主要植物類病斑突變體研究進(jìn)展及其對小麥相關(guān)研究的啟示

馬 建，李 聰，田 榮，唐華蘋，，姚琦馥

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所，成都 611130；2.銅仁學(xué)院農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院/貴州省梵凈山地區(qū)生物多樣性保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 銅仁 554300）

葉片在植物的整個生長發(fā)育過程中扮演著重要的作用。在傳統(tǒng)育種過程中，葉色突變植株由于具有植株矮小、產(chǎn)量低的特點(diǎn)通常不被育種工作者選擇。然而近年來，隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的高速發(fā)展，旅游觀光產(chǎn)業(yè)的興起，抗病育種及種質(zhì)資源多樣化的需求，葉色突變體越來越受到研究學(xué)者的關(guān)注[1-3]。尤其是隨著植物生理學(xué)和分子生物學(xué)研究的不斷深入，光合作用[4]、光合色素的合成或降解[5-6]、光形態(tài)建成[7]、植物抗病性[8]和細(xì)胞程序性死亡[7]等在植物中的調(diào)控模式越來越清晰，這些生命過程與植物葉片發(fā)育有著千絲萬縷的聯(lián)系。

葉色突變是一種在各種植物中廣泛存的突變類型，它的種類有很多，大致可將其分為五類：白化、黃化、淺綠、條紋和斑點(diǎn)[9]。類病斑突變體（lesion mimic mutants）又稱為斑點(diǎn)葉突變體（spot leaf mutants），它是指在無病原菌侵染、無機(jī)械損傷、無農(nóng)藥傷害及無逆境的環(huán)境條件下出現(xiàn)病斑表型的一種特殊的葉色突變體[10-11]。類病斑突變體斑點(diǎn)的產(chǎn)生可能導(dǎo)致葉綠體的超微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低葉綠素的含量；色素蛋白復(fù)合體遭到破壞還阻礙了葉綠體-細(xì)胞核之間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，嚴(yán)重影響到葉綠素的光合作用以及小麥的產(chǎn)量[12-14]。此外，類病斑突變體斑點(diǎn)的產(chǎn)生還可以激發(fā)過敏反應(yīng)（hypersensitive response，HR），產(chǎn)生細(xì)胞死亡以限制病原菌的生長和進(jìn)一步侵染。

此外，類病斑突變體在其他許多方面也存在著潛在的應(yīng)用前景。目前報(bào)道最多的是類病斑突變體目的基因?yàn)榭剐曰?，這些抗性基因的突變或表達(dá)異常對病原菌有專一或廣譜的抗性[3,15-16]。這為挖掘抗病基因培育抗病品種提供了新途徑。類病斑突變體也是研究植株光合通路和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)膬?yōu)良材料。通過了解不同植物的光合途徑可以對植株的光合通路進(jìn)行定向改造，實(shí)現(xiàn)人造“葉綠體”、將光呼吸通路轉(zhuǎn)變成碳濃縮途徑，為增強(qiáng)光合能力提高生物產(chǎn)量提供了新思路[17-18]。類病斑突變體還是研究植物衰老相關(guān)機(jī)制的理想材料。衰老相關(guān)機(jī)制的解析為開發(fā)研制除草劑奠定新的理論基礎(chǔ)。此外，在轉(zhuǎn)基因植株中，通過將類病斑基因與目的基因緊密連接整合在同一載體上，通過觀察后代植株的斑點(diǎn)表型確定目的基因是否存在，這可能在轉(zhuǎn)基因株系中篩選目標(biāo)株系提供了簡便的表型標(biāo)記。

因此，類病斑突變體不僅在研究植物抗病防衛(wèi)機(jī)制和細(xì)胞程序性死亡方面發(fā)揮著積極的推動作用，還對探索類病斑突變體的分子機(jī)制、豐富類病斑突變體的基因及其功能，為分子設(shè)計(jì)育種提供可行的分子標(biāo)記方面具有重要的研究價值。本文主要從以下幾個方面對國內(nèi)外主要植物類病斑突變體的相關(guān)研究進(jìn)行綜述，以期望能為小麥類病斑突變體的挖掘、鑒定和應(yīng)用提供思路。

