择的结果。但是，自人类开展农业活动z后，经常发生植物病害的大流行

6、。农业上成片单一种植，直接降低了遗传上的多样性，增加了植物在时空上的连续性，为病原物的发展和连年积累提供了便利。因此，病害已成为农业生产上不可忽视的重要问题。本文主要介绍了植物抗病相关基因，植物的抗病机理，以及现在植物抗病育种方法。1. 植物抗病相关基因植物的抗病性与其他性状相比有其特殊性，它不仅决定于植物本身的基因型，还取决于病原物的基因型，因此，植物与病原物互作的遗传基础即构成了植物抗病的遗传基础。1.1病原物的致病基因植物抗病基因与病原物无毒基因产物间直接或间接相互作用导致产生的基因对基因抗性是植物抗病性的重要形式。致病基因主要包扌舌有毒基因3让)和无毒基因(avr),前者决定

7、对植物表现亲和性，即调控病害的发生与发展；后者决定病原菌小种与含相应抗病基因的寄主植物品种表现专化性不亲和。只有当具有抗性基因的植物与具有无毒基因的病原相遇时才能激发植物的抗病反应，其他情况下二者表现亲和，即寄主表现感病。病原的无毒基因是 flor首先发现的，之后许多经典的遗传学研究证明，它广泛存在于寄主植物的病原中， staskawicz et al 1984通过把含无毒基因avra的大豆丁香假单胞杆菌pseudomonas syringaepv. glycinea) 6号小种的cosmic!克降接合转移到不含avra的小种中，以遗传互补实验克隆了 avra,这是克隆的笫一个无毒基因

8、。12植物的抗病基因与防卫基因植物的抗病基因(resistance genes),是指基因对基因假说川的寄主植物中与病原无毒基因表现非亲和性互作的基因，除此z外的使植物表现抗病性的基因叫防卫基因(defense genes) o防卫基因是直接作用于病原菌，限制病原菌增殖，而抗性基因的产物是直接或间接作用于无毒基因，将识别信号传给防卫基因，进而诱导防卫基因的迅速表达。需要指出，防卫基因及其表达并不像抗病基因那样仅抗病植株所特有，而是感病植株也存在，只是感病植株中的防卫慕因相对抗病植株被激活得慢和表达微弱。与抗病基因相对的，是感病基因 (susceptible genes) o事实上抗、感

9、病基因在原生功能上都同样是植物正常代谢所必需的基因，只是在病原侵染植物后它们才表现了这种截然对立的次生功能。无毒基因已在多种植物病原物，包括真菌、细菌、病莓和卵菌等中得到克隆。绝大多数已克隆无毒基因之i'可，及其与已知蛋白之间，均无显著序列同源性。然而，多数已克隆植物抗病基因有较高序列一致性，产物往往具有相似的结构域。由序列一致性很高的抗病基因产物与没有明显序列同源性的无毒基因产物相互作用，产生的过敏性细胞坏死和抗病性，在产生速度、强度和组织特异性等方而均可能有显著差异。13抗病基因的分类尽管这些病原体及其致病分子差别巨大,但除少数抗病基因外，根据保守结构域的不同, 大多数植

10、物抗病基因编码的蛋白质可归为5类。根据植物抗病基因编码蛋白的保守结构，将植物抗病基因分成nbslrr、elrr-tm> elrr-tm-pkinase> stk和其他五大类。 nbs-lrr(nucleotide binding site plus leucine-rich repeat),即核昔酸结合位点和富亮氨酸重复的胞内受体蛋白；elrr-tm(extracellular leucine-rich repeat plus transmembrane receptor),即胞外富亮氨酸重复的跨膜受体蛋白；lrr-tm-pkinase(extracellular leuci

