馬鈴薯晚疫病抗病基因研究進展

吳秋云，黃科，劉明月，周倩，熊興耀,3*

（1.湖南省馬鈴薯工程技術研究中心，湖南農(nóng)業(yè)大學園藝園林學院，作物種質(zhì)創(chuàng)新與資源利用國家重點實驗室培育基地，湖南長沙410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學植物保護學院，湖南長沙410128；3.中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所，北京100081)

綜述

馬鈴薯晚疫病抗病基因研究進展

吳秋云1，黃科1，劉明月1，周倩2，熊興耀1,3*

（1.湖南省馬鈴薯工程技術研究中心，湖南農(nóng)業(yè)大學園藝園林學院，作物種質(zhì)創(chuàng)新與資源利用國家重點實驗室培育基地，湖南長沙410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學植物保護學院，湖南長沙410128；3.中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所，北京100081)

晚疫病是危害馬鈴薯生產(chǎn)的重要病害，可導致馬鈴薯的大量減產(chǎn)。多年來研究人員對馬鈴薯晚疫病進行了大量的研究，取得了一系列的成果。對馬鈴薯晚疫病防治最有效的方法是使用抗病品種，隨著分子生物學技術的發(fā)展，從野生資源中分離抗病基因，并將其轉入到栽培種馬鈴薯中可以獲得抗病特性。到目前為止，已經(jīng)有十多個抗晚疫病基因被發(fā)現(xiàn)和圖譜，且部分基因已被轉入到栽培品種中。本文從晚疫病抗病基因的發(fā)現(xiàn)、分離、定位及克隆等方面進行了綜述。

馬鈴薯；晚疫??；抗病基因

由致疫霉菌（Phytophthora infestans）引起的馬鈴薯晚疫病是馬鈴薯生產(chǎn)中最重要的病害之一，其危害程度大，危害面廣，可導致馬鈴薯大面積的減產(chǎn)甚至絕收。19世紀中葉晚疫病曾導致愛爾蘭馬鈴薯大面積絕收，造成160萬愛爾蘭人因食物短缺而死亡，給社會帶來極大的恐慌[1]。目前全世界每年因晚疫病造成的直接經(jīng)濟損失可高達67億美元，占馬鈴薯總產(chǎn)值的15%，發(fā)展中國家損失高達35億美元。中國每年因感染晚疫病造成馬鈴薯減產(chǎn)約10%～15%，部分產(chǎn)區(qū)每年因晚疫病損失鮮薯達15%～40%，嚴重地塊甚至絕收，每年因此造成的經(jīng)濟損失高達20億美元。因此，馬鈴薯晚疫病的防治工作已成為世界馬鈴薯生產(chǎn)的一項極其嚴峻的任務。

導致晚疫病發(fā)生的致病疫霉菌有兩種交配型，即A1型和A2型，其小種分化極快，防治比較困難。過去人們利用抗真菌劑來防治晚疫病，但其效果并不明顯[2,3]。隨著現(xiàn)代分子生物學和基因工程技術的發(fā)展，從馬鈴薯抗晚疫病野生種質(zhì)資源中分離抗病基因，并將其導入栽培種馬鈴薯中，已經(jīng)成為馬鈴薯抗病育種的一個重要途徑[4]。自20世紀80年代以來，育種工作者已經(jīng)從野生馬鈴薯種Solanum demissum、S.bulbocastanum及其它野生種中鑒定出了多個晚疫病抗性基因，且將部分抗病基因?qū)氲今R鈴薯普通栽培種中[5]，獲得了具有抗晚疫病的馬鈴薯植株。本文將從馬鈴薯晚疫病基因的分離、定位、克隆與應用等方面對晚疫病抗病基因的研究進行概述。

1 來自于S.demissum中晚疫病抗性基因的定位與克隆

馬鈴薯六倍體野生近緣種S.demissum（2n= 6x=72）是栽培馬鈴薯中晚疫病抗性基因的最大來源，其不僅含有高抗晚疫病基因，而且易與四倍體栽培種S.tuberosum雜交，目前已經(jīng)有11個晚疫病抗病基因從S.demissum中鑒定出來并轉育到馬鈴薯栽培種中[6,7]，這些基因分別被定名為R1，R2，···R11，它們都是具小種?；剐缘闹餍Э共』?。

