草類植物抗病機制研究進展

張彩霞，方香玲

（蘭州大學草地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，蘭州大學農業(yè)農村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，蘭州大學草地農業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020）

草類植物主要包括以紫花苜蓿（Medicago sativa，簡稱苜蓿）、沙打旺（Astragalus adsurgens）、三葉草（Trifolium）和柱花草（Stylosanthes guianensis）等為主的豆科牧草以及以燕麥（Avena sativa）、黑麥草（Loliumperenne）和草地早熟禾（Poa pratensis）等為主的禾本科牧草。病害一直是草類植物生產和畜牧業(yè)發(fā)展的主要限制性因素［1-2］。草類植物病害主要包括白粉病、銹病、炭疽病、霜霉病、枯萎病和根腐病等，病害不僅造成產量的損失和品質下降，而且還會導致草地衰退。如白粉病造成燕麥年產量損失5%～10%［3］；由根腐病造成的苜蓿產量損失約20%，嚴重時高達60%［4］?；瘜W防治是病害防治的有效途徑，但是對環(huán)境污染較為嚴重且對人畜健康造成巨大威脅，使其應用受到限制。抗病品種的開發(fā)利用是防治病害最經濟有效和環(huán)境友好的方法［5］，但是目前缺乏高抗品種資源和抗病基因，無法給抗病育種提供抗性資源。因此研究草類植物的抗病機理，尋找廣譜和特異性抗病因子是草類植物可持續(xù)生產的重要手段。

植物中存在多種抗性機制，如組織結構抗性和生理生化抗性等。植物細胞表面或內部結構主要通過形成物理障礙阻止病原菌的侵染和進一步擴散；同時植物還產生一些化學物質如皂角苷、酚類化合物等抑制病原菌的定殖［6］。病原菌侵染植物時會產生活性氧（reactive oxygen species，ROS）迸發(fā)、過敏反應、植物的解毒作用以及信號傳遞，植物通過不斷產生一系列化合物來抑制病原菌的侵入和定殖，形成抑菌活性物質殺死病原菌以及形成酶類物質消除致病因子［7-8］。此外，在小麥（Triticum aestivum）中發(fā)現(xiàn)的第一個基因以及后期提出的“基因對基因”假說為植物的抗病性遺傳研究奠定了基礎［9］。利用抗病基因（R）介導的抗病性進行抗病育種是控制病害和減少產量損失的綠色防控策略?？共』蛑袉位蚩剐园@性、部分顯性和隱性等類型，這些基因多數(shù)僅僅對一種病原菌和一個小種發(fā)揮作用，但是目前由于新病原小種的出現(xiàn)使得抗性不穩(wěn)定，最終導致抗病基因的作用消失。因此需要不斷地篩選抗病種質資源，不斷地將新的抗病基因應用到抗病育種中。因此研究草類植物的抗病分子機制是目前進行抗病育種的重要條件。但是目前關于分子抗病機制的研究主要集中在糧食作物小麥和水稻（Oryza sativa）以及模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）等植物中。對于草類植物的抗病機制研究相對較少，已開展的研究主要集中在少量的豆科和禾本科草類植物對白粉病、銹病、炭疽病、霜霉病、枯萎病和根腐病抗性等方面。本研究主要從植物組織結構、誘導植物抗性等生理生化、抗性基因以及抗性數(shù)量性狀位點（quantitative trait locus，QTLs）定位等分子方面綜述草類植物抗病機制的研究進展。