11、ne-rich repeat tmnsmembrane protein kinase),即胞外富亮氨酸重复和胞内的丝氨酸/苏氨酸激酶; stk(serine-threorine kinase),即丝-氨酸/苏氨酸激酶；除了 c被克隆的植物抗病基因外，研究者还发现了许多与上述r-gene结构相似的抗病基因类似序列(resistance gene analog, rga)o2. 植物抗病机理2. 1植物天然免疫性近年的研究发现，每种病原菌都具有其保守的分子特征，例如细菌的鞭毛蛋口，那些保守的分子特征被称为病原相关分子模式(pathogen-associated molecular patter

12、ns, pamps) h。在病原菌刚刚与植物接触的瞬间，植物通过其细胞表面的模式识別受体(pattem recognition receptors, prrs)来感知病原菌的pamps,从而识别各类微生物。近十年来，科学家发现植物对微生物病原相关分子模式的识别(pattern recognition, pr)是植物免疫的最基本过程。这种通过植物模式识别受体感知pamps并启动的主动防卫反应被定义为植物的基础抗性，也称为基础免疫。人们还发现植物基础抗性与传统病理学的概念紧密联系，因此建议将传统的水平抗性和基础抗性统一为pamp激发的免疫，即pt1 (pamp-triggered imm

13、unity)<> ptt可以激活植物的一系列抗病反应，包括脐月氐质沉积、激酶的活化、pr-蛋白的表达以及小rna的合成等，从而阻止环境中绝大部分病原菌的入侵(图1)。怔物免疫屏冷plant immunityhamars1模式受休prrnbslrr nbs-lrrh关抗稱華因 ke r genes斯的忧 new r精空凶 genes更新的抗1 new r饪因.cncs .病頫相关分了供式效应f 刖的效应fpa mpsellectors new elteciorsrv.v第二层j q 2nd layer節一馆j i st layer病廉相关分了枚式激发的免疫玫应r漱发的免疫 i

14、n紡的效应r激发的免疫new et1图i植物免疫系统fig. 1 a model of plant immunity system病原菌通过产生效应子等来克服植物的基础抗性或第一道防线，植物又进化出r-基因的第二道防线：植物通过新的分子受体(例如r基因编码的nbs-lrr蛋白质)来发现这些效应子并防卫。这种通过r-基因蛋白识别病原菌效应子并启动的主动防卫反应被称为植物的 r-基因抗性。传统的植物垂直抗性和r-基因抗性统一为效应子激发的免疫，即ett (effector triggered immunity)o pti是植物对一类含有pamps的病原菌的识别，范围更宽泛，故作为植物基础免

15、疫;与基础免疫不同，r-基因抗性为一类效应子激发的由抗病基因介导的植物免疫, 是含有抗病基因的植物识别含有相应效应子的病原菌引起的免疫反应。2. 2植物抗病信号的传导在植物抗病反应过程屮，抗病信号必须由内源信号分子从受侵染部位传导至整株植物引起相应的系统性抗性，因而内源信号分子在植物抗病信号传导途径中起重要作用。目前研究较多的植物内源信号分子是水杨酸(sa)、茉莉酸(ja)和乙烯(et)。植物系统获得抗病性(sar) 和过敏反应(hr)需要sa介导，称之为sa-依赖性途径(sa dependent pathway) o这一途径中prt蛋白协同表达。isr则是通过植物激素ja和et介导。m

16、orriseey和osbourn用ja 和et处理可降解转基因拟南芥的sa,并诱导产生系统性抗性，说明该途径与sa无关，称之为sa-非依赖性途径(sa independent pathway) o植物与病原菌的互作是一个复杂的级链反应。对于每一个病害来说，由于病原菌的侵染行为不同，侵染后的识别存在着各自的特性。但是，随后所引起的信号在多数病害中都有共同的组分和传导途径。不同病原菌的无毒基因之间尽管己发现有同源性但其差异性终究是普遍存在的，而来口不同作物赋了对不同类型病害抗性的植物抗病基因z间都表现出惊人的结构和功能上的保守性。这说明不同病害抗性中可能存在看共同的信号传递机制。如果能