晚疫病抗病基因R1是目前研究得最清楚的晚疫病抗病基因之一，定位在S.demissum的V號染色體上，是多基因家族成員之一，它所在的位置也是各種病原體抗病基因的集中區(qū)，包括可以編碼對各種病原體（病毒、霉菌、線蟲和昆蟲）的抗性蛋白，馬鈴薯X病毒的單基因抗性基因就定位在這一區(qū)域[8]。Ballvora等[9]，Dangl和Jones[10]以及Ellis等[11]報道構建出R1基因位點附近的高分辨率圖譜，并通過定位克隆結合候選基因方法克隆出了R1基因，它編碼1 293個氨基酸，蛋白分子量為149.4 kD。對R1基因的分子結構分析表明，它包含一個保守的核苷酸結合位點（NBS）、一個亮氨酸富集重復序列（LRR）和一個亮氨酸拉鏈模塊（LZs），是典型的nonTIR-NBS-LRR型抗病基因。Kuang等[12]報道，在R1基因位點附近構建了3個大約1 Mb的物理圖譜，有3個明顯特征的抗性基因家族被鑒定出來，其中之一與馬鈴薯R1基因高度同源。對R1同源基因的序列比較表明，它們在距離進化樹上形成3個明顯的進化枝，在R1同源基因的每一個進化枝上都能檢測到頻繁的序列交換，但在不同的進化枝上卻檢測不到。這些結果表明，R1同源基因包括3組獨立的進化較快的I型抗性基因，它們之間的序列交換頻繁，因而產(chǎn)生特定的嵌合體結構。

晚疫病抗病基因R2定位在馬鈴薯Ⅳ號染色體上[8]，是利用四倍體群體EJ96-4061進行定位的。Michelmore等[13]報道，通過大片段分析（BSA）方法已將11個與R2位點相連鎖的AFLP標記鑒別出來,Park等[14]在二倍體圖譜群體中鑒別了3個特異的R基因，其中一個定位在Ⅳ染色體上，并與S.demissum中的R2在表型上十分相近，利用R2類似位點側翼的2個標記對1 586個后代群體進行篩選，大約有103個重組體被選擇出來，從而構建成一個高分辨率的遺傳圖譜。

晚疫病抗病基因R3定位在馬鈴薯Ⅺ號染色體長臂上，對馬鈴薯晚疫病P.infestans毒株具有小種?；剐浴uang等[15]利用1 748個植株群體在R3基因位點附近構建了一個高分辨率的遺傳圖譜，通過精確作圖和對特異P.infestans離體株的病原檢測，發(fā)現(xiàn)R3位點由2個具有明顯特征的基因組成，這2個基因（R3a和R3b）之間遺傳間距為0.4 cM，均來自于S.demissum的基因融合。Huang等[16]報道利用local RGA并結合遺傳圖譜方法分離出了R3a基因，通過在R3基因位點附近構建高分辨率的遺傳和物理圖譜，結合比較基因組學分析發(fā)現(xiàn)馬鈴薯的R3復合位點與番茄中的I2復合位點具共線性，表明R3基因位點也可能是一個I2基因的類似物（I2GA）。

晚疫病抗病基因R8定位在第Ⅸ號染色體長臂末端，為晚疫病抗性主效單基因，該區(qū)域至少存在3個抗性基因簇[17]。

R10基因定位于第Ⅺ號染色體的短臂末端，與已克隆的R3a基因同屬于抗晚疫病主效位點的單倍型，徐建飛[18]利用比較基因組學結合BSA分析方法構建了R10位點的高分辨率遺傳圖譜，并將R10定位于標記656T和1001T之間的0.26 cM區(qū)域內(nèi)。

R11基因定位在第Ⅺ號染色體上[19]，也是晚疫病抗性主效單基因，在四倍體馬鈴薯MaR11中以單拷貝形式存在，與最近的標記C2-At5g59960距離約為2.4 cM，R11基因較R3b基因和R10基因更靠近端粒區(qū)。

此外，來自S.demissum的晚疫病抗病基因R5、R6、R7和R9被定位在馬鈴薯第Ⅺ號染色體上[20-22]。在這11個抗性基因中，R4位點還沒有確定[23]，但由于R4與一個已知的抗性基因Rpi-edn3相似，有人推斷R4可能位于第Ⅺ染色體長臂端[24]。

