馬鈴薯晚疫病抗性分子育種研究進(jìn)展

王芳

摘要：馬鈴薯晚疫病是由疫霉引起的一種世界性的流行性和毀滅性病害，每年造成巨大的產(chǎn)量損失?？剐云贩N培育一直是育種學(xué)家追求的目標(biāo)。常規(guī)育種方法具有耗時(shí)費(fèi)力等特點(diǎn)，目前分子植物育種在馬鈴薯晚疫病抗性育種中被應(yīng)用或作為輔助應(yīng)用。綜述了馬鈴薯晚疫病的發(fā)生及防治，分子標(biāo)記技術(shù)在馬鈴薯晚疫病抗性和晚疫病抗性育種中的研究進(jìn)展，以及馬鈴薯晚疫病抗性基因定位、基因工程、轉(zhuǎn)錄組分析和全基因組關(guān)聯(lián)分析等方面的研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)馬鈴薯育種策略進(jìn)行了展望，以期為馬鈴薯晚疫病抗性分子育種提供理論參考。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯;晚疫病抗性;分子育種;研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)：S435.32 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2021）10-0014-05

馬鈴薯（Solanum tubersum L.）起源于南美洲，是世界第三大糧食作物，也是緩解全球糧食危機(jī)的重要作物[1]。中國(guó)是全球馬鈴薯生產(chǎn)第一大國(guó)[2]。馬鈴薯在我國(guó)是第四大主糧作物，其產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱[3]。而馬鈴薯生產(chǎn)過(guò)程中均有受到晚疫病不同程度的侵害，給馬鈴薯生產(chǎn)帶來(lái)困擾。

1 馬鈴薯晚疫病發(fā)生及防治

馬鈴薯晚疫?。╬otato late blight，PLB）是由致病疫霉[Phytophthora infestans （Mont.） de Bary]引起的馬鈴薯重要病害[4]，是世界性的流行性和毀滅性病害，每年造成巨大的產(chǎn)量損失。

晚疫病于1830年首次在德國(guó)被發(fā)現(xiàn)，1845年比利時(shí)報(bào)道了該病的發(fā)生，此后晚疫病在法國(guó)、荷蘭、蘇格蘭、芬蘭、意大利、丹麥、英格蘭等國(guó)家均有發(fā)生[5]。1940年中國(guó)在重慶發(fā)現(xiàn)晚疫病發(fā)病，當(dāng)年造成馬鈴薯減產(chǎn)80%。1950年開(kāi)始，晚疫病在中國(guó)普遍流行，當(dāng)時(shí)察哈爾、山西、綏遠(yuǎn)等地的馬鈴薯?yè)p失產(chǎn)量超過(guò)50%[5]。綜合危害程度、防治難度及對(duì)社會(huì)的影響，晚疫病已經(jīng)成為全球第一大馬鈴薯病害[5-10]。中國(guó)每年因晚疫病感染而造成的馬鈴薯減產(chǎn)達(dá)10%～15%[11]，嚴(yán)重產(chǎn)區(qū)鮮薯?yè)p失達(dá)到15%～40%，甚至絕收[12]。由此帶來(lái)的損失每年約80億元人民幣，嚴(yán)重阻礙了馬鈴薯的生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[5]。

晚疫病的發(fā)生與傳播有4個(gè)階段：孢子囊萌發(fā)與侵染—生長(zhǎng)病斑—孢子囊產(chǎn)生與釋放—孢子囊傳播[13]，并且在適宜的環(huán)境下循環(huán)發(fā)生[14]，晚疫病的卵菌感染植株和薯塊，導(dǎo)致黑色病變并快速摧毀整個(gè)植株[15]。孢子在馬鈴薯塊莖或其他茄科宿主中越冬，馬鈴薯致病疫霉（P.infestans，PI）快速對(duì)馬鈴薯防御機(jī)制產(chǎn)生抗性[16]。因此，需要育種家持續(xù)不斷尋找新的抗性基因[16-19]。