17、对这些共同机制进行深入研究，从信号传递的不同过程进行人为控制将会在病害抗性研究中产生重要突破。2. 3防卫假说防卫假说是vander biezen提出，这个假说认为：在病原体侵染植物并营造适合其生长的有利环境时，病原体把植物体内的一种蛋白一一卫兵，作为靶子并加以改变，这种改变是植物受到病原体侵害的信号。植物抗病基因蛋白，能检测到这种信号一一植物卫兵蛋白的改变，其途径可能是通过检测植物卫兵蛋白与病原体毒蛋白形成的复合体。当植物抗病基因蛋白发现其卫兵受到攻击吋，抗病性被触发。这个过程可能并不需要抗病基因蛋白和无毒基因蛋白间发生直接的作用。防卫假说中植物抗病基因蛋白不仅能识别无毒基因蛋白

18、，而且能监视被病原体毒性/致病蛋口作为攻击目标的重要植物蛋口 /复合体。其他研究也间接地证明：抗性基因不仅能识别avr蛋白，而且能监视一些rh病原体触发产生或修饰的植物蛋白或蛋白复合体。抗病基因编码的蛋白是直接与无毒基因蛋白结合还是监视卫兵蛋白的改变，目前还不清楚哪一种方式更普遍。防卫假说代表了一种新的看法, 即抗病基因编码的蛋白不是消极地等待来白病原体的信号，而是能积极地监视病原体引起的细胞的生理反应。不同类型病原体的蛋白可能对应于不同的卫兵蛋白，也可能针对同一个卫兵蛋白。多抗基因编码的蛋白可能能识别不同类型病原体诱导和修饰的同一个卫兵蛋白问。3. 分子标记辅助选择以及抗病基因多样

19、性在抗病育种中的应用分子标记辅助抗病育种现在主要应用于单基因或少数抗性基因的遗传转移和多个抗病基因的聚合两个方面。在长期的抗病育种工作中，育种学家已经认识到单基因或寡基因抗病育种的局限性，因此聚合多个主效抗病基因或利用微效抗病基因已经成为抗病育种的发展趋势。3.1单个抗病基因的遗传转移在抗性育种中，直接选择需要创造特殊环境进行筛选鉴定，不仅育种年限长，而且受到许多条件（如设施、人力和气候环境）的限制；而分子标记辅助选择则不受这些条件的制约, 分析手段快速简便，可以大大提高育种效率。如f.l. kolbet等总结小麦与大麦屮赤霉病抗性行管的数量性状遗传位点的分子标记，赤霉病抗性的分子标

20、记将极大的增强对赤霉病抗性的选择效率“门。在抗性育种中分子标记为育种者提供了有利工具，为了在更多个群体的育种株系中使用分子标记辅助育种，需要育种工作者设计标记并将英应用于育种实践中，将分子标记和抗病育种过程结合。3. 2抗病基因多样性的利用在抗病育种实践屮，含单个抗性基因的优良品种曾发挥过重要作用，如小麦屮曾经广泛使用的pm8基因及水稻中的抗白叶枯基因xa-4,但是，大多数作物的致病菌具有小种多、变异快、适应范围广的特点，大规模长期种植含某单抗基因的品种会导致病原菌生理小种频率的漂移问。在生产屮使用抗病基因时，病菌群体往往因寄主抗病基因的选择作用而发生协同进化。盲目地大规模种植单

21、一抗性基因的品种，会使病原物产生优势小种，一旦克服了该抗性基因, 将出现病害大流行，作物生产带來灾难性后果。自从分子标记技术诞生后，很快有许多抗病基因被标记和定位，育种家们可以较为容易地区别和检测不同的抗病基因，不在受环境条件和生育进程的影响。近年来育种家们乂致力于将不同抗性基因聚合到一个优良品种中，希望能最大程度地维持优良品种的使用年限。传统的方法仍然是通过接种鉴定来区别和检测抗性基因，但是这种方法有时难以操作，因为不同抗性基因间可能有上位性作用或遮盖作用。而利用与目标基因紧密连锁的或共分离的的分子标记可准确鉴定某一抗性基因的存在与否。不同抗性基因聚合在一起吋，可能会产生新的抗性

