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抗病基因

花匠小妙招
2024-10-11 04:45

抗病基因

寄主中与病原物无毒基因互作的基因，亦称识别基因（Recongnition genes）。在寄主与病原物之间基因对基因互作中，植物抗病基因与病原物无毒基因互为显性、数量相等、功能互补。抗病基因产物与无毒基因产物相互识别，特异性结合后激发防卫反应基因（defense response genes）表达，导致不亲和抗病反应。特征不同抗病基因有以下各种特征。

目录 1 特征 2 分子克隆 3 作用机制 4 应用

特征

不同抗病基因有以下各种特征。

单基因决定遗传方式

单基因决定小种特异性抗病性和变异，以孟德尔方式遗传。经典遗传学已经从多种植物中发现此类基因，亚麻有34个抗病基因，分为K、L、M、N、P、D和Q7个组；棉花有16个抗油菜黄单胞菌锦葵致病变种（细菌性角斑病菌）抗病基因。两个或多个基因控制的抗病性也存在着基因对基因的关系，或微效基因的叠加互作效应。一种植物有几十个针对某个特定病原物的抗病基因。

编码识别功能

编码对病原物激发子专化性识别功能，一般认为抗病基因编码是细胞膜上特异性受体，具有识别和产生信号功能，抗病基因最初产物是效应分子。燕麦中抗冠锈病菌（P.coronata）Vb基因编码膜蛋白。这种膜蛋白同时又是维多利亚旋胞腔菌毒素受体。对大麦mlo位点、玉米控制高度坏死和les表型的位点，番茄控制自然坏死表型的位点进行突变，使抗病基因的专化性识别能力也发生变化，但引起过敏性反应能力无变化。一些抗病基因对温度变化较敏感。小麦抗秆锈病菌sr-6基因和豌豆抗大豆根瘤菌sym-1基因，温度提高6℃，基因功能丧失，反映了基因产物的蛋白质结构变性特点。但并非所有抗病基因都对温度敏感。

成簇性和重排性

许多抗病基因位点所存在的不同抗病基因及其功能改变的等位基因是成簇排列的。如亚麻M组7个基因之间，N组3个基因之间紧密连锁，L组有12个基因为等位基因，每个抗病基因能专化性识别不同的无毒基因。紧密相连的抗病基因之间可以进行序列重排和重组，产生具有新识别专化性的抗病基因。

多效性

不同菌株特异性抗病基因有不同的效应，抗病性表现也有多种类型。有的抑制真菌孢子产生和菌丝生长，有的产生过敏性坏死反应，甚至完全对病原物免疫。有的抗病基因还对环境因子敏感和反应。如玉米中Rp1和大麦中M1a等抗病基因是环境敏感性的，在无病原物存在时，也可能产生坏死反应。

不同植物有相同的抗病基因，同一种植物中有不同的抗病基因，从油菜黄单胞菌辣椒致病变种一个番茄株系中获得的无毒基因，转移到野油菜黄单胞杆菌其它致病变种中，该无毒基因赋予了对苜蓿、菜豆、玉米、棉花和豇豆的无毒性，表明这些植物中含有对该无毒基因互作的相同的抗病基因。大豆、豌豆和拟南芥中具有对丁香假单胞菌花椰菜致病变种无毒基因avrRpm1互补的相同抗病基因。拟南芥中有几个不同的抗病基因，识别丁香假单胞不同致病变种的无毒基因。表明无任何亲缘关系的植物有功能相同的抗病基因，当含有从非病原物中克隆的无毒基因的病原物挑战接种植物时，抗病基因的功能才表达。

分子克隆

将特定功能的DNA分子（片段）分离出来，与特定载体（如质粒）重组，使其在特定细胞（如大肠杆菌）中繁殖和扩增的方法。克隆植物抗病基因的方法有：功能互补法，基因标记法，受体蛋白基因分离法，减数杂交法，构图克隆法等。

功能互补法

将植物基因文库克隆向无抗病基因的受体细胞转化，或新近发展的将DNA包裹在微颗粒中向受体细胞转化；根据受体细胞的抗病性表现，测定抗病基因是否互补其功能，从而克隆出抗病基因。此法优点在于供体和受体不必有任何遗传标记，可以是多倍体，而且方法简单、省时，受体和供体植物不一定是同一种植物。

基因标记法

在玉米中首先使用转座子标记法，克隆出玉米抗柄锈病菌RpS1基因位点，该位点有14个不同抗病基因或等位基因。但由于抗病基因对病菌不同小种的抗性不同，以及所使用的转座子mutator拷贝数高，引起RpS1位点自发突变率高，所以抗性不稳定。转座子标记法也在亚麻、番茄中应用。用T-DNA标记法已从拟南芥中克隆出多种抗病基因。

受体蛋白基因分离法

根据病原物产生的小种专化性激发子或无毒基因产物生化特征，用作适当标记的特异性探针，通过亲和技术，鉴定出植物受体或抗病基因产物及其特征，进一步克隆其编码基因。此法已在番茄中用来克隆与黄枝霉（叶霉病菌）无毒基因avr9互补的抗病基因Cf9。用标记的维多利亚毒素，来分离燕麦中抗冠锈病菌的基因Vb已获得成功。因为Vb/Pc-2基因编码了一个受体，同时可以被维多利亚旋腔孢菌和减数冠柄锈菌的分子所激发。

减数杂交法

将一个缺失品种中缺乏、而另一个品种中具有的抗病基因，通过杂交和PCR方法进行富集和扩增。

构图克隆法

对抗病基因位点与一些分子标记（如限制性片段长度多态性RFLP）连锁分析，克隆出DNA大片段构建特异性片段基因文库，对连锁的抗病基因位点进行染色体步查（chromosomal walk-ing），克隆和分离抗病基因。此法被认为最有希望分离出抗病基因，并正在玉米、小麦、莴苣以及拟南芥等植物中应用，但用于基因组较大、重复序列较多的植物难度较大。拟南芥基因组只有100Mb，已构建了抗丁香假单胞菌花椰菜致病变种的基因Rpm1的图谱。

作用机制

目前已经提出了激发子—受体模式、二聚体模式，离子通道模式等解释寄主植物抗病基因与病原物无毒基因相互作用的机制（见寄主—病原物互作）。这些模式的中心点是植物抗病基因有识别和激发过敏性反应的双重功能。抗病基因及其产物（可能的受体）与无毒基因及其产物（可能的激发子）相互识别，特异性结合，通过信号传递，活化植物防卫反应基因表达，导致过敏性反应等不亲和性抗病表现。烟草N′抗病基因能识别烟草花叶病毒（TMV）具有无毒基因功能的外壳蛋白单个氨基酸改变的细微特征，激发过敏性反应。番茄抗叶霉病菌的基因cf9能识别病菌的无毒基因avr9激发了过敏性抗病反应。大豆细胞膜上受体可以被大雄疫霉大豆专化型起激发子作用，经标记和非标记的葡糖苷特异性竞争结合，表明结合位点信号受体的功能。对抗病基因及其位点进行突变分析可以区别其识别和激发过敏性反应的功能。

应用

将抗病基因向植物中转化，以提高植物抗病性的遗传工程，已有初步尝试。将抗病基因及其互补的无毒基因结合在一起，置于受病原物诱导的启动子下，转化、整合到植物染色体基因中进行表达，就能诱导产生过敏性反应。这种由抗病基因和无毒基因组成的双组分系统是诱导性表达，不仅对真菌，也可以对细菌、病毒和线虫等病原物具有广谱抗性。