1 類病斑突變體的起源及命名

20世紀(jì)20年代美國科學(xué)家在玉米中發(fā)現(xiàn)的類病斑突變體可能是在植物中關(guān)于類病斑突變體材料的首次報(bào)道[19]。之后在其他植物中也相繼報(bào)道，如1970年日本學(xué)者在水稻中也發(fā)現(xiàn)了類病斑突變體材料，進(jìn)一步研究表明該突變體材料是自然突變而來[20]。1993年，德國科學(xué)家在篩選大麥抗病材料時發(fā)現(xiàn)的類病斑突變體材料可以增強(qiáng)植株的抗病能力[21]。直到二十一世紀(jì)初，眾多的學(xué)者才開始對普通小麥類病斑突變體進(jìn)行研究報(bào)道[22-23]。

這些類病斑突變體材料絕大部分是通過人工誘變獲得的，很少部分是自然突變形成的。常用的人工誘變方法包括：物理誘變（γ射線、β射線等）、化學(xué)誘變（N-甲基-N-亞硝基脲、甲基磺酸乙酯等)、生物誘變（轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽、T-DNA標(biāo)簽插入等）。突變體材料的不同以及突變手段的差異，可能導(dǎo)致植物產(chǎn)生不同的表型特征。水稻作為禾本科的模式作物，根據(jù)類病斑發(fā)生的時間、形狀、顏色或?qū)е轮仓昕共〉葋磉M(jìn)行命名。其中以spotted leaf（spl）來命名水稻類病斑突變體的數(shù)量最多[24-27]，其次還有l(wèi)esion mimic（lm），cell death and resistance to the blast fungus（cdr）[28]，faded green leaf（fgl）[29]，lesion mimic and senescence（lms）[30]和 sekiguchi lesion（sl）[31]等。在其他植物中類病斑突變體的命名也有差異。例如擬南芥中以lesion initiation[32]或spotted leaf[33]等來命名，玉米中以lesion[34]或lethal leaf spot[35]等來命名，大麥中l(wèi)esion mimic/necrotic steptoe[36]或necrotic locus[37]等來命名。小麥中類病斑突變體的命名也借鑒了以上植物的命名方式[2]，大部分的研究報(bào)道以lesion mimic（lm/Lm）來命名[38-40]，后來也有以突變體表型命名的方式，如斑點(diǎn)葉基因TaSpl1[41]和TaLSD1[42]等。

2 類病斑突變體的分類和遺傳特點(diǎn)

根據(jù)類病斑突變體的表型特征及其與細(xì)胞程序性死亡的關(guān)系，可將突變體分為細(xì)胞程序性死亡的抑制途徑和激發(fā)途徑兩種類型[43]。

抑制途徑所產(chǎn)生的突變體被稱為擴(kuò)展型類病斑突變體（mutant），如在擬南芥中LSD1[44]、ACD2[45]和ACD11[46]等基因突變導(dǎo)致的壞死表型；這種類型的突變體表現(xiàn)為類病斑突變體植株上的某一細(xì)胞一旦產(chǎn)生壞死，便迅速擴(kuò)散到整個植株[47]。

激發(fā)途徑所產(chǎn)生的突變體被稱為起始型突變體(initiation class mutant)，如在擬南芥中ACD5[48]，LIN2[49]和CPR5[50]等基因突變導(dǎo)致的壞死表型；這種類型突變體的特點(diǎn)為在沒有病原菌侵染的情況下，細(xì)胞壞死隨機(jī)自發(fā)地產(chǎn)生在植株的葉片、莖和葉鞘等部位。

在糧食作物中，類病斑基因的遺傳特點(diǎn)表現(xiàn)為：無論是抑制還是激發(fā)途徑產(chǎn)生的類病斑突變體，大部分受到細(xì)胞核中的單基因控制，也有部分類病斑突變體受到多基因或細(xì)胞質(zhì)基因控制和外界環(huán)境的影響。但是這兩種類型的類病斑突變體最終都會導(dǎo)致植株的枯萎死亡[51]。