1 植物組織結構

植物組織結構可以抵抗病原菌的侵入和擴展，其中蠟質層和氣孔是植物抵御病原菌侵入的最外層防線。蠟質層主要通過防止植物體內的營養(yǎng)物質外滲，可以有效地抑制病原菌孢子的萌發(fā)從而阻止許多潛在病原菌的附著和侵入［10］。如白粉病菌侵染蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）時，葉片表面分泌物影響葉片潤濕性和通氣性等從而影響孢子的萌發(fā)和入侵［10］。其次，蠟質層還通過影響植物表面的疏水性，不利于孢子的停滯從而有效地減少病原菌的侵染［11］。氣孔是許多葉部病害病原菌入侵植物的主要途徑，如銹菌通過氣孔并形成附著胞侵入蒺藜苜蓿［12］。組成氣孔的保衛(wèi)細胞是主動識別病原菌的具有高度保守性的結構分子，在真菌侵染植物過程中，植物保衛(wèi)細胞能夠識別幾丁質寡糖從而引起氣孔關閉，阻止病原真菌的入侵［13］。另一方面，病原真菌在入侵過程中導致幾丁質寡糖脫乙酰化變?yōu)闅す烟牵砻鲙锥≠|脫乙?；赡苁遣≡婢种茪饪钻P閉的生存策略之一［13］。其次氣孔數(shù)量和密度等也是主要的抗侵入因素，如沙打旺對黃矮根腐病（Embellisia astragali）、草地早熟禾和黑麥草等對禾草離蠕孢（Bipolaris sorokiniana）引起的葉枯病抗性與氣孔密度呈負相關，氣孔數(shù)量越少的品種抗性越強［14-15］。也有研究表明氣孔密度和長度與抗性無關，如關于苜蓿白粉病在田間自然發(fā)病條件下以及室內苗期接種的研究，表明不同品種間氣孔密度和長度差異不顯著［16］。

2 生理生化機制

2.1 活性氧迸發(fā)

植物被病原菌侵染的早期防御反應之一是ROS的迅速增加。一方面ROS在植物與病原菌互作中具有直接殺死病原菌抵抗微生物活性的作用［17］；也可參與植物細胞壁木質化及富含羥脯氨酸糖蛋白的交聯(lián)，使細胞壁強化，抵御病原菌的入侵；還可以誘導寄主細胞過敏性壞死，參與植物細胞程序性死亡過程。另一方面ROS可以作為信號分子直接或間接地激活抗性基因和防衛(wèi)基因表達［18］，主要表現(xiàn)為超氧陰離子自由基（O2-）和過氧化氫（H2O2）等含量的突增。病原菌侵染觸發(fā)過氧化物酶（peroxidase，POD）的產生。超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）是抵御活性氧的第一道防線，能夠清除自由基O2-，快速將O2-轉化為H2O2和O2，保護細胞免受氧化損害［19］。使用SOD、過氧化氫酶（catalase，CAT）等活性氧清除劑處理則可有效地抑制植物中植保素的合成與積累［20］。H2O2在植物抵抗病原菌侵染過程中發(fā)揮重要作用，參與植物的抗病反應過程。如施加外源H2O2可以提高沙打旺對黃矮根腐病病原埃里磚格孢（E.astragali）的抗性，表明H2O2與沙打旺抗病性緊密相關，并通過調節(jié)病程相關酶活性來增強沙打旺對黃矮根腐病的抗性，減少侵染率［21］。研究發(fā)現(xiàn)H2O2對卵菌根腐絲囊霉（Aphanomyces euteiches）侵染蒺藜苜蓿的體外生長沒有不利影響，且對卵菌根腐絲囊霉沒有直接的抗菌作用，但是參與根周圍細胞壁的強化，防止病原菌侵入維管組織。如通過接種卵菌根腐絲囊霉測定蒺藜苜?？剐云废怠癆17”和易感品系“F83005.5”根部的H2O2、SOD、POD、可溶性酚類和木質素含量，H2O2水平與抗病品種的POD和木質素的產生呈負相關［22］。ROS可以創(chuàng)造不適宜病原菌生存和繁殖的環(huán)境，H2O2還刺激細胞壁木質化和糖蛋白交聯(lián)，從而增強細胞壁抵抗入侵的病原菌。此外，H2O2和一氧化氮（NO）可誘導抗病相關基因的表達，如苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase，PAL）、病程相關蛋白（pathogenesis-related proteins，PR）和谷胱甘肽S-轉移酶（glutathione S-transferase，GST）基因的表達［23］。

2.2 過敏反應（hypersensitive response，HR）和系統(tǒng)獲得性抗性（systemic acquired resistance，SAR）

