植物抗病研究進(jìn)展與展望

劉 潮, 韓利紅, 褚洪龍, 王海波, 高 永, 唐利洲

(曲靖師范學(xué)院云南高原生物資源保護(hù)與利用研究中心, 云南省高校云貴高原動(dòng)植物多樣性及生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 曲靖 655011)

植物在其生命周期中,會(huì)經(jīng)受多種微生物病原和植食性昆蟲的侵襲,然而特定的植物種卻對(duì)大多數(shù)病原表現(xiàn)出抗性,只對(duì)極少數(shù)表現(xiàn)感病性,這是因?yàn)橹参镌谂c病原互作的協(xié)同進(jìn)化過程中發(fā)展出一套有效的先天免疫系統(tǒng)[1]。培育具有廣譜而持久抗性的植物品種是育種學(xué)家一直以來追求的目標(biāo)。植物對(duì)病原的遺傳抗性由主效基因和QTLs控制,主要的抗性基因(resistance gene,R gene)能抵御含無毒基因(avr)的病原真菌,由于avr高度可變,經(jīng)常導(dǎo)致菌株變異而突破R基因的抗御。與此相反,非寄主抗性使植物保持對(duì)大多數(shù)病原物的抗性[2-3],抗病基因使植物保持對(duì)病原廣譜而持久的抗性[4-5],microRNA(miRNA)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控功能決定了其在植物抗病過程中的作用[6-8],感病基因的改變能使植物對(duì)病原產(chǎn)生廣譜持久抗性[9-10]。隨著研究的深入,目前對(duì)植物抗病的分子機(jī)理的研究取得了許多突破性進(jìn)展,本文圍繞近期在非寄主抗性基因、抗病基因、miRNA、感病基因等相關(guān)的植物抗病性方面的最新研究進(jìn)行綜述,并對(duì)未來發(fā)展方向提出展望,這對(duì)植物抗病性研究及植物品種改良具有重要的指導(dǎo)意義。

1 非寄主抗性

非寄主抗性是在物種水平上表現(xiàn)出的廣譜的植物防御性。主要包括預(yù)制防御(preformed defense)、誘導(dǎo)防御和非寄主抗性基因介導(dǎo)的植物抗病性。

預(yù)制防御是非寄主抗性最重要的部分,包括物理限制和病原物的化學(xué)抑制。植物通過持續(xù)產(chǎn)生次級(jí)代謝物等抗菌成分抑制寄主和非寄主病原物的生長(zhǎng)。植保素是病原侵染之前植物表面分泌的主要次級(jí)代謝物[11]。十字花科植物組成型表達(dá)的硫代葡萄糖苷及其衍生物在對(duì)多種病原菌的防御中起重要作用[12-13]。這些預(yù)制組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分在植物非寄主抗性中發(fā)揮重要作用。誘導(dǎo)防御是通過病原誘導(dǎo)植物產(chǎn)生結(jié)構(gòu)屏障,包括胼胝質(zhì)、木質(zhì)素、木栓素等細(xì)胞壁強(qiáng)化成分,以及誘導(dǎo)多種抗菌化合物屏障或信號(hào)等。非寄主病原細(xì)菌接種擬南芥Arabidopsisthaliana之后,木質(zhì)素合成相關(guān)基因PAL1和藍(lán)銅結(jié)合蛋白基因BCB表達(dá)上調(diào)[14]。

非寄主抗性基因是植物實(shí)現(xiàn)非寄主抗病性的重要內(nèi)容。經(jīng)篩選對(duì)丁香假單胞菌Pseudomonassyringae抗性降低的擬南芥突變體,獲得了丙三醇激酶nho突變系,該突變體喪失了對(duì)P.syringae的非寄主抗性[15]。PcAvr3a1介導(dǎo)了煙草屬植物對(duì)辣椒疫霉Phytophthoracapsici的非寄主抗性[16],I2多基因家族以及EDS1和SGT1也與寄主抗性有關(guān)[17]。2個(gè)萵苣QTLs在植株發(fā)育的整個(gè)階段存在對(duì)白粉病菌的抗性[4]。需要注意的是,大多數(shù)情況下非寄主抗性基因沉默或突變往往只是部分降低了非寄主抗性,這與非寄主抗性多屬于數(shù)量性狀且由多個(gè)基因控制有關(guān)[18]。