3 類病斑突變體的鑒定和基因克隆

以水稻、玉米、小麥和大麥為代表的糧食作物中，已經(jīng)有關(guān)于類病斑突變體的報(bào)道。但是由于染色體組成、基因組大小和參考基因組組裝質(zhì)量的高低，不同物種的類病斑基因的鑒定和克隆研究進(jìn)展有所差異。

水稻作為禾本科的模式作物。由于水稻基因組較小、公布時間較早，基因組較為完善，并且水稻還具有豐富的突變體，因此水稻中鑒定到的類病斑基因較多，遺傳模式和克隆的類病斑基因報(bào)道也較多。在水稻的12條染色體上均有發(fā)現(xiàn)類病斑基因。目前為止至少鑒定并報(bào)道了70多個類病斑突變體/基因。例如：通過調(diào)控防御反應(yīng)和細(xì)胞程序性死亡使得葉片出現(xiàn)：褐色壞死斑點(diǎn)的基因OsLSD1[52]和OsPti1a[53]；紅色類病斑的SPL5[25]和SPL7[54]；棕色類病斑的SPL18[24]和SPL32[27]；黑褐色類病斑的SPL29[55]；橙褐色類病斑的SL[31]基因。這些壞死斑參與了水稻的稻瘟病和白葉枯病的部分抗性。此外，玉米中關(guān)于類病斑的研究也有較多報(bào)道。如，lls基因通過苯丙氨酸的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑而使玉米葉片表現(xiàn)出類病斑癥狀[35]。Nec-t基因與細(xì)胞死亡密切相關(guān)[56]。ded1突變體在光的作用下使葉綠體的完整性喪失加速細(xì)胞的死亡，表現(xiàn)出類病斑癥狀[57]。依賴于光的顯性基因Les22通過編碼尿卟啉原脫羧酶來使玉米葉片表現(xiàn)出類病斑癥狀[34]。類病斑的產(chǎn)生都伴隨著細(xì)胞的死亡，在抗病基因的挖掘與應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用[58]。如Rp1-D基因在玉米中具有廣譜抗銹病的功能[59]。隱性基因lls1可能具有降解細(xì)胞死亡的酚類介質(zhì)的作用而具有較強(qiáng)的抗真菌病原體的能力[1,60]。另外，大麥中也已定位和分離出一些控制類病斑的基因，如含有mlo基因的大麥對白粉病具有廣譜抗性而得到廣泛應(yīng)用[3]；大麥HIR基因指導(dǎo)的SPRH蛋白不僅參與細(xì)胞周期和離子通道的控制，還與細(xì)菌膜相關(guān)蛋白的控制有關(guān)[61]；此外還有nec1[37]、Necs1[36]和bspl[62]等類病斑基因的報(bào)道。