植物在病害脅迫下進化出多種防御機制，過敏反應是一種早期防御反應。當植物受到病原菌侵染時，被侵染部位以局部組織迅速壞死的方式來阻止病害擴散。HR是一種特定類型的程序性細胞死亡。通過產生ROS、細胞壁修飾或抗菌蛋白和化合物來阻止病原菌進一步定殖。如苜蓿對炭疽病的抗性表現(xiàn)為病原菌侵染后強烈的HR，抗病和易感品種在接種炭疽病菌（Colletotrichum trifolii）72 h內，孢子萌發(fā)并在表皮細胞壁的連接處形成黑色的附生體。植物通過形成乳突和增厚與附著體接觸的細胞壁對接觸角質層的穿透釘作出反應。細胞質中酚類化合物的產生以及細胞壁中木質素和木栓質的沉積可能會阻止真菌酶在穿透細胞中擴散，從而保護相鄰細胞［24］。在抗炭疽病的蒺藜苜蓿品種“Jemalong 6”中，伴隨著ROS和酚類化合物的產生而發(fā)生HR，與植物防御、植物抗毒素產生有關的基因上調表達［25］。Kemen等［26］對113份蒺藜苜蓿種質抗性進行鑒定，結果表明在銹菌（Uromyces striatus）侵入后，抗性品種表現(xiàn)出不同程度的細胞死亡反應，一些種質通過發(fā)展壞死病變表現(xiàn)出HR。此外，對銹病表現(xiàn)廣譜抗性的蒺藜苜蓿品種的調查發(fā)現(xiàn)，由于抗性品種在早期可以終止銹菌菌落的生長從而限制吸器的形成，且在一些品種中可以檢測到與侵染菌絲相關的宿主細胞壞死而表現(xiàn)出抗性［27］。另一方面，植物表現(xiàn)出可誘導的防御機制來抵御病原菌的侵染。研究表明，當病原菌侵染植物后，SAR的激活依賴于較高水平的內源性水楊酸（salicylic acid，SA）和一系列PR蛋白的激活［28］，并伴隨著一系列抗病和防衛(wèi)相關基因的表達，如病程相關蛋白PR1和NPR1。其中PR1蛋白是SA介導的SAR信號轉導通路中的關鍵調節(jié)因子，NPR1基因是植物抗病基因表達和系統(tǒng)獲得性抗性中的一個關鍵基因，其表達量的變化會直接影響植物對病原菌的抵抗能力［29］。

2.3 內源激素信號轉導途徑

水楊酸、茉莉酸（jasmonic acid，JA）和乙烯（ethylene，ET）是植物抗病信號轉導途徑中重要的信號分子［30］。當植物受到病原菌侵染時，細胞內發(fā)生一系列與抗病相關的反應，激活植物的防御能力并且誘導植物產生抗性，JA和ET等信號轉導途徑在植物抗病中發(fā)揮重要作用。SA在活體營養(yǎng)型和半活體營養(yǎng)型病原菌的抗性反應中起著核心作用，其受體主要有NPR1，NPR3和NPR4［31］，SA通過誘導植物相關PR蛋白基因PR1、PR2和PR5的產生，PR2具有β-1，3-葡聚糖酶活性，能催化β-1，3-葡聚糖多聚體水解，可對真菌的菌絲壁直接進行攻擊，從而使植物產生SAR［32-33］。如噴施SA后接種立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）可以使草地早熟禾抗性基因PR1和NPR1的相對表達量顯著升高，從而使植物獲得抗性［33］。此外，SA可作為胞外信號分子抑制CAT活性而引起H2O2水平上升。一方面，H2O2含量增加導致一系列基因的表達，從而激發(fā)植物的抗病性。另一方面，誘導植物抗病性酶活性和促進植物木質素含量增加從而激發(fā)植物的抗病性［34］。如外施SA誘導苜蓿體內POD和PAL活性從而提高對霜霉病的抗性，還可以提高匍匐翦股穎（Agrostis stolonifera）對鐮刀菌枯萎病和高羊茅（Festuca arundinacea）對彎孢霉葉斑?。–urvularia lunate）的抗性［35-36］。