目前，馬鈴薯晚疫病的防治主要采取生物防治和化學(xué)防治，由于生物防治見(jiàn)效慢，因此化學(xué)防治成為主要措施。而化學(xué)防治不僅會(huì)造成生產(chǎn)投入高，還會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染。同時(shí)，由于菌株的抗藥性問(wèn)題日益突出，防治效果不理想，增加了化學(xué)防治的難度?；谝陨显?，防治晚疫病最好的方法是選用無(wú)病種薯和抗病品種[20]。目前，缺乏優(yōu)良的晚疫病持久抗性品種仍然是馬鈴薯生產(chǎn)中的主要問(wèn)題之一。因此，尋找新的抗性資源、解析持久抗性機(jī)理、選育持久抗性品種，是育種學(xué)家們一項(xiàng)重大而緊迫的任務(wù)。

除了使用常規(guī)育種方法進(jìn)行馬鈴薯品種改良之外，利用分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)晚疫病抗性基因、轉(zhuǎn)基因、功能基因和基因定位的研究逐漸應(yīng)用于馬鈴薯育種工作中。2 分子標(biāo)記方法研究馬鈴薯晚疫病抗性

2.1 馬鈴薯晚疫病抗性基因定位研究進(jìn)展

已報(bào)道的關(guān)于馬鈴薯晚疫病抗性的研究有兩大類(lèi)：質(zhì)量抗性研究和數(shù)量抗性研究。質(zhì)量抗性被認(rèn)為是垂直抗性（vertical resistence），包括定位和克隆具有小種特異性和小種轉(zhuǎn)化性基因。目前，已經(jīng)有20多個(gè)晚疫病抗性R基因被克隆出來(lái)。在野生種（S.demissum）中，發(fā)現(xiàn)了R1～R11的11個(gè)小種特異性抗性基因R（resistance gene），其中一部分R基因己經(jīng)被定位或克隆，并轉(zhuǎn)移到馬鈴薯栽培種（品種）當(dāng)中[21-22]。大多數(shù)馬鈴薯品種中有R基因，通常有1個(gè)或幾個(gè)表現(xiàn)為小種特異性的R基因，研究顯示馬鈴薯植株所含R基因越多，其抗譜范圍越廣，暗示含有較多的R基因可能有利于提高馬鈴薯抗性水平[23-25]?？剐运捷^高時(shí)，能引起HR反應(yīng)（high resistance）。但是，當(dāng)新的侵染能力更強(qiáng)的PI克服這些R基因時(shí)，其抗性立即喪失[26-27]。R基因的積累被認(rèn)為是傳統(tǒng)育種策略和基因改良育種策略中，最有希望提供馬鈴薯晚疫病持久抗性的方法之一[28]。