由于小麥基因組公布較晚且基因組比較龐大，導(dǎo)致小麥分子研究進(jìn)程較慢且周期較長[63]，加上小麥染色體組成較為復(fù)雜，ABD染色體組之間可能的復(fù)雜相互作用[64]，因此關(guān)于小麥類病斑基因的精細(xì)定位、分子克隆和功能分析的報(bào)道較少。目前已經(jīng)報(bào)道的類病斑突變體都是由核基因控制的，但是這些基因的調(diào)控通路和分子機(jī)理還不是很清晰[23,39-40]。如：HLP突變體的葉片表現(xiàn)出白色斑點(diǎn)，斑點(diǎn)的出現(xiàn)對農(nóng)藝性狀的影響很小并且突變體具有很好的抗葉銹病能力，這對選育抗病品種有重要意義[2]。受隱性基因控制的lm基因被定位到1BL染色體上，含此位點(diǎn)的QTL可以解釋60.8%的抗葉銹病表型變異[22]。分別定位在3BS和4AL染色體上的隱性基因lm1和lm2產(chǎn)生的類病斑與光照密切相關(guān)[23]。同樣受光照強(qiáng)度和光照長度影響的顯性基因Lm3被定位到3BL染色體40Mb的區(qū)域，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，類病斑的產(chǎn)生與細(xì)胞的程序性死亡和活性氧的異常積累相關(guān)，這也增強(qiáng)了小麥的白粉病抗性[38]。Dlm類病斑突變體的轉(zhuǎn)錄組分析表明二萜相關(guān)應(yīng)激反應(yīng)是類病斑表型的間接調(diào)節(jié)因子，這可能與植株的廣譜抗性有關(guān)[65]。小麥鋅指蛋白TaLSD1基因可能是一種負(fù)調(diào)控細(xì)胞程序性死亡的蛋白，并可以增強(qiáng)小麥對條銹病的抗性[42]。最近研究表明，位于2DS染色體上的顯性類病斑基因Lm4可以顯著性提高小麥的抗條銹病能力[39]。位于2A染色體長臂上的顯性基因Lm5具有條銹病和白粉病抗性，并且斑點(diǎn)的產(chǎn)生受到光照強(qiáng)度的誘導(dǎo)[40]。顯性斑點(diǎn)葉基因TaSp1激活防御相關(guān)基因?qū)е录?xì)胞死亡[42]。此外，茉莉酸和Ca2+信號增強(qiáng)在PCD介導(dǎo)的自發(fā)葉片壞死和類病斑形成過程中也有重要的作用[66]。

雖然在小麥中已經(jīng)報(bào)道了一些類病斑突變體基因，但是這些基因大部分只停留在初定位階段，對于精準(zhǔn)地篩選控制斑點(diǎn)葉產(chǎn)生的基因、解析斑點(diǎn)葉性狀產(chǎn)生的分子機(jī)制和調(diào)控機(jī)理還存在著諸多疑問，這仍需要研究學(xué)者做更加深入的研究工作。值得注意的是，雖然在水稻、玉米和大麥中報(bào)道了許多類病斑基因，但是這些基因在同一作物之間是否有等位性以及不同作物之間是否行使相同的功能還有待證明[67]。例如：普通小麥?zhǔn)钱愒戳扼w作物，不僅有四倍體和二倍體種質(zhì)，還有許多的易位系、代換系和其他小麥族資源。在小麥中發(fā)現(xiàn)的水稻或其他作物上鑒定的斑點(diǎn)葉同源基因是否能在小麥中正常地行使功能，其他的冗余基因或A、B、D不同染色體上的同源基因等是否對斑點(diǎn)的形成有影響還有待研究?？傊?，上述類病斑相關(guān)基因的克隆和解析，不僅為小麥類病斑基因的精細(xì)定位、克隆和功能分析提供了重要的研究思路和切實(shí)可行的研究方法，還對小麥類病斑基因的調(diào)控通路和分子機(jī)制研究以及斑點(diǎn)葉基因的育種利用奠定了重要的理論基礎(chǔ)，部分類病斑基因如表1所示。

表1 部分植物類病斑相關(guān)基因及其小麥同源基因Table 1 Partial genes related to lesion mimic spots in main plants and their orthologs in wheat

(續(xù) 表1)

4 類病斑突變體的主要產(chǎn)生機(jī)制和抗病性

近年來，隨著國內(nèi)外學(xué)者對植物類病斑突變體斑點(diǎn)或壞死形成機(jī)制的深入系統(tǒng)研究，報(bào)道的類病斑突變體/基因越來越多?；诒姸囝惒“呋虻墓δ茯?yàn)證和分子機(jī)制解析研究結(jié)果推測，引發(fā)突變體類病斑或壞死形成的原因很復(fù)雜，可能主要存在以下幾個方面的原因（圖1）。

圖1 調(diào)控類病斑產(chǎn)生的部分途徑Figure 1 Several pathways involved in the information of lesion mimic spots