病原相關(guān)的模式分子引發(fā)的免疫反應(yīng)(pathogen associated molecular pattern triggered immunity,PTI)在植物非寄主抗性中發(fā)揮重要的作用。植物的識(shí)別受體(pattern recognition receptors,PRRs)能識(shí)別病原物表面的相關(guān)模式分子(pathogen associated molecular patterns,PAMPs),觸發(fā)PTI,包括細(xì)胞壁增厚、細(xì)胞壁木質(zhì)化、植保素的產(chǎn)生和PR基因的誘導(dǎo)表達(dá)等。目前3個(gè)PRRs(FLS2、EF-Tu receptor、Xa21)已被鑒定[19],這些PRRs能在不同的物種中起作用。如表達(dá)擬南芥類受體蛋白激酶(EF-Tu receptor,EFR)的轉(zhuǎn)基因番茄和煙草能感知多種寄主和非寄主病原EF-Tu蛋白,并能有效地誘導(dǎo)防御反應(yīng)[2]。某些非寄主病原能通過分泌效應(yīng)蛋白到植物體內(nèi),從而突破PTI的防御,然而植物進(jìn)化出監(jiān)視機(jī)制,能夠感知或識(shí)別效應(yīng)蛋白,從而導(dǎo)致效應(yīng)蛋白引發(fā)的免疫反應(yīng)(effector-triggered immunity,ETI)[20]。擬南芥和蘿卜能通過識(shí)別III型分泌系統(tǒng)依賴的非寄主病原P.syringaepv.tomatoT1的效應(yīng)蛋白hopAS1,而效應(yīng)蛋白突變后導(dǎo)致非寄主病原P.syringaepv.tomatoT1具有對(duì)擬南芥的致病力[3]。

2 抗病基因介導(dǎo)的抗病性

R基因與防御相關(guān)基因都是在植物抗病過程中起作用的基因。植物的持久抗病性可由單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)主效基因控制,抗病性表現(xiàn)為質(zhì)量性狀,有的則由多個(gè)微效基因控制,抗病性表現(xiàn)為數(shù)量性狀。適應(yīng)性病原進(jìn)化出效應(yīng)蛋白來抑制或逃避植物的先天免疫反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)寄主植物的成功侵染。大麗輪枝菌Verticilliumdahliae能合成糖苷水解酶GH12家族蛋白VdEG1和VdEG3,前者與跨膜受體蛋白復(fù)合體(LRR-RLPs/SOBIR1/BAK1)互作誘導(dǎo)免疫反應(yīng);而后者與跨膜受體激酶復(fù)合體(LRR-RLKs/BAK1)互作誘導(dǎo)免疫反應(yīng)[21]。大豆通過質(zhì)外體葡聚糖酶抑制蛋白(glucanase inhibitor protein,GmGIP1)結(jié)合到PsXEG1上,抑制其活性,而大豆疫霉菌P.sojae分泌的PsXEG1同源失活誘餌蛋白PsXLP1具有更強(qiáng)的GmGIP1結(jié)合活性,從而保證了PsXEG1發(fā)揮毒力作用,P.sojae同時(shí)分泌的RXLR效應(yīng)因子也能干擾植物PTI過程[22]。因此,病原菌也進(jìn)化形成了逃避寄主抗病基因監(jiān)控的能力。