除了質(zhì)量性狀抗性R基因外，在數(shù)量抗性研究中，定位了一系列馬鈴薯晚疫病數(shù)量性狀基因座（quantitative trait locus，QTL）。由多基因控制的數(shù)量抗性，對(duì)多個(gè)PI小種產(chǎn)生抗性[29]。由于馬鈴薯四倍體遺傳復(fù)雜，晚疫病水平抗性QTL定位在四倍體馬鈴薯中的研究較少，利用二倍體進(jìn)行晚疫病抗性基因QTL定位居多。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，除了采取傳統(tǒng)方法對(duì)晚疫病進(jìn)行研究之外，分子標(biāo)記技術(shù)也逐漸被引入。用于晚疫病抗性QTL定位的群體類(lèi)型主要有4種：（1）親本均為栽培種的種內(nèi)雜交群體;（2）栽培種富利亞種（S. phureja）和栽培種（S. tuberosum L.）之間的雜交群體;（3）馬鈴薯野生種和栽培種之間的雜交群體[30-32];（4）栽培種富利亞種（S.phureja）與野生種（S.stenotomum）的雜交群體[33-34]。從這些群體中定位的QTL結(jié)果來(lái)看，12條染色體上均有QTL分布，染色體3、4、5的出現(xiàn)頻率最高。但是，在大多數(shù)情況下，一些非理想性狀與晚疫病抗性QTL相關(guān)聯(lián)，其中之一就是晚熟性狀，晚熟性狀限制了晚疫病QTL的應(yīng)用。在5號(hào)染色體上，GP21和附近的QTL在不同環(huán)境和不同群體中均表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性，但是這個(gè)QTL與成熟期或晚熟性相關(guān)聯(lián)，所以其應(yīng)用價(jià)值受到限制[4，36]。李竟才利用二倍體馬鈴薯B3C1HP群體的遺傳連鎖圖譜，應(yīng)用條件QTL分析馬鈴薯晚疫病數(shù)量抗性，有6個(gè)條件QTL被定位（dPI02、dPI7、dPI09a、dPI09b、dPI09c、dPI12）[3]。所有的條件QTL表達(dá)模式都表現(xiàn)為即時(shí)性。通過(guò)對(duì)由感病親本12601abl和抗病品種Stirling雜交構(gòu)成的227個(gè)后代株系的四倍體群體進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，5號(hào)染色體上定位的1個(gè)QTL與早熟、更感晚疫病、較矮的植株等性狀相關(guān)聯(lián)，能解釋成熟期（54.7%）、株高（26.5%）、塊莖晚疫病抗性（26.3%）和葉片晚疫病抗性（17.5%）等表型變異;同時(shí)，在品種Stirling 4號(hào)染色體上定位的1個(gè)QTL不受成熟期影響，能解釋塊莖晚疫病抗性表型變異的30.7%和葉片晚疫病抗性表型變異的13.6%[36]。Mihovilovich等研究結(jié)果表明，基因型、PI小種和日長(zhǎng)之間的互作效應(yīng)顯著[19]。目前尚不明確這是一個(gè)相互獨(dú)立或者是存在2個(gè)緊密連鎖基因，還是既影響晚疫病抗性又影響成熟期的多效基因。此外，與復(fù)雜抗病性狀一樣，因PI分離種、不同的群體種類(lèi)、抗性評(píng)價(jià)方法、QTL定位方法、環(huán)境條件不同等，晚疫病抗性QTL在以上群體間表現(xiàn)出的一致性較差。

基因研究的不斷深入，推動(dòng)了顯示所知基因和/或遺傳標(biāo)記相對(duì)位置遺傳圖譜的發(fā)展。Danan等整合構(gòu)建了包含2 141個(gè)晚疫病抗性QTL定位標(biāo)記的圖譜，匯集了144個(gè)已報(bào)道的晚疫病抗性QTL，這些QTL表型貢獻(xiàn)率為4%～63%[37]。通過(guò)構(gòu)建原始群體B3C1HP100，獲得共206個(gè)單株的重組子群體B3C1HP106/4000，結(jié)合表型數(shù)據(jù)分析和基因型鑒定，獲得了3個(gè)重組單株，將dPI09c區(qū)間縮小到289 kb范圍[38]。Albert等采用候選基因的方法，在晚疫病抗性QTL位點(diǎn)上鑒定了一個(gè)內(nèi)囊體腔蛋白StTL15A和一個(gè)糖蛋白StGP28[39]。

以上所述QTL定位方法主要有SSR、AFLP、RAPD、CAPs等方法，是在人為控制雜交產(chǎn)生的分離群體中分析得出的，得到了不相同的晚疫病QTL。究其原因，研究群體遺傳背景不盡相同，發(fā)生分離的QTL也不一樣。