4.1 重要基因的突變或表達(dá)異常為主要原因

大部分控制類病斑或壞死斑點(diǎn)形成的基因是抗性基因（R基因），少部分是編碼蛋白激酶的基因?？剐曰虬l(fā)生突變或者表達(dá)異?？赡軙l(fā)植物的過敏反應(yīng)，引起調(diào)控防御相關(guān)基因的異常表達(dá)，從而影響防御信號通路的穩(wěn)態(tài)平衡，最終導(dǎo)致植株產(chǎn)生類病斑或細(xì)胞壞死。CC-NB-LRR保守結(jié)構(gòu)域是抗性基因的典型特征。水稻中OsRLR1基因編碼的CC-NB-LRR蛋白直接與轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY19相互作用，轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY19與CC-NB-LRR蛋白復(fù)合體又與抗性基因OsPR10的啟動子結(jié)合，提高了OsPR10的表達(dá)并增強(qiáng)水稻對稻瘟病的抗性[15]。相似地，水稻NLS1基因編碼的CC-NB-LRR蛋白發(fā)生突變，顯著提高了抗性相關(guān)基因的表達(dá)量，從而導(dǎo)致水稻葉鞘出現(xiàn)類病斑表型[16]。在水稻spl18突變體中，T-DNA激活標(biāo)簽的插入增強(qiáng)了插入位點(diǎn)周圍基因的表達(dá)，尤其是誘導(dǎo)過敏反應(yīng)的酰基轉(zhuǎn)移酶序列相似基因OsATL表達(dá)水平升高，水稻抗病基因的表達(dá)異常導(dǎo)致了類病斑或壞死表型的產(chǎn)生[24]。玉米rp1基因的突變導(dǎo)致了玉米葉片出現(xiàn)類病斑壞死，然而該基因?qū)τ衩卒P菌具有專一小種抗性，當(dāng)rp1基因發(fā)生突變時，類病斑或壞死也會隨之產(chǎn)生[59]。線粒體nad5基因的不同剪切方式增強(qiáng)了植物的抗氰呼吸，破壞了細(xì)胞中的線粒體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致病類病斑表型并增強(qiáng)了水稻的抗病性和耐鹽性[91]。

然而，小麥中類病斑突變體的報(bào)道還處于初始研究階段，類病斑候選基因的分析還鮮有報(bào)道，因此，小麥中類病斑或壞死斑點(diǎn)的產(chǎn)生是否由抗性基因突變導(dǎo)致還不清楚，但是許多的研究發(fā)現(xiàn)類病斑或壞死斑點(diǎn)的產(chǎn)生同其他糧食作物一樣，會引發(fā)細(xì)胞的程序性死亡現(xiàn)象并且具有專一或廣譜抗性[22-23,38-40]。

4.2 正常代謝途徑或合成途徑的紊亂

許多的蛋白酶或轉(zhuǎn)錄因子等相互作用共同調(diào)節(jié)著植株的正常生長發(fā)育和代謝過程，如果這些關(guān)鍵的蛋白酶或調(diào)控因子功能減弱或喪失，會嚴(yán)重影響植株正常的生物合成和代謝平衡，從而可能導(dǎo)致類病斑或壞死斑的產(chǎn)生。

葉綠體是植物的“能量工廠”，葉綠體中的葉綠素在光合作用中扮演著重要角色，因此與葉綠素生物合成相關(guān)的關(guān)鍵酶活性改變都可能會引起類病斑或壞死等早衰現(xiàn)象[5,32]。因此，卟啉代謝途徑中關(guān)鍵蛋白酶活性的改變都可能會導(dǎo)致植物類病斑或壞死斑的產(chǎn)生。如，水稻中糞卟啉原Ⅲ氧化酶活性降低，直接導(dǎo)致了糞卟啉原Ⅲ在植株內(nèi)的積累，這進(jìn)一步影響了葉綠素和血紅素等光敏色素的代謝紊亂[74]。在水稻fgl類病斑突變體中篩選到的候選基因編碼與原葉綠素酸酯氧化還原酶相關(guān)的蛋白。分析發(fā)現(xiàn)該基因的第二個外顯子發(fā)生了移碼突變，導(dǎo)致原葉綠素酸酯氧化還原酶B合成的提前終止，進(jìn)一步導(dǎo)致了葉綠素的代謝紊亂[29]。小麥中，已經(jīng)定位到的許多類病斑基因（lm1、lm2、Lm3、Lm4和Lm5等）都會引起葉綠素含量的降低[23,38-40]。