核苷酸結(jié)合位點(diǎn)-富含亮氨酸重復(fù)區(qū)(nucleotide-binding site-leucine-rich repeat,NBS-LRR)蛋白是R蛋白的重要成員,多個(gè)已克隆定位的NBS-LRR基因被鑒定為廣譜抗性基因。植物NBS-LRR蛋白主要包含碳端LRR、氮端TIR/CC和中間的NBS等3個(gè)功能域[23]。NBS特異性結(jié)合和水解ATP[24],主要控制信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),LRR結(jié)構(gòu)域參與蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)互作和病原體的識(shí)別,決定了抗性的特異性[25]。水稻中已鑒定8個(gè)NBS-LRR基因,均具有稻瘟病抗性[5],具有CC-NB-LRR結(jié)構(gòu)的非典型R基因(Pb1)和5個(gè)R基因(Pi36、Pib、Pita、Pit和Piz-t)均可通過CC功能域作用于WRKY45和WRKY66,介導(dǎo)了持久性抗病[26]。有些抗病基因需要2個(gè)NBS-LRR基因共同介導(dǎo)對(duì)稻瘟病的抗性,任何一個(gè)基因的缺少或突變都影響抗病性的實(shí)現(xiàn),如擬南芥中RPP2A和RPP2B同時(shí)介導(dǎo)的對(duì)霜霉菌的小種專化抗性[27]、水稻中Pikm1TS和Pikm2TS介導(dǎo)的Pikm抗性[28]、Pi5-1和Pi5-2介導(dǎo)的Pi5抗性[29]、Pikp-1和Pikp-2介導(dǎo)的Pikp抗性[30]、RRS1和RPS4介導(dǎo)的對(duì)多種細(xì)菌性病害的抗性[31]等。兩個(gè)抗性蛋白結(jié)合形成“抗性復(fù)合體”,或者其中一個(gè)抗病蛋白是另一個(gè)發(fā)揮作用的誘導(dǎo)蛋白或下游抗病蛋白[23]。

作物病害數(shù)量抗性由多基因或數(shù)量性狀位點(diǎn)(quantitative trait loci,QTL)控制,具有廣譜性和持久性特點(diǎn)[32]。防衛(wèi)相關(guān)基因在數(shù)量抗病中通過抵御病原菌生長(zhǎng)和擴(kuò)展發(fā)揮作用,防衛(wèi)基因的過量表達(dá)可以增強(qiáng)植株的抗病能力[33]。促分裂素原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)級(jí)聯(lián)反應(yīng)是植物重要的基礎(chǔ)免疫[34]。MPK6正調(diào)控水稻對(duì)白葉枯病菌Xanthomonasoryzaepv.oryzae(Xoo)的局部抗性,負(fù)調(diào)控對(duì)Xoo的系統(tǒng)獲得抗性[35-36]。水稻8號(hào)染色體上存在由多個(gè)類萌發(fā)素蛋白基因組成的主效抗稻瘟病QTL,抑制這些基因表達(dá)會(huì)降低水稻對(duì)稻瘟病的抗性[37]。萵苣中發(fā)現(xiàn)15個(gè)QTLs在植株發(fā)育的整個(gè)或部分階段保持對(duì)白粉病的抗性[4]。WRKY13和WRKY45屬于WRKY型轉(zhuǎn)錄因子,在水稻病原互作中調(diào)控了一系列防衛(wèi)相關(guān)基因的表達(dá)[38-39]。除此之外,NH1、TGA2.1對(duì)Xoo的防御,OsRac1、OsAOS2對(duì)稻瘟病菌的防御都屬于數(shù)量抗病性作用[40]。有些數(shù)量抗病基因的等位基因具有完全相反的功能,如水稻中抗病和感病pi21編碼了不同的蛋白,導(dǎo)致其在水稻與稻瘟病菌互作中發(fā)揮不同的功能[41],兩個(gè)GH3-2等位基因編碼完全相同的蛋白,但是其啟動(dòng)子區(qū)不同,導(dǎo)致其誘導(dǎo)效率不同[42]。然而,R基因介導(dǎo)的抗性與QTLs抗性并不能完全區(qū)分開,大量研究顯示,稻瘟病抗性QTLs的定位大多與R基因臨近,可能與R基因的調(diào)節(jié)有關(guān)[43]。部分抗性基因Pi34的抗性也決定于AvrPi34,說明有些部分抗性也符合基因?qū)蚣僬f[43]。