JA和ET參與植物對腐生病原菌的抗性反應，與SA存在拮抗作用［37］。外源JA作為廣譜的生理效應因子和抗病信號轉導過程中重要的信號分子，參與植物對病原菌的應答，激發(fā)植物的防御系統(tǒng)從而誘導植物的抗病反應達到提高植物抵御病原菌侵入的能力。如外源JA處理苜蓿葉片后，再接種病原菌匍柄霉（Stemphylium botryosum）和莖點霉（Phoma medicaginis），可以誘導苜蓿產生抗病性［38］。茉莉酸甲酯（methyl jasmonate，MeJA）是茉莉酸的衍生物，外施MeJA能誘導植物產生系統(tǒng)抗性，促進PR的積累和植保素的合成，改變抗病相關的防御酶活性。如MeJA可以增強PAL、POD和SOD活性，降低由尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）引起的苜蓿根腐病的發(fā)病率和病情指數(shù)［39］，增加草地早熟禾葉片SOD、POD、CAT、多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）和PAL酶活性，提高活性氧清除的能力，使草地早熟禾的抗病性增強［40］。植物在受到病原菌侵染后乙烯的釋放量增加，并且能夠調節(jié)一些抗病基因或蛋白的表達。Anderson等［41］通過研究乙烯信號通路在防御立枯絲核菌和其他根部病害中的作用發(fā)現(xiàn)，立枯絲核菌侵染蒺藜苜蓿后，野生型A17的乙烯和茉莉酮酸酯響應的GCC盒（AGCCGCC）啟動子被激活，但在突變型skl中未被激活，同時在野生型A17中乙烯反轉錄因子（ethyleneresponse factors，ERFs）的B-3亞組表現(xiàn)上調。因此，蒺藜苜蓿對立枯絲核菌的抗性增強主要表現(xiàn)為B-3 ERF，MtERF1-1基因的過表達。

3 植物的解毒作用

植物的解毒作用是病原菌侵染后誘導的主動保衛(wèi)反應，能夠代謝病原菌產生的植物毒素，將毒素轉化為無毒物質，降低病原菌的毒性，抑制病原菌在植物組織中的定殖，增強抗病性。此外，植物在解毒過程中產生的羥基化合物可以誘導植物植保素合成，表明植物抗病機制是解毒作用和激發(fā)植保素的合成［42］。目前在作物小麥抗赤霉病菌禾谷鐮刀菌（Fusarium graminearum）中研究較多［43］，在草類植物燕麥和苜蓿中有少量報道。如維多菌素（victorin）是燕麥葉枯病菌（Helminthosporium victoriae）產生的寄主特異性毒素，利用燕麥葉枯病菌產生的維多菌素處理燕麥抗病和感病品種，12 h后感病品種胚芽鞘細胞破裂，停止鈍化毒素，但是抗病品種繼續(xù)保持鈍化能力；24 h后抗病品種胚芽鞘中毒素含量僅為感病品種的1/30［44］。此外，苜蓿素（medicarpin）在抗疫霉根腐病中發(fā)揮重要作用，可以抑制疫霉菌（Phytophthora medicaginis）的生長［45］。植物抗毒素的產生可能會殺死菌絲產生抗性。有研究發(fā)現(xiàn)炭疽病菌侵染苜蓿時，苯丙烷途徑中基因的上調與抗性植物中苜蓿素和大蒜素（allicin）的增加有關［46］。

植物產生的初級代謝產物和次級代謝產物在植物防御過程中發(fā)揮不同的作用，初級代謝產物作為信號可以誘導植物產生抗性，而次級代謝產物不僅可以作為誘導抗性的信號，還可以作為誘導下游抗菌物質生成的信號，直接參與對病原菌的抑制［47］。植物初級代謝產物有蔗糖、果糖、脯氨酸、谷氨酸和苯丙氨酸等。植物體內的糖可以提供病原菌生長所需的能量，也可通過與病原菌競爭養(yǎng)分使病原菌獲得較少的養(yǎng)分，最終導致病原菌適應低營養(yǎng)的狀態(tài)來提高植物抗病性［48］。脯氨酸、谷氨酸和苯丙氨酸分別通過強化細胞壁、參與多種代謝物合成以及黃酮類物質、細胞壁木質素等一些抗病相關的代謝物前體來提高植物的抗病性［49］。次級代謝產物SA和JA等作為重要的信號物質，激活植物獲得系統(tǒng)抗性，增強苯丙酸的代謝物，使木質素在細胞壁上沉積，阻止病原菌的侵入［50］。此外，次級代謝產物異黃酮和紫檀堿生物結合物的抗毒素前體可以提高鷹嘴豆（Cicer arietinum）對尖孢鐮刀菌的抗性［51］。