2 來自于S.bulbocastanum中晚疫病抗病基因的定位與克隆

二倍體馬鈴薯S.bulbocastanum（2n=2x=24）是具有田間廣譜晚疫病抗性的種，其抗病性具有量化特征和非小種?；裕壳?，已有多個抗晚疫病基因從該野生種中克隆出來。Edwin等[25]報道從S.bulbocastanum中克隆了Rpi-blb1基因，其所在區(qū)域是一個抗病基因簇，是一種典型的CC-NBS-LRR型的抗性基因，編碼一個970個氨基酸組成的多肽，分子量為110.3 kD，5’和3’UTRs分別為45 nt和181 nt，Rpi-blb1基因包含一個678 nt的單一內(nèi)含子，位于ATG起始密碼子的下游428 nt處。進一步研究把Rpi-blb1基因定位在S.bulbocastanum的Ⅷ號染色體上，距標記CT88有0.3 cM,對各種的P.infestans小種都具有廣譜的抗性。

Rpi-blb2基因是從S.bulbocastanum中分離出的另一個具有廣譜晚疫病抗性的抗病基因。Edwin等[26]報道，Rpi-blb2定位在一個四倍體回交群體（ABPT）的Ⅵ號染色體上，與番茄的Mi-1基因位點相同的區(qū)域。對Rpi—blb2的LRR區(qū)域多態(tài)性和進化分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域在核酸水平上變異程度很高，而且存在多個突變熱點，通過對該區(qū)域的Ka／Ks值估算，發(fā)現(xiàn)Rpi-blb2的LRR區(qū)總體上受到純化選擇，功能保守，但LRR區(qū)不同部位所受到的選擇壓力卻不相同。同時，在核酸水平上，Rpi-blb2基因的LRR區(qū)域在馬鈴薯栽培種和馬鈴薯野生種之間沒有發(fā)現(xiàn)明顯的分化[27]。

Rpi-blb3基因是從S.bulbocastanum中最新鑒別出來的一個晚疫病抗性基因，Park等[28]繪制了Rpi-blb3的高分辨率的遺傳圖譜，并將其定位在馬鈴薯Ⅳ號染色體的一個0.93 cM的區(qū)域。

3 其它一些抗晚疫病基因的發(fā)現(xiàn)與定位

來源于S.venturii的Rpi-vnt 1.1基因和Rpi-vnt 1.3基因被定位在S.venturii第Ⅸ號染色體上,屬于CC-NBS-LRR型基因，分別編碼891個和905個氨基酸的多肽，Rpi-vnt 1.1和Rpi-vnt 1.3與番茄花葉病毒抗性蛋白Tm-22具有75%的氨基酸序列一致性，且Rpi-vnt1.1和Rpi-vnt 1.3基因編碼的LRR區(qū)域僅有2個氨基酸不同，Rpi-vnt 1.3在其N端有14個氨基酸插入。盡管Rpi-vnt 1.1和Rpi-vnt 1.3結構有所不同，但具有相同的廣譜抗性[29]。

來源于S.ruizceballosii的Rpi-rzc1基因被定位在第X號染色體上，距離TG403標記10.4 cM的區(qū)域內(nèi)。Sliwka等[30]根據(jù)已知染色體位點的1 603個DArT標記和48個特異性PCR標記構建了總長1 204.8 cM的遺傳連鎖圖譜，進一步研究發(fā)現(xiàn)Rpi-rzc1基因和與其相距3.4 cM的F位點編碼紫色花色的基因緊密連鎖，這一發(fā)現(xiàn)為從雜交后代中選擇含有Rpi-rzc 1基因的抗性個體提供了依據(jù)。

Moreau等[31]報道，3個針對P.infestans的抗性基因已經(jīng)定位在番茄染色體組上:Ph-1基因定位在Ⅶ號染色體上，Ph-2基因定位在X號染色體上，Ph-3基因定位在Ⅸ號染色體上。Kuhl等[32]報道，晚疫病抗病相關基因Rpi1被定位在一個墨西哥二倍體種S.pinnatisectum的Ⅶ號染色體上。