22、，或使抗性得到提高，或使抗谱拓宽，为已有抗性基因资源的利用带来了新的契机。luz e. romero等报道了水稻白叶枯病和飞虱噬咬的抗性qtl位点，包括1个或2个紧密连锁的rhbv抗性qtl； 2个噬咬抗性qtl位点。这一成果为获得新的抗水稻白叶枯病材料提供了现代高效的育种策略，对于拉丁美洲的水稻育种有重要意义购。最近研究发现，水稻白叶枯病毒通过ns3蛋白结合sirna从而抑制植物体的热rna干扰功能，降低植物抗病毒能力。而病毒的结合能力完全取决于细胞间的分子互作，若qtl干扰这一过程，那么带有一个抗性基因拷贝的杂合体植株会获得屮间型抗性。4. 基因工程抗病育种育种策略基因工程抗病

23、育种的途径之一，是利用克隆的抗病基因，通过基因工程的手段转化受体品种，选择培养转基因的抗病品种，这已在不少植物上取得了成功。另外，还可依据群体遗传学原理，将对应于同一种病原的多个不同抗病基因转化到同一品种的不同个体中，产生仅在抗病基因座位上有差异的近等基因系混合群体，市此可实现该品种对病害的持久抗性。而且，这一途径克服了当使用混合品种群体时因其在株高和熟期等性状上不一致所带來的不利影响。4.1基于r-基因的转基因育种白1992年第一个植物抗病基因成功克隆剛至今，已有众多植物抗病基因和病原菌无毒基因被克隆，部分基因的结构、功能和作用机制己经明确，有的抗病基因已在分子育种屮得到应用（

24、tablel）。植物r基因可导入到其它敏感的同种植物或远缘材料中，转基因植株已表现出一定程度的抗病性。遗憾的是，多数r基因的抗性是十分专化的，不仅抗病谱窄，而且随着病菌群体组成的变化和快速进化，抗性会很快丧失；只有少数r基因赋予植物持久和广谱的抗病性。4.2基于“双组分系统”理论的转基因育种将抗病基因和來口病原菌的无毒基因转入植物，采用适宜的心动子，无毒基因对以被调节在适当的时期以适当的方式表达。这样可以保证植物在特定的状态下（如幼苗期时或遭受类似病原袭击吋）防御系统处于激活状态多数转基因植株在幼苗期因过敏性坏死反应（hr）而死亡，需要寻找激活防御反应与作物产量的最佳平衡。当病原真

25、菌侵染时，其屮的启动子能及时做出反应，启动avr基因或avr-r基因的表达，二者的产物互作后诱发植物的过敬反应，从而使植物抗病。由于启动子受各种非专化病原菌及其激发子所诱导,而且植物的防卫反应不是专化性的，因而可获得广谱抗性的转基因植物。4. 3基于信号传导基因的转基因育种信号传导基因的调控提高植物广谱抗病性的乂一途径是对过敏反应（hr）和系统获得性抗性（sar）屮信号传导的调控，鉴定和克隆hr、sar屮的重要基因是该策略的关键。某些基因可显著增强激活植物抗病反应的信号传导，因此在培育广谱抗病性转基因植物上具有较大的应用价值。农1.已发农的转基因抗病作物以及研究阶段table 1.