3 miRNA相關(guān)的抗病性

miRNA是一類長(zhǎng)度約為20～24個(gè)核苷酸的非編碼的單鏈RNA。miRNA在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達(dá),參與形成RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體,調(diào)控抑制靶基因翻譯或mRNA降解[44],參與生物體的生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫抗性過程[8,45-46]。miRNA在植物的PTI和ETI免疫過程中均發(fā)揮重要作用。同時(shí),病原體進(jìn)化出效應(yīng)蛋白來抑制或劫持寄主的miRNA通路,這導(dǎo)致了植物和病原體在miRNA介導(dǎo)的防御水平上形成軍備競(jìng)賽[8]。miRNA在植物R基因表達(dá)中發(fā)揮重要的調(diào)控作用,這種機(jī)制在多個(gè)物種中具有保守性,在植物的抗病、雜交、自身免疫和適應(yīng)性方面起著至關(guān)重要的作用[47]。研究表明,csi-miR167和csi-miR396影響了柑橘離子轉(zhuǎn)運(yùn)和防御反應(yīng)[48]。miR393與至少3個(gè)生長(zhǎng)素受體F-box蛋白發(fā)生作用,是植物生長(zhǎng)素信號(hào)和PTI響應(yīng)的連接分子,持續(xù)表達(dá)miR393a的植物對(duì)細(xì)菌性病原PtoDC3000敏感性降低[8]。miR393通過調(diào)節(jié)水楊酸(salicylic acid,SA)—生長(zhǎng)素(auxin)之間的動(dòng)態(tài)平衡向SA偏移,改變次級(jí)代謝流,利用調(diào)節(jié)病程相關(guān)基因的胞吐作用等方式增強(qiáng)了植物的抗病性[8]。在番茄、馬鈴薯和煙草中至少搜索到10個(gè)miRNA家族及其靶基因,說明植物基因組中普遍存在miRNA調(diào)節(jié)R基因表達(dá)的現(xiàn)象[48]。番茄miR482能與58個(gè)R基因發(fā)生作用,尤其偏好CC-NBS-LRR型的mRNAs[49]。煙草nta-miR6019和nta-miR6020作用于TIR-NBS-LRR蛋白[48]。miR2118能調(diào)節(jié)抗病蛋白TIR-NBS-LRR的積累,黃萎病菌Verticilliumdahliae侵染的棉花根中miR2118下調(diào)表達(dá),其靶蛋白大量積累,提高了植物根部的防御能力[50]。接種楊樹潰瘍病菌Dothiorellagregaria后,植物miR1447表達(dá)增加,而miR1448和miR472表達(dá)則降低,三者均能作用于抗病蛋白[51]。也有報(bào)道大麗輪枝菌侵染后,棉花miR166和miR159表達(dá)上調(diào),引起真菌菌絲特異性沉默,同時(shí)發(fā)現(xiàn)真菌毒力基因Clp-1和HiC-15能被棉花miRNA識(shí)別并降解[52]。

4 感病基因與抗病性

植物中能夠促進(jìn)病原侵染和有利于親和互作的基因均可定義為感病基因(susceptibility gene,S gene)。PMR6是感白粉病擬南芥中一個(gè)關(guān)鍵基因,該基因缺失突變體表現(xiàn)出對(duì)白粉病的抗性,這種親和互作所需基因的功能丟失揭示了植物另一種抗病新策略[53]。隨后S基因的概念于2002年被提出[54]。根據(jù)寄主-病原菌互作的進(jìn)程,S基因主要通過以下機(jī)制促進(jìn)植物感病和病原侵染:1)促進(jìn)侵入前親和互作,包括寄主對(duì)病原的識(shí)別和病原的侵入;2)編碼免疫信號(hào)的負(fù)調(diào)控因子;3)促進(jìn)侵入后親和互作,包括提供病原代謝和結(jié)構(gòu)方面的營養(yǎng)需求,促進(jìn)病原增殖等[55]。S基因突變或缺失導(dǎo)致植物抗病性增強(qiáng),最終限制了病原菌的致病能力[55]。