Smilde等[33]報道，在馬鈴薯種S.mochiquense基因組IX號染色體的長臂遠端發(fā)現(xiàn)另一個晚疫病抗病相關基因Rpi-moc1，位于與番茄的晚疫病抗病基因Ph-3相鄰的位點，Ph-3是在S.mochiquense中發(fā)現(xiàn)的第一個抗病基因。

Rauscher等[34]從S.berthauhii中發(fā)現(xiàn)了馬鈴薯晚疫病抗性Rber基因，通過鑒定11個晚疫病抗性基因相對應的P.infestans單株，表明Rber基因?qū)腜.infestans小種與已知的晚疫病抗病基因R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7和R10功能類似，由此推斷Rber基因可能是一個新基因，不同于已經(jīng)在S.demissum中鑒別出來的晚疫病抗病基因，且將Rber基因定位于馬鈴薯X號染色體上。

此外，研究者從其它野生種中鑒定出了一些抗性基因，Rpi-mcd 1基因（S.microdontum）[35]，Rpi-phu1基因（S.phureja）[36]，Rpi-dlc1基因（S.dulcamara）[37]，這些非小種專化抗性基因的發(fā)現(xiàn)為馬鈴薯抗晚疫病育種提供了更為豐富的基因資源。

4 展望

馬鈴薯晚疫病不僅危害嚴重，而且發(fā)病機制復雜，長期以來國內(nèi)外科研人員進行了大量的研究，在不同野生馬鈴薯品種中發(fā)現(xiàn)抗病資源。將抗病基因轉入到栽培種中，從而獲得抗晚疫病的馬鈴薯新品種，將成為抗晚疫病最有效的途徑。自上世紀80年代以來，研究者們從野生馬鈴薯不同種中發(fā)掘、定位與克隆的晚疫病抗病基因已達十幾個，開展對這些抗病基因功能及致病機制的研究，實現(xiàn)抗病基因?qū)胍垣@得抗病新品種，將對馬鈴薯生產(chǎn)帶來很大影響。

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馬鈴薯專業(yè)委員會（2015-2018）換屆通知

中國作物學會馬鈴薯專業(yè)委員會（2015-2018）換屆工作已全面展開，老委員和團體會員單位重新登記，新委員和團體會員單位提交申請的表格請到本網(wǎng)站的“委員專區(qū)”下載，請盡快按照表格下方的要求填寫并提交。

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中國作物學會馬鈴薯專業(yè)委員會

Research Progress of Late Blight Resistance Genes in Potato

WU Qiuyun1,HUANG Ke1,LIU Mingyue1,ZHOU Qian2,XIONG Xingyao1,3＊

(1.Hunan Provincial Engineering Research Center for Potato/College of Horticulture and Landscape,Hunan Agricultural University/ Hunan Provincial Key Laboratory for Germplasm Innovation and Utilization of Crop,Changsha,Hunan 410128,China;2.College of Plant Protection,Hunan Agricultural University,Changsha,Hunan 410128,China;3.Institute of Vegetables and Flowers,Chinese Academy of Agricultural Science,Beijing 100081,China)

Late blight is one of the most devastating diseases in potato.It can lead to a great loss in the yield and quality. The researchers have made intensively studies on late blight.And they have acquired many results in the past years.The use of resistant varieties was considered to be the most sustainable approach for the management of late blight.With the development of the molecular biology technology,isolation of the genes that code for the resistance traits found in wild sources and subsequent transformation of existing potato cultivars with these genes could be means of exploiting potentially durable late blight resistance in wild Solanum species.Up to now,more than ten late blight resistance genes have been detected and mapped from wild sources and some of them have been introduced into varieties.This paper summarized and describedtheresearchstateoflateblightgenesinpotato.

potato;late blight;resistance gene

S532

A

1672－3635（2014）03-0175-05

2014-01-02

國家科技支撐計劃課題（2012BAD06B0403）；教育部博士點基金項目（20124320120003）；湖南省自然科學基金（11JJ3035）；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目（11B063）。

吳秋云（1972-），女，副研究員，博士研究生，從事作物栽培生理研究。

熊興耀，教授，博士生導師，主要從事馬鈴薯栽培生理研究，E-mail:xiongxingyao@126.com。