26、published examples of tran sge nic disease resista nee in crops and development status.pub. yearcropdisease resistancemechanismdevelopment status2012tomatobacterial spotr gene from pepper8 years field trials laboratory2012ricebacterialblightandbacterial streakengineered e genelaboratory2012wheatpowd

27、ery mildewr gene from wheat, overexpressed2 years of field trials at time of publication2011appleapple scab fungusth ion in gene from barley4 years of field trials at time of publication2011potatopotato virus ypaihogen-dcrived resistance1 years of field trials at time of publication2010applefire bli

28、ghtantibaclerial protein from moth12 years of field (rials at time of publication2010tomatomultibacterial resistanceprr from arabidopsislaboratoiy scale2010bananaxanthomonas wiltnovel gene from peppernow in field trial2009potatolate blightr genes from wild relatives3 years of field trials2009potatol

29、ate blightr gene from wild relative2 years of field trials at time of publication2008potatolate blightr gene from wild relative2 years of field trials at time of publication2008plumplum pox viruspathogen-derived resistanceregulatoiy approvals, no commercial sales2(x)5ricebacterial streakr gene from

30、maizelaboratorjr2(x)2barleystem rust1997papayaring spot virus1995squashthree mosaic viruses1993potatopotato virus xrlk gene from resistant baileycultivarpathogen-derived resistancepathogen-derived resistancemammalianinterferon-inducedenzymelaboratoryapproved and commercially soldsince 199& sold

31、into japan since 2012approved and commercially sold since 19943 years of field trials at time of publication5. 基因组策略的抗病育种对于植物的某个品种直接转移抗病基因获得的抗性不是永久的，基因对基因抗性是基于病原菌和宿主之间密切的遗传关系决定的。病原菌的突变以及其巨大的群体很容易造成植物抗病性的丧失。杂交选育，将野生品种抗病基因导入栽培种屮有可能会遇到杂交不亲和障碍, 或者其他性状的累赘连锁。新一代测序技术的迅速发展，通过基因组策略进一步改进抗病育种，以获得持久性抗病。a. 利用

32、新一代测序技术进行测序和组装病原体的基因组。b. 通过计算生物学，鉴定病菌原体中的最有可能的核心激发子。c. 鉴定由激发子激活的r基因。d. 通过多种方法鉴定筛选可识别核心激发子的r基因，减少病原体克服抗病的机会。e. 鉴定修饰基因组易感基因，以减慢病原菌的生长和症状的发展。f. 鉴定开展抗病原菌的益生菌和抗病原菌的微生物，作为种皮，包裹种子。总结近年来，人们已对许多植物抗病基因和抗病机制进行了研究，为我们全血地分析抗病基因及其作用机理提供了有利的条件。基因组学的发展和农业生产的需求使对植物抗病基因及其抗病机理的研究成为目前植物功能基因研究的热点，大量的研究工作正在深入展开，植物防御机制

33、的揭示将有利于了解生物之间的相互关系。抗病育种历來是育种学家的主要目标之一，如何利用基因工程的手段來改良作用，使之对病原菌产生稳定的抗性也是育种学家不断探索的目标之一。随着新的抗病良种的应用，将减少对杀菌剂的使用，对于提高人类的生活水平和改善日益恶化的生存环境，促进农业生产的发展，改善人与自然的关系。参考文献1j flor h h. inheritance of react ions to rustin flax. j. agric. sci. 1947, 74: 241-262|3| jones j d g, dang j l. the plant immune system. nat

34、ure, 2006, 444: 323-329.(4bollcr t, felix g a renaissance of clicilors: perception of microbc-associalcd molecular patterns and danger signals by pattern-recognition receptors. annu rev plant biol 2009, 60: 379-4065jnavarro l, jay f, nomura k, he s y, voinnet o. suppression of the microrna pathway b

35、y bacterial effector proteins. science, 2008, 321:964-9676赵开军，李岩强,王春连，高英.植物夭然免疫性研究进展及其对作物抗病育种的可能影响.作物学报.2011, 37(6): 935-942 flor hh .current status of the gcne-for-gcnc conccpl. annual review of phytopathology, 1971,9:275-2968jvander biczcn ea, jones jdg plant disease resistance proteins and the gcne-for-gcnc concept. trends in biochemicalsc