除了與葉綠體合成相關(guān)途徑外，其他重要物質(zhì)的生物合成和代謝也可能導(dǎo)致類病斑或壞死的形成。脂類物質(zhì)代謝不僅是植物維持正常生長發(fā)育的重要生理過程，其中的脂肪酸和磷脂還是構(gòu)成細(xì)胞膜基本支架的重要組成部分[92]。在脂肪酸合成途徑中，脂烯酰基載體蛋白還原酶是該合成途徑的關(guān)鍵酶，若脂烯酰基載體蛋白還原酶活性降低或失活，會嚴(yán)重影響脂肪酸的生物合成[93]。水稻中脂肪酸脫氫酶蛋白功能缺失后不僅會導(dǎo)致葉片出現(xiàn)斑點(diǎn)或壞死早衰表型，還會延緩植株的生長發(fā)育，此外，在植物的防御相關(guān)反應(yīng)過程中，脂肪酸及其衍生物也具有著重要的作用[94-95]。糖的合成和代謝途徑的異常也會導(dǎo)致植物類病斑或壞死斑點(diǎn)的形成。糖代謝過程中尿苷二磷酸乙酰葡糖胺焦磷酸化酶功能失活會誘導(dǎo)葉片的早期衰老和防御反應(yīng)產(chǎn)生，導(dǎo)致水稻葉片出現(xiàn)類病斑[55]。糖酵解途徑過程中，丙酮酸在氧氣充足的條件下可以進(jìn)一步氧化分解生成乙酰輔酶A，然后進(jìn)入三羧酸循環(huán)徹底氧化分解成二氧化碳和水，并釋放出大量的能量。三羧酸循途徑中的中間產(chǎn)物也可以作為糖異生、脂類和氨基酸合成的重要原料，通過物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化以維持機(jī)體的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，三羧酸循環(huán)是聯(lián)系糖類、脂類和氨基酸的關(guān)鍵樞紐，三羧酸循環(huán)途徑遭到破壞，也可能會導(dǎo)致植物產(chǎn)生斑點(diǎn)或壞死[96]。

4.3 活性氧含量變化和植物激素作用

類病斑或壞死斑點(diǎn)的產(chǎn)生常常伴隨著活性氧的迸發(fā)或（和）激素含量的變化?；钚匝鹾康姆e累，脫落酸、乙烯、水楊酸和茉莉酸等激素含量的增加能夠引起植物細(xì)胞的程序性死亡，導(dǎo)致斑點(diǎn)或壞死表型的產(chǎn)生。

過度積累的活性氧可以作為毒力因子使脂類過氧化，造成細(xì)胞的膜脂氧化損傷，破壞膜的結(jié)構(gòu)引起細(xì)胞死亡。小麥類病斑突變體中，Lm3[38]、Lm4[39]和Lm5[40]基因誘導(dǎo)產(chǎn)生的類病斑都伴隨著活性氧的積累。擬南芥lsd1突變體超氧陰離子可以誘導(dǎo)細(xì)胞程序性死亡產(chǎn)生壞死斑點(diǎn)，當(dāng)外源施加超氧化物歧化酶時能顯著抑制該突變體的細(xì)胞死亡現(xiàn)象[97-98]。生長正常的水稻葉片用過氧化氫處理后，葉片上會產(chǎn)生大量的壞死類病斑[99]。但是活性氧是如何直接參與類病斑或壞死斑產(chǎn)生的調(diào)控機(jī)理尚不清楚。