4 抗病基因和數(shù)量抗性位點

植物的抗病性主要包括由單個或多個抗病（R）基因控制的質量抗性和數(shù)量抗性，其中數(shù)量抗性具有廣譜性和持久性［52-53］。目前已從大麥（Hordeum vulgare）、水稻和番茄（Lycopersicon esculentum）等重要作物中分離出針對各種病原菌的R基因［54］，但是大多數(shù)R基因在模式植物擬南芥中研究較為深入。定性顯性基因主要對活體營養(yǎng)型和半活體營養(yǎng)型病原菌產生抗性，目前還沒有發(fā)現(xiàn)完全抗性或質量抗性的基因。隨著分子標記技術的發(fā)展，利用數(shù)量性狀位點（QTLs）可以定位多種病害，QTLs定位是借助遺傳連鎖圖譜，利用表型性狀與連鎖圖譜上的分子標記連鎖關系，將控制表型的位點定位在該連鎖圖譜的某個區(qū)段內，并對QTLs進行遺傳效應的評估［55］。主要集中在水稻、大麥、小麥和玉米（Zea mays）等作物上［56-58］。此外，模式植物蒺藜苜蓿越來越多地用于對卵菌根腐絲囊霉，炭疽病菌和莖點霉等病原菌抗性的研究［22，59-60］?？共』蚴桥嘤剐云贩N的基礎和關鍵，但草類植物病害抗性基因研究比較薄弱，僅在抗性基因克隆、定位以及相關分子標記方面有報道。主要集中在苜蓿、蒺藜苜蓿、紅三葉（Trifolium pratense）等少數(shù)豆科牧草以及燕麥、多年生黑麥草和草地早熟禾等禾本科牧草（表1和表2）。

4.1 抗病基因

4.1.1 豆科牧草抗病基因 豆科牧草抗病基因的研究主要集中在炭疽病、枯萎病、霜霉病和根腐病等病害（表1）。炭疽病病原主要有三葉草炭疽菌、毀滅炭疽菌（Colletotrichum destructivum）和長孢炭疽菌（Colletotrichumgloeosporioides）等［61-62］。苜?？共∑贩N“Arc-1”和“Saranac AR”接種炭疽菌小種1號和小種2號的抗性遺傳表明，“Arc-1”對小種1號的抗性受顯性基因An1的控制，而“Saranac AR”對小種1號和小種2號的抗性受顯性基因An2的控制［63］。以蒺藜苜蓿品種“Jemalong A17”作為抗性親本進行F2代作圖群體，鑒定出對三葉草炭疽菌小種1號具有抗性的單個顯性基因RCT1，RCT1是TIR-NBS-LRR家族基因，位于蒺藜苜蓿4號染色體上，對RCT1進行克隆，連鎖標記鑒定了5個NLR基因，RCT1是蒺藜苜蓿中對三葉草炭疽菌多個小種都具有抗性的基因，轉移到易感紫花苜蓿植物中時賦予廣譜炭疽病抗性［64］。因此，RCT1為開發(fā)抗炭疽病的苜蓿品種提供了新資源。盡管從抗病蒺藜苜蓿品種“Jemalong A17”中克隆了RCT1的同源物，但它與An1的關系以及在抗病中的作用尚不清楚。利用擴增片段長度多態(tài)性（amplified fragment length polymorphism，AFLP）和cDNA末端擴增（rapid amplification of cDNA ends，RACE）分子標記技術從柱花草克隆出抗炭疽病有關的PAL基因，且在抗病品種中的表達量高于感病品種。此外，通過轉錄組學挖掘出柱花草抗炭疽病苯丙氨酸解氨酶基因SgPAL1，可以通過提高下游次生代謝產物含量增強柱花草對炭疽病的抗性［65］。