植物為病原提供生長(zhǎng)發(fā)育必需的成分而促進(jìn)了其入侵,合成這些促進(jìn)感病成分的植物基因也屬于S基因范疇。如苜蓿irg1突變體通過降低葉片表面蠟上的原醇減少了兩種銹病病原菌Phakopsorapachyrhizi、Pucciniaemaculata和炭疽病病原菌Colletotrichumtrifolii的分化[56],苜蓿ram2突變體通過改變?nèi)~片角質(zhì)成分使其對(duì)棕櫚疫霉Phytophthorapalmivora的敏感性降低[57]。膨脹素是引起細(xì)胞壁疏松并促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的因子,膨脹素EXLA2卻是灰霉病和黑斑病親和性的必需因子,其能夠促進(jìn)病原侵入[58]。胼胝質(zhì)合成相關(guān)基因PMR4突變導(dǎo)致防御基因表達(dá)增強(qiáng)和感病性下降,番茄中PMR4的沉默也提高了植株對(duì)白粉病菌Oidiumneolycopersici的抗性,表明PMR4是白粉病保守的S基因[7]。植物抗病反應(yīng)的負(fù)調(diào)控因子也屬于S基因。植物中MAPK信號(hào)會(huì)增強(qiáng)PTI,而MKPs通過磷酸化作用抑制MAPK活性,mkp突變體對(duì)毒性細(xì)菌Ralstoniasolanacearum和P.syringae感病性下降[59-60]。但是也有些MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)抑制PTI,如大豆MPK4和水稻MAPK5抑制PTI或SA防御活性,突變體對(duì)卵菌和病毒、真菌和細(xì)菌病原感病性下降[61-62]。因此,根據(jù)通路不同,MAPK和MKP均可歸于S基因。轉(zhuǎn)錄因子在病原感知的轉(zhuǎn)錄再編程中起重要的作用,對(duì)植物的抗病過程具有正或負(fù)調(diào)控的功能。水稻W(wǎng)RKY45-1為X.oryzae的感病因子,其同源蛋白WRKY45-2卻是抗病因子[39]。

植物為了維持正常的生命活動(dòng),在沒有病原或病原信號(hào)解除后需要及時(shí)恢復(fù)正常的生命進(jìn)程。這些先天免疫抑制相關(guān)基因也屬于S基因范疇。LecRK、RIN4和H+ATPase AHA1共同調(diào)控了氣孔的張開,尤其負(fù)調(diào)控病原誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉,使突變體對(duì)細(xì)菌病原的侵入敏感性降低[63]。SA是活體寄生病原防御信號(hào)分子,擬南芥水楊酸-3-羥化酶(S3H)能將SA轉(zhuǎn)化為2,3-DHBA,s3h突變體對(duì)丁香假單胞菌敏感性降低,說明S3H會(huì)提高植株的感病性[64]。纖維素合成酶是植物細(xì)胞壁構(gòu)成的重要酶類,纖維素合酶基因CESA3、CESA4、CESA7、CESA8均與植物的感病性有關(guān),突變體均增加了對(duì)真菌和細(xì)菌病原的抗性[9]。類纖維素合成基因CSLA9是農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化所必需的,其突變體根系表面農(nóng)桿菌顯著減少[65]。植物病原在與植物的協(xié)調(diào)進(jìn)化過程中發(fā)展出效應(yīng)蛋白來突破植物的免疫系統(tǒng),病原菌能產(chǎn)生數(shù)百種效應(yīng)蛋白,這些效應(yīng)蛋白通過抑制寄主抗性因子或活化S基因編碼的感病因子,突破植物的防御網(wǎng)絡(luò)而獲取營養(yǎng)。