2.2 馬鈴薯晚疫病抗性基因工程研究進(jìn)展

隨著基因工程的發(fā)展，馬鈴薯晚疫病抗性基因工程育種研究也逐漸開(kāi)始，主要是把馬鈴薯野生種中的抗病基因轉(zhuǎn)入栽培種，從而提高晚疫病抗性。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，已有十幾個(gè)野生種中的晚疫病抗性基因被導(dǎo)入栽培種[40]。許多蛋白對(duì)晚疫病菌具有抗性，通過(guò)轉(zhuǎn)基因，把病程相關(guān)蛋白基因和抗病基因等轉(zhuǎn)入栽培種中，能夠顯著提高馬鈴薯晚疫病抗性。例如，病程相關(guān)蛋白基因：HatpinEa蛋白基因[41]、Osmotin基因[42]、類(lèi)甜蛋白[43]、幾丁質(zhì)酶基因[44]、來(lái)源于馬鈴薯的乙烯反應(yīng)元件結(jié)合蛋白ethylene responsive element binding proteins的StEREBP1基因[45]和來(lái)源于Nicotiania megalosiphon的NmDef02基因[45];抗病基因：RB、R1、R3a等基因[46-48]，無(wú)毒基因Elicitin、avrD[49]，質(zhì)類(lèi)受體激酶基因[50]，馬鈴薯StBAG3基因[51]。小熱激蛋白 sHSP-F 基因通過(guò)接種晚疫病脅迫誘導(dǎo)后，其表達(dá)量在24 h和48 h內(nèi)顯著上調(diào)[52]。此外，還有類(lèi)糖基轉(zhuǎn)移酶基因StKOB1[53]、β-氨基丁酸誘導(dǎo)的StWRKY8基因[54]、植物本氏煙中StRFP1的同源基因NbATL60RD24和PITG15718.2[55-57]、馬鈴薯野生種S.demissum中11個(gè)主效R基因，均被導(dǎo)入栽培種中，已經(jīng)作為抗性資源廣泛應(yīng)用[58-59]。

2.3 馬鈴薯晚疫病抗性基因克隆研究進(jìn)展

2006年報(bào)道了一種基于聚合酶鏈反應(yīng)的DNA標(biāo)記物，該標(biāo)記物可用于追蹤馬鈴薯球蛋白體細(xì)胞雜交種的RB基因[60]。Song等克隆了RB基因，為馬鈴薯晚疫病抗性品種的開(kāi)發(fā)提供了新的資源[61]。此外，R1、R2、R3a、R3b、RB、R8等基因被克隆，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的分子標(biāo)記[25]。

2.4 馬鈴薯晚疫病抗性轉(zhuǎn)錄組分析

為了尋找和利用新的晚疫病抗性資源，需要采用先進(jìn)的方法和技術(shù)進(jìn)行晚疫病抗性和基因型分析，揭示馬鈴薯晚疫病抗性的遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)制，從而加快馬鈴薯晚疫病持久抗性品種的培育進(jìn)程，為穩(wěn)定和提高馬鈴薯單位面積產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)，以及進(jìn)一步研究晚疫病持久抗性的分子機(jī)理提供理論依據(jù)。

高通量測(cè)序又稱(chēng)下一代測(cè)序技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使得馬鈴薯轉(zhuǎn)錄組分析成為可能，又被稱(chēng)為深度測(cè)序（deep sequencing）。通過(guò)對(duì)接種致病疫霉菌后不同時(shí)段的材料進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，共檢測(cè)到2 107個(gè)LRR類(lèi)基因（富亮氨酸重復(fù)序列）。對(duì)這些差異表達(dá)的LRR基因進(jìn)行聚類(lèi)分析發(fā)現(xiàn)，LRR基因在接種后不同時(shí)段材料中均有表達(dá)，在抗病材料中有91個(gè)上調(diào)，差異表達(dá)明顯[62]。

利用cDNA微陣列技術(shù)檢測(cè)接種晚疫病菌的馬鈴薯試驗(yàn)材料，通過(guò)分析獲得到與疫病抗病相關(guān)的基因348個(gè)，發(fā)現(xiàn)增加了調(diào)控基因和防御路徑基因[63]。這些研究為功能基因挖掘和鑒定提供了非常重要的參考依據(jù)。利用RNA-seq對(duì)馬鈴薯葉片侵染致病疫霉菌初期的RXLR效應(yīng)基因的表達(dá)特征進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果和序列進(jìn)化分析篩選到多個(gè)RXLR候選效應(yīng)基因，這些結(jié)果可用于抗病基因的篩選工作。一方面可以用于尋找相應(yīng)抗病基因和引進(jìn)抗病品種，另一方面通過(guò)監(jiān)測(cè)這些效應(yīng)因子及時(shí)判斷對(duì)應(yīng)的抗病基因是否被克服[64]。但是，轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)不僅耗費(fèi)大量人力、物力和經(jīng)費(fèi)，其結(jié)果也未能得到深度挖掘。