通過cDNA擴增片段長度多態(tài)性（cDNA-AFLP）、微陣列和隨機擴增多態(tài)性DNA（random amplified polymorphic DNA，RAPD）方法研究鷹嘴豆與尖孢鐮刀菌鷹嘴豆專化型1號小種（F.oxysporumf.sp.Cicerirace 1，F(xiàn)oc1）引起的枯萎病的相互作用。cDNA-AFLP方法確定編碼蔗糖合酶、轉化酶和β-淀粉酶的基因在抗性相互作用中被誘導，14-3-3基因在易感品種中過度表達，表明存在潛在的營養(yǎng)饑餓，而抗性相互作用可能通過過度誘導糖代謝基因來應對這種糖饑餓，表明糖還充當響應病原菌感知的信號分子。使用cDNA隨機擴增多態(tài)性（cDNA-RAPD）方法進行鷹嘴豆與Foc 1、2和7號的相互作用研究確定了植物葡糖基轉移酶基因在抗性反應中的作用［66］。蒺藜苜蓿接種卵菌根腐絲囊霉后的RIL群體（分別命名為LR3和LR5）受不同基因的控制，如接種同一致病型的兩種不同卵菌根腐絲囊霉菌株，LR3群體中的表型抗性受顯性單基因AER1控制并且是控制蒺藜苜蓿根腐絲霉抗性的主要基因［67］，而LR5群體的表型抗性受隱性基因prAe1控制［24］。從苜蓿品種“Vernal”和“Lahontan”中確定了抗病基因對疫霉根腐病病原侵染具有過敏反應［68］。這些植物材料中的易感性受具有不完全顯性的單一基因Pm制約，已在植物中鑒定出多種病害易感基因，所有促進侵染和支持病原菌定殖的植物基因都可以被認為是易感基因，易感基因的突變或缺失會限制病原菌的致病力，從而導致植物具有廣譜抗病性［69］。也有研究發(fā)現(xiàn)抗性是由隱性基因Pm控制［70］。在二倍體和四倍體紫花苜蓿植物中，抗性受兩個顯性互補基因Pm1和Pm2的限制［71-72］；在四倍體植物中鑒定了另外兩個不同的顯性抗性基因Pm5和Pm6［73］。研究表明苜蓿對霜霉?。≒eronospora trifoliorum）的抗性遺傳受一個不完全顯性的四倍體遺傳基因Dm和5個抗霜霉病苜蓿基因PtR1～5的影響［74-75］。

4.1.2 禾本科牧草抗病基因 目前禾本科牧草抗病基因主要集中在白粉病和銹病等病害（表1）。Pm4和Pm7基因是燕麥對白粉病的高抗基因，而Pm1、Pm3和Pm6基因控制的抗性無效［76］。顯性抗病基因Eg-3存在于燕麥栽培品種“Rollo”與六倍體燕麥品種“Mostyn”中［77］，此外還鑒定出其他顯性抗病基因Eg-1和Eg-5［78］。通過SCAR-BG8標記篩選出燕麥抗白粉病顯性基因OMR1、OMR2和OMR3［79］。對于抗銹病研究的禾草植物主要有燕麥抗冠銹病和早熟禾抗禾柄銹菌［80-82］。采用分子標記的方法鑒定出100多個燕麥冠銹病抗病基因，其中96個為Pc基因，大多數(shù)Pc基因是顯性的，有少數(shù)是部分顯性和隱性，抗性可以由兩個或多個次要基因累加起作用［83］。目前挖掘出的單個Pc基因由于生理小種的出現(xiàn)使得品種在短時間內可以喪失抗性而表現(xiàn)出短效性，如培育出含有Pc38、Pc39、Pc48、Pc53、Pc54、Pc58、Pc68、Pc71、Pc91和Pc94等抗病基因的品種，其中Pc54基因對大部分冠銹病菌（Puccinia coronata）具有抗性，與其他Pc基因結合能夠有效地提高抗性［84-85］。隨后發(fā)現(xiàn)了燕麥抗稈銹病基因Pg1～4、Pg6、Pg8～13、Pg15～16和Pg19，其中Pg9和Pg13基因對生理小種NA3和NA7具有普遍抗性，但隨著生理小種6AF、C10和NA27的出現(xiàn)，抗性逐漸下降［86-87］。此外也有研究發(fā)現(xiàn)溫度對燕麥稈銹病抗病基因的表達有顯著影響，Pg1和Pg2隨溫度升高抗病性下降，Pg10對溫度的變化較為穩(wěn)定，而其他基因均表現(xiàn)低溫抗病性［88］。甘露等［82］對草地早熟禾及其矮化突變材料接種稈銹病菌（Puccinia graminis）的抗病機理研究表明，抗病基因PR1和NPR1誘導12 h后的表達量顯著提高，說明矮化突變植株對禾柄銹菌的敏感性更強。多項研究表明，PR1和NPR1基因是調控植物抗病性的關鍵基因，其表達量的變化會直接影響植物對病原菌的抵抗能力，其中NPR1基因是植物防御免疫的關鍵調控因子，該基因的過量表達均使植物增強了對病原菌的抗性［29］。如禾柄銹菌侵染草地早熟禾后可以使得PR1L、NPR1L基因的轉錄水平提高以及PRs蛋白表達情況發(fā)生變化，發(fā)現(xiàn)PR1L、NPR1L基因在病菌誘導12 h時的表達量達到了峰值，且在矮化突變植株中的相對表達量均大于其在對照植株中的表達量［82］。通過轉錄組挖掘結縷草（Zoysia japonica）感染立枯絲核菌引起的褐斑病，NCED基因差異表達調控植物內源ABA的合成并進一步參與植物抗病機制［89］。