5 植物抗病性在育種中的應(yīng)用

5.1 非寄主抗性

非寄主抗性作為廣譜、高效、持久的植物抗性,在作物品種改良與分子育種中有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而與寄主抗性相比,非寄主抗性往往屬于多基因控制,有多種組分參與抗病性,其具體作用機(jī)制還不清晰,其分子操作性較差,分子育種存在諸多困難。雖然很少但仍有一些成功的例子,通過雜交技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非寄主抗性基因在親緣關(guān)系較近的物種間進(jìn)行轉(zhuǎn)基因操作。擬南芥EFR轉(zhuǎn)基因到煙草和番茄中,顯著提高了植物對(duì)寄主病原的抗性[2]。通過將系統(tǒng)獲得抗性相關(guān)的擬南芥NPR1轉(zhuǎn)入二倍體草莓中,增強(qiáng)了其對(duì)炭疽病、白粉病、細(xì)菌角斑病的抗性[66]。AtNPR1在柑橘黃龍病的控制中也已獲得有效的應(yīng)用[67]。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,越來越多的植物和病原特征基因組被揭示,將會(huì)有更多的非寄主抗性基因被發(fā)掘和應(yīng)用在遺傳育種中。利用非寄主抗性培育廣譜而持久抗性的植物新品種將成為遺傳育種的新途徑。

5.2 抗病基因

通過轉(zhuǎn)基因或過表達(dá)NBS-LRR基因顯著提高了植物的抗病性。過表達(dá)花生NBS-LRR基因AhRRS5,顯著增強(qiáng)了煙草對(duì)青枯病的抗病性[68]。然而,植物NBS-LRR防御基因的高表達(dá)對(duì)植物細(xì)胞是不利的,容易導(dǎo)致能量損耗而影響植物生長(zhǎng),植物實(shí)施多種機(jī)制控制NBS-LRR防御基因的轉(zhuǎn)錄水平,進(jìn)化出microRNA-NBS-LRR系統(tǒng)來調(diào)控NBS-LRR的表達(dá)[69]。目前,許多植物中NBS-LRR基因已被克隆并進(jìn)行深入研究[70],然而仍然有很多問題并不清楚。NBS-LRR蛋白不同結(jié)構(gòu)域與病原的效應(yīng)蛋白是如何相互作用的？在親和與非親和互作中NBS-LRR蛋白起作用的差異是什么？這些問題的解決對(duì)NBS-LRR基因的開發(fā)利用具有重要的意義。

水稻的數(shù)量抗病性基因研究和應(yīng)用取得了較大進(jìn)展,但在具體應(yīng)用中也存在一些問題。Fukuoka等[71]將4個(gè)獨(dú)立的水稻QTL進(jìn)行不同組合后,導(dǎo)入不同統(tǒng)一遺傳背景水稻中,發(fā)現(xiàn)多個(gè)不同的QTL組合比單獨(dú)的單個(gè)QTL提供更高的抗性水平,而且在給定的遺傳背景中抗性QTL的數(shù)量與抗性水平呈正相關(guān)。通過標(biāo)記輔助選擇技術(shù)將玉米絲黑穗病的dQTL(disease QTL)抗性等位基因qHSR1導(dǎo)入10個(gè)感病自交系,其對(duì)絲黑穗病的抗性均有顯著提高,其余農(nóng)藝性狀基本保持不變[72]。大片段的基因?qū)肟赡軙?huì)導(dǎo)致遺傳連鎖累贅或多效性,識(shí)別潛在的有效dQTL最小導(dǎo)入片段是較好的策略,數(shù)量抗性基因的鑒定是深入了解QDR分子機(jī)制的首要步驟。隨著越來越多植物的全基因組被測(cè)序,SNPs的高通量基因分型平臺(tái)的商業(yè)化應(yīng)用,以及全基因組測(cè)序在育種上的應(yīng)用,將會(huì)有越來越多的具有廣譜而持久抗性的植物品系被開發(fā)出來。