2.5 馬鈴薯晚疫病抗性全基因組關(guān)聯(lián)分析

盡管取得了很多成就，但是我們所知的大部分復(fù)雜性狀的遺傳結(jié)構(gòu)，是利用傳統(tǒng)的雙親群體構(gòu)建的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）遺傳圖譜獲得的。目前，用QTL方法觀察作物資源基因的潛在和巨大表型變異，很顯然不能“勝任”更深入的研究結(jié)果。近幾年，基因組技術(shù)快速發(fā)展，2011年馬鈴薯基因組測(cè)序完成，這為馬鈴薯的遺傳學(xué)研究及分子育種提供了非常有價(jià)值的資源[65]。關(guān)于擬南芥（http：//walnut.usc.edu/2010）、玉米（http：//www.panzea.org）、水稻 （http：//irfgc.irri.org）等進(jìn)行的全基因組關(guān)聯(lián)分析，為GWAS的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome-wideassociation study，GWAS）已經(jīng)成為復(fù)雜性狀的重要研究手段。

全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）是將觀察到的表型變異和常見(jiàn)遺傳變異總體在全基因組范圍內(nèi)進(jìn)行的關(guān)聯(lián)分析，可以全方位地提示性狀發(fā)生、發(fā)展和調(diào)控的相關(guān)遺傳機(jī)制。GWAS有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）在研究之前，不必構(gòu)建任何假設(shè);（2）除了遺傳群體，還可利用自然群體，極大縮短研究年限;（3）可同時(shí)檢測(cè)成千上萬(wàn)個(gè)SNPs，進(jìn)行全基因組范圍內(nèi)的整體研究，（4）精度大大提高，例如，利用GWAS技術(shù)，玉米的作圖精度可從10～30 cM提高到 1 500 bp[66]。隨著生物信息學(xué)的高度發(fā)展、測(cè)序技術(shù)的提高和成本的降低，GWAS成為揭示遺傳機(jī)制、挖掘抗性性狀和剖析作物農(nóng)藝性狀的有效方法[67-68]。通過(guò)對(duì)擬南芥的抗病性和開(kāi)花期進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，已經(jīng)克隆了與抗病性相關(guān)的基因Rpm、Rps2、Rps5以及控制花期基因FRI[69]，這是全基因組關(guān)聯(lián)分析首次在植物中的應(yīng)用。

目前，全基因組關(guān)聯(lián)方法在馬鈴薯晚疫病抗性方面的研究很少。利用SNP標(biāo)記，通過(guò)區(qū)域選擇消除分析馬鈴薯抗晚疫病基因，有19個(gè)基因序列被注釋為馬鈴薯中的R基因[70]。

3 展望

馬鈴薯晚疫病是影響全球馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的限制因素之一，晚疫病抗性基因在現(xiàn)有的主要栽培種中遺傳基礎(chǔ)狹窄，需要導(dǎo)入野生資源中的優(yōu)異抗性基因。但是，野生種資源與栽培種資源之間存在雜交不親和等障礙，同時(shí)馬鈴薯復(fù)雜的四倍體遺傳機(jī)制也限制了優(yōu)異抗性基因的導(dǎo)入。分子生物學(xué)和高通量基因技術(shù)的發(fā)展，極大地影響了分子植物育種，引領(lǐng)著育種工作從基于表型選擇到基于基因型選擇。因此，綜合運(yùn)用基因組和分子工具進(jìn)行馬鈴薯常規(guī)表型選擇已經(jīng)成為新的育種策略。從野生種中鑒定抗性關(guān)鍵基因，運(yùn)用先進(jìn)的轉(zhuǎn)基因工程技術(shù)，輔助常規(guī)育種培育轉(zhuǎn)基因抗病馬鈴薯，將成為防治馬鈴薯晚疫病的重要的手段。

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