4.2 數(shù)量抗性位點QTLs

4.2.1 豆科牧草QTLs 蒺藜苜蓿QTLs的研究主要集中在白粉病、春季黑莖病和黃萎病等病害（表2）。蒺藜苜蓿接種豌豆白粉菌（Erysiphe pisi）后，白粉病的抗性涉及3個不同的位點，分別為4號染色體上的Epp1和5號染色體上的Epa1和Epa2［1］。關于其他豆科牧草相關研究表明，利用紅三葉對白粉病高感和抗病品種雜交F1代為作圖群體，采用AFLP技術構建7個連鎖群，檢測到5個抗白粉病相關的QTLs位點，其中qrp-5位于LG5，其余位點均位于LG4；5個QTLs位點均為正效應，其中qrp-1為主效QTL，因此qrp-1被確定為控制紅三葉白粉病抗性的主要候選基因［94］。蒺藜苜蓿對春季黑莖病的一個抗病和兩個不同易感品種之間進行雜交揭示了抗性的QTL，兩個基因座分別為位于LG4和LG8的rnpm1和rnpm2［60］，其中rnpm1與一組toll/interleukin1受體核苷酸結合位點富含亮氨酸重復序列基因和抗病蛋白基因緊密相連。蒺藜苜蓿利用基因分型測序產生的單核苷酸多態(tài)性標記（single nucleotide polymorphism，SNP）的單劑量等位基因，構建了抗病和感病親本的高密度連鎖圖譜，鑒定了與黃萎病抗性相關的5個QTLs，它們位于4個LG（4D，6B，6D和8C）上。其中3個QTLs（qVW-6D-1，qVW-6D-2和qVW-8C）的賠率對數(shù)（LOD score）最高。在qVW-6D-2和qVW-8C的區(qū)間中，分別鑒定了2個核苷酸結合位點富含亮氨酸重復抗病基因的推定候選基因［95］。使用蒺藜苜?？剐云贩N“F83005.5”和易感品種“A17”的重組自交系（RIL）群體接種到馬鈴薯（Solanum tuberosum）分離株LPP0323中研究抗黃萎病的QTL，確定了4個QTLs［96］。對蒺藜苜?？共『鸵赘衅贩N接種苜蓿輪枝菌（Verticillium alfalfae）早期的根進行轉錄組學研究表明，抗性品系在接種后具有更高的防御相關基因表達［97］。在3個RIL群體中進行了蒺藜苜蓿黃萎病抗性遺傳作圖的研究，確定了3個QTLs（MtVa1、MtVa2和MtVa3），這些QTLs在群體“A17”和“DZA45.5”中賦予對黑白輪枝菌（Verticillium albo-atrum）的抗性，主效QTL位于親本“A17”的LG7上，附加QTL位于親本“DZA45.5”的LG2和LG6上［98］，表型和遺傳分析表明，蒺藜苜蓿群體對黃萎病存在不同的抗性機制。