5.3 miRNA

miRNA在植物抗病中發(fā)揮重要作用,通過對(duì)miRNA的調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)植物抗病性的提高,利用miRNA提高作物的抗病性是病害防治的重要策略。近年來,關(guān)于不同病原互作系統(tǒng)中miRNA的了解越來越清晰,在植物抗病育種中也有一些成功的應(yīng)用,過表達(dá)Osa-mir7695植株增強(qiáng)了水稻對(duì)稻瘟病的抗性[6]。然而,不同植物中不同的病原真菌誘導(dǎo)的相同miRNA的表達(dá)不同,這可能與植物的遺傳、生長(zhǎng)階段以及R基因的存在與否有關(guān),因此,僅僅研究miRNA及其靶基因的表達(dá)很難了解植物抗病的明確機(jī)制,通過反向遺傳學(xué)方法,對(duì)單個(gè)miRNA及其靶基因在抗病遺傳育種中的有效應(yīng)用,將成為今后研究的重點(diǎn)。通過改變靶基因核苷酸序列,使之轉(zhuǎn)錄物不能被miRNA結(jié)合或降解,也是值得關(guān)注的研究?jī)?nèi)容[7]。

5.4 感病基因

S基因突變能提高植物抗病性而成為作物遺傳育種的目標(biāo)。大麥中顯性基因MLO(MildewLocusO)突變后產(chǎn)生對(duì)白粉病的持久、廣譜抗性。MLO作為S基因在擬南芥、豌豆、番茄、辣椒、小麥和草莓等植物中被確認(rèn),突變體一直被生產(chǎn)中用作抗白粉病品系[73-74]。使用CRISPR編輯技術(shù)對(duì)鄧肯葡萄柚感病基因CsLOB1進(jìn)行編輯,增強(qiáng)了植物對(duì)柑橘黃龍病菌的抗性[75]。茄子中MLO同源基因SmMLO1的突變體也增強(qiáng)了對(duì)白粉病的抗性[76]。因此,S基因突變?cè)谂嘤龔V譜而持久抗性品系中具有很好的應(yīng)用前景。S基因是病原菌-寄主間親和互作的決定因子,在遺傳育種中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值,然而S基因往往還參與了植物的其他進(jìn)程,因此需要通過單基因突變來研究其具體功能。但是S基因的難操作性以及功能的多效性導(dǎo)致遺傳育種還存在以下難點(diǎn):1)S基因如果屬于多成員家族,其在遺傳育種中應(yīng)用的可行性如何;2)S基因突變品系能否具有足夠高效的抗病性;3)S基因突變抗病品系是否具有嚴(yán)重的缺陷,如產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低、其他脅迫耐受性下降等。雖然S基因的應(yīng)用存在諸多困難,毋庸置疑,隨著基因組編輯技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展,S基因應(yīng)用的前景必將越來越廣闊。

5.5 基因組編輯技術(shù)

基因組編輯技術(shù)(genome editing)通過基因組水平上簡(jiǎn)單、精確的遺傳操作,實(shí)現(xiàn)植物遺傳改良,在植物抗病和抗逆遺傳育種中具有重要應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前,應(yīng)用較多的植物基因組編輯技術(shù)主要為鋅指核酸酶(zinc finger nucleases,ZFNs)、類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases,TALENs)和成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列及其相關(guān)系統(tǒng)(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins,CRISPR/Cas system)[77]。高彩霞研究團(tuán)隊(duì)利用TALEN和CRISPR/Cas9技術(shù)對(duì)六倍體普通小麥TaMLO同源等位基因進(jìn)行編輯,增強(qiáng)了小麥對(duì)白粉病菌的廣譜抗性[78],利用CRISPR/Cas9技術(shù)同時(shí)突變了小麥基因組中的3個(gè)蛋白激酶EDR1同源基因,也增強(qiáng)了小麥對(duì)白粉菌的抗性水平[79]。通過CRISPR/Cas9 DNA或RNA瞬時(shí)表達(dá),對(duì)六倍體小麥及四倍體小麥的7個(gè)不同基因進(jìn)行了定點(diǎn)敲除,獲得了具有穩(wěn)定遺傳能力的突變材料[80]。雖然基因組編輯技術(shù)在作物遺傳改良上的應(yīng)用才剛剛起步,鑒于其具有的其他分子技術(shù)無法比擬的巨大優(yōu)勢(shì),該技術(shù)必將成為未來作物遺傳改良的核心技術(shù)之一。