此外，活性氧還可以作為信號因子激發(fā)其他調(diào)控途徑引起類病斑或細(xì)胞死亡。水稻noel類病斑突變體植株中的活性氧含量的過度積累激活了體內(nèi)的硝酸還原酶，進(jìn)而導(dǎo)致了一氧化氮的過度積累，從而使植株產(chǎn)生壞死或類病斑表型[100]?；钚匝跻部梢哉T導(dǎo)水楊酸和乙烯等植物激素途徑，促進(jìn)植株的衰老死亡，導(dǎo)致壞死斑點(diǎn)產(chǎn)生的同時增強(qiáng)了植株的抗病能力。水楊酸是誘導(dǎo)植株抗病反應(yīng)的重要信號因子，水稻NLS1突變體過氧化氫和水楊酸含量的大量積累，增強(qiáng)了植株中抗病基因的表達(dá)，抗病基因的表達(dá)水平增強(qiáng)進(jìn)一步導(dǎo)致了水稻葉鞘產(chǎn)生了類病斑表型[91]。乙烯可以促進(jìn)花粉的形成和果實(shí)的成熟，研究發(fā)現(xiàn)乙烯還參與植物的防御反應(yīng)，突變體spl3類病斑的產(chǎn)生可能與活性氧和乙烯應(yīng)答途徑受損有關(guān)[101]。水稻spl28突變體類病斑部位積累了大量的活性氧、胼胝質(zhì)和酚類物質(zhì)，影響了葉片中葉綠素和可溶性糖的含量，增強(qiáng)了稻瘟病和白葉枯病抗性[70]。其他植物激素如茉莉酸的增加、生長素和赤霉素含量的降低以及不同激素之間的相互作用可能也會影響類病斑或壞死現(xiàn)象。

4.4 外界環(huán)境因素的影響

光照、溫度和濕度等環(huán)境因素對植株的生長發(fā)育有著重要影響。眾所周知，低溫可以打破小麥種子的休眠促進(jìn)萌發(fā)[102]、光周期可以影響植株的花期[103-104]、濕度可以影響葉片上氣孔的開合[105-106]。然而，一些類病斑或壞死的產(chǎn)生與這些環(huán)境因素也有著密切的聯(lián)系。

目前，在小麥中鑒定到的類病斑突變體/基因斑點(diǎn)表型的出現(xiàn)也會受到環(huán)境的影響。在偃展1號與早穗30品系構(gòu)建的分離群體中，親本沒有斑點(diǎn)表型，而分離群體后代有類病斑表型，并且類病斑的出現(xiàn)受到光照的誘導(dǎo)，這是小麥中首次類病斑的產(chǎn)生受光照影響的報(bào)道[23]。此外，較強(qiáng)的光照強(qiáng)度可以促進(jìn)MC21類病斑突變體壞死斑點(diǎn)的產(chǎn)生；而較低的光強(qiáng)條件下，溫度和光周期的改變不會影響斑點(diǎn)或壞死的產(chǎn)生[40]。其他植物中，如水稻的spl24[8]、RLIN1[74]和spl32[27]突變體；擬南芥中l(wèi)sd1[33]和ACD2[45]突變體的類病斑或壞死斑的產(chǎn)生也會受到光照的誘導(dǎo)。

高溫會抑制細(xì)胞的正常生理和代謝過程，導(dǎo)致植物的生長發(fā)育異常。水稻類病斑壞死基因HES1編碼的UDP-N-乙酰氨基葡萄糖焦磷酸化酶在高溫條件下可以維持葉綠體的功能正常運(yùn)行，該基因突變會導(dǎo)致植物對高溫的耐受性降低[107]。擬南芥中突變體cpr22類病斑的產(chǎn)生受到濕度的調(diào)節(jié)，在高濕度條件下該突變體的防御反應(yīng)受到抑制，而在低濕度條件下防御反應(yīng)得到增強(qiáng)[108]。不僅如此，除了光照、溫度和濕度等環(huán)境單獨(dú)影響類病斑或壞死斑的產(chǎn)生外，也可能多個環(huán)境因素相互作用共同影響類病斑或壞死斑的產(chǎn)生。小麥突變體Lm3類病斑的產(chǎn)生受到光照的誘導(dǎo)，但是光照強(qiáng)度和光周期對類病斑的形成具有調(diào)節(jié)作用[38]。水稻中ell1突變體類病斑的產(chǎn)生受到光照和溫度共同調(diào)控[109]。突變體spl7在分蘗期至完熟期發(fā)生的類病斑表型受到溫度和光照的影響[54]。