表2 草類植物數(shù)量性狀位點Table 2 Quantitative trait locus of herbaceous plants

4.2.2 禾本科牧草QTLs定位 對于禾草抗病基因定位的研究相對較少，主要集中在燕麥、多年生黑麥草（表2）。研究通過燕麥作圖群體中鑒定出2個抗冠銹病QTLs（Pcq1和Pcq2），其中Pcq1是控制田間成株期抗性的主要QTL，單獨存在時在幼苗期不會產生抗性，但是當Pcq1與Pcq2結合時，會起到增強幼苗抗性的作用［99］。使用連鎖作圖和QTLs分析多年生黑麥草種群中的抗病性，揭示了4個參與抗冠銹病的基因組區(qū)域，其中2個QTLs位于LG1（LpPc4和LpPc2），2個位于LG2（LpPc3和LpPc1）［100］。在燕麥冠銹病部分抗性的數(shù)量性狀基因座的研究中，通過感病品種“Noble-2”和抗性品種“MN841801-1”雜交的F6燕麥重組自交系群體中生成了遺傳圖譜。該圖譜使用AFLP標記，檢測到4個抗銹病的主要QTLs，Prq1a、Prq1b、Prq2和Prq7，以及3個次要QTLs，Prq3、Prq5和Prq6。

5 問題與展望

5.1 抗病種質資源和廣譜抗病基因的缺乏

目前從已有的抗病品種中選擇高抗品種是抗病育種的關鍵環(huán)節(jié)，對我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。但是隨著我國農業(yè)結構改變和草地生態(tài)環(huán)境的復雜性，導致病害種類較多且不同生態(tài)區(qū)同一病害的致病種群結構存在較大差異，造成篩選出的抗病種質資源在推廣方面存在較大的區(qū)域性及不確定性。目前針對重要的草類植物克隆的抗病基因由于病原小種的出現(xiàn)抗性減弱，從而限制在實際生產中的應用，這導致在育種過程中常選擇抗性效果最好的基因進行利用，從而出現(xiàn)大面積長期使用單一基因對病原菌產生持續(xù)的選擇壓力，使得菌群結構發(fā)生變化，進化產生新的病原菌和小種，最終導致品種喪失抗性。實現(xiàn)寄主廣譜抗性的常見策略是修改R基因介導的抗性狹窄病原菌的特異性。此外，由于病原菌出現(xiàn)的變種或小種，使得單個抗病基因對抗病存在一定的限制，為抗病品種的選育帶來很大困難。因此在后續(xù)試驗中應該明確抗病蛋白識別病原菌信號激發(fā)免疫的分子機制，同時應該監(jiān)測病原菌群落結構與地理環(huán)境之間的關系以及動態(tài)變化規(guī)律，合理輪換使用不同生理小種的抗病基因，最終實現(xiàn)對草類植物的持久抗性。

5.2 建立抗病基因鑒定技術和加快基因克隆

目前草類植物可利用的抗病基因很少，因此急需開發(fā)新技術加快抗病基因的分離。隨著高通量基因組測序技術的發(fā)展和目的基因遺傳的深度分析，草類植物如苜蓿、蒺藜苜蓿、百脈根（Lotus corniculatus）以及鷹嘴豆的全基因組信息被解析，研究豆科牧草抗病基因結構進化關系，可以為豆科植物抗病基因研究奠定比較基因組學基礎?；蚓庉嫾夹g在植物抗病性研究中已經得到高度重視，為植物的病害抗性研究提供越來越多的靶點，通過實現(xiàn)對目的基因的精準修飾加速抗病品種的選育。因此可以利用全基因組關聯(lián)分子技術與克隆技術相結合，加快抗病基因的分離效率。利用轉基因技術以及轉錄因子克隆可以提高草類植物的抗病性。如通過農桿菌介導法將含抗真菌病害的幾丁質酶基因Chi和β-1，3-葡聚糖酶基因Glu導入高羊茅愈傷組織細胞內，可以提高高羊茅對禾谷鐮刀菌引起的病害抗性［101］。