4.5 其他影響因素

植物細(xì)胞中，一些離子也可能參與了防御體系和細(xì)胞的程序性死亡過程。K+和Na+可以調(diào)節(jié)細(xì)胞中的水勢平衡，維持細(xì)胞環(huán)境的穩(wěn)態(tài)；當(dāng)膜上的環(huán)核苷酸門控通道功能受損，可能會導(dǎo)致K+和Na+的通透性增加，打破細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)平衡[109]。Mg2+與原卟啉Ⅸ結(jié)合生成單乙烯基原葉綠素酯a，進(jìn)一步合成葉綠素[110]；Ca2+與蛋白質(zhì)結(jié)合形成鈣調(diào)蛋白，它可以參與免疫調(diào)控和生長發(fā)育等許多的信號傳遞過程[66]。這些離子都可以誘導(dǎo)過敏反應(yīng)產(chǎn)生類病斑或壞死表現(xiàn)。此外，某些轉(zhuǎn)錄因子以及泛素化途徑也可以導(dǎo)致類病斑的產(chǎn)生[54,87]。

5 小麥類病斑突變體的研究展望

類病斑的產(chǎn)生受到許多因素的影響，斑點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)制和調(diào)控機(jī)理也各不相同。其他作物中已經(jīng)克隆的類病斑基因較多，研究也較為深入；然而，小麥類病斑基因的研究還處于起始階段，鑒于類病斑基因的重要作用，結(jié)合其他主要植物（主要為水稻）中類病斑的研究進(jìn)展，未來小麥科研工作者關(guān)注的重點(diǎn)主要涉及以下兩個方面：

首先是類病斑突變體的鑒定和候選基因的分離和克隆。在植物中類病斑基因可能對病原菌具有較強(qiáng)的抗性。因此類病斑突變體的鑒定在挖掘新的抗病基因方面越來越受到研究學(xué)者的關(guān)注。小麥類病斑基因的研究進(jìn)展主要受限于基因組的復(fù)雜性、突變體數(shù)量和不同亞基因組之間的互作關(guān)系。但隨著三代測序技術(shù)的興起和轉(zhuǎn)基因技術(shù)的不斷發(fā)展，多倍體植株的遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)逐漸成熟，候選基因的功能驗(yàn)證將變得快速高效。此外，眾多六倍體小麥、四倍體小麥、二倍體小麥和小麥的近緣屬種基因組的陸續(xù)公布和完善，小麥的研究也將逐漸進(jìn)入了泛基因組時代。結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組等組學(xué)測序技術(shù)和生物信息學(xué)分析以及借鑒其他植物（比如水稻、玉米和大麥等）類病斑基因研究的方法和經(jīng)驗(yàn)將對小麥類病斑突變體的研究進(jìn)展起到很好的推動作用。

另一方面是類病斑基因的功能分析及其分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)機(jī)制解析。類病斑基因可以誘導(dǎo)植株的葉片或其他部位產(chǎn)生壞死斑點(diǎn)，這種特殊的表型對植株的生長發(fā)育以及產(chǎn)量提升方面的積極效應(yīng)并不是十分顯著。但是，通過研究類病斑基因的調(diào)控機(jī)制對進(jìn)一步了解植物生長發(fā)育與細(xì)胞凋亡的信號調(diào)控、植物抗病性抗逆性防衛(wèi)基因信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等機(jī)制具有重要的研究價值。尤其是在類病斑的抗病機(jī)理、植物衰老調(diào)控和光合作用研究等方面可能會逐漸成為研究的熱點(diǎn)。此外，針對部分分子機(jī)制和調(diào)控通路已經(jīng)有較為深入研究的類病斑基因，進(jìn)行新型除草劑或殺蟲劑等的研發(fā)可能也具有潛在的價值。