植物-病原互作系統(tǒng)中基因?qū)蜃R別的研究進展

植物-病原互作系統(tǒng)中基因?qū)蜃R別的研究進展

植物抗病機制的研究一直是植物病理學和植物抗病育種的熱點問題。自從本世紀40年代提出“基因?qū)颉睂W說以來,在眾多的植物-病原互作系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了基因?qū)蜿P系,認識到寄主的R基因和病原菌的avr基因是成對發(fā)生作用的。隨著玉米抗圓斑病基因Hm1的克隆成功,使人們對“基因?qū)颉钡难芯窟M入了分子水平。近年來,植物病理學界所取得的最大成就之一,是分離并在分子水平上確定了一些被認為是編碼接受子的基因,這些接受子有利于植物對病原菌基因?qū)；偷淖R別。到目前為止,根據(jù)R基因保守區(qū)結構的不同,可將R基因大致分為6大類,第1類包括3個亞類,其保守區(qū)結構分別為LZ-NBS-LRR、TIR-NBS-LRR、NBS-LRR;第2類保守區(qū)結構為LRR-TM;第3類、第4類的特點分別是含有編碼絲氨酸/蘇氨酸激酶區(qū)或LRR-絲氨酸/蘇氨酸激酶區(qū);第5類編碼黃素還原酶;第6類含有TM-TM-TM-TM-TM-TM保守區(qū)。這些基因除在抗病毒、細菌、真菌、線蟲等病原物方面有差別外,并未顯示出它們在其它功能上有何明顯差異。越來越多的證據(jù)表明,R基因是一類穩(wěn)定的、進化上保守的多基因家族,植物正是利用這些基因產(chǎn)物的多樣性來正確地識別各種各樣的病原物。這些發(fā)現(xiàn)激起了人們從分子水平深入研究“基因?qū)颉睂W說的極大興趣。如植物用作防衛(wèi)武器的R基因是如何在進化中產(chǎn)生的,植物如何在進化過程中保持了R基因位點的多態(tài)性來應付不斷變化的病原菌的侵染,提出的接受子模式是否具有基因?qū)蜿P系的專化性,基因?qū)；缘谋硇驮诜肿铀缴鲜侨绾握{(diào)控的,如何利用R基因保持抗病性的持久性?本文試圖就上述領域的研究新進展作一簡要評述。1有利于基因重組的基因在自然選擇的種群里,無論病原菌存在與否,無針對性地攜帶R基因?qū)χ仓陚€體來說都是不利的。同樣,在病原菌存在的情況下,若攜帶有效的R基因可能是有利的,反之亦然。如果在病原菌對植物的生存和生長施加最大壓力的階段或情況下,植物攜帶R基因可能是最有利的。因此,對R基因的正確評估,必須根據(jù)R基因所處的條件而定。因為種內(nèi)遺傳的同質(zhì)性,感病性強的寄主種自交后代可能非常易于感病。因此,對病菌識別有利的小概率基因重組,可保存親本中的優(yōu)勢基因,使其免受相匹配毒性基因的威脅。如果含有大量復雜抗病基因簇的物種未進行馴化,那么就可從中選擇優(yōu)勢基因,使這些?；騾R集在一個單模標本(haplotype)中,從而保存基因重組進化的潛能,這種潛能有利于識別病原菌。這種潛能源于重復序列的錯配所導致的減數(shù)分裂時基因的不對等交換、等位基因內(nèi)和等位基因間的重組、基因復制和基因轉化等變異。這與哺乳動物免疫系統(tǒng)(體細胞表達)的重組特點很相似。在植物中,尤其是那些已進化到同系交配的植物,面對進化非常快的寄生物,初始表達的R基因進行重組是生存的基本先決條件。遠系交配有利于抗病基因的重組,近系交配首先要采取有利于產(chǎn)生新的病原識別能力的遺傳機制。可以推測植物體中經(jīng)常產(chǎn)生多倍體是植物對病原系統(tǒng)的一種進化反應,植物以這種方式使染色體上復雜的抗性位點不斷的進化以增加識別病原菌的多樣性。新引進的植物必須具備有效的特異識別病原菌的能力,才能克服已存在的毒性基因而健康地生存。這對新的抗病品種的引進也是同樣的。盡管栽培作物與其它植物一樣,最初也攜帶著許多對病原菌進行特異識別的基因,但這些基因由于人為的選擇而成為單一的基因,例如通過無性繁殖和種子繁殖都會產(chǎn)生極端同質(zhì)的后代。這些遺傳背景相同的品種也可能種植相當長的時間。這樣做的直接后果就是大田作物上的病害較自然界植物群體上的病害嚴重的多。相比而言,自然界的植物群體組成了不同的時空嵌合體,這些基因型擁有多種多樣的識別基因和表現(xiàn)型。特定的基因型對病原群體只在一定的環(huán)境條件下或一定的寄主發(fā)展階段產(chǎn)生選擇壓力。這樣,所有病原菌對植物的影響由于R基因經(jīng)歷了有效的流行學上不連續(xù)的更新循環(huán)以及病害也經(jīng)歷了周年循環(huán)而降到最低,這就是自然生態(tài)影響的結果。顯然,對自然界植物群體基因間的互作方式需要進一步研究,同時還需研究R基因在病害系統(tǒng)中作用方式的進化,以便設計出合理的戰(zhàn)略來有效地利用作物中的R基因,從而保持較持久的抗病性。2基因?qū)虻膮f(xié)同進化沒有比非寄主抗病性更持久的抗病性,因為非寄主抗病性是由特定的病原菌寄主范圍定義的。在一個特定的寄主種范圍內(nèi),病原菌的無毒或毒性基因在寄主特定基因型上的反應型,由基因?qū)蜿P系決定。然而,除了寄主種內(nèi)較細的致病?；酝?在寄主種、屬、科的水平上同樣存在致病?；?。例如:盡管已在50多個屬上發(fā)現(xiàn)了霜霉菌,但該菌僅對十字花科的某些種屬致病,也就是說致病型只發(fā)生在最初產(chǎn)生該菌的寄主屬或種內(nèi)。因此,從擬南芥分離的病菌對芥菜(Brassicaspp)的其它種屬無致病性,反之亦然。根據(jù)病原菌對更高一級的寄主范圍的適應性所劃分的致病型稱為專化型(formaespeciales)。此種?；褪羌闹髋c病原菌共同進化的結果。盡管對“基因?qū)颉睂W說一直有爭論,并且研究的對象僅限于存在匹配毒性基因的范圍內(nèi),但仍有證據(jù)認為種或更高類型的?；酝瑯臃磻嘶?qū)虻年P系。假設的協(xié)同進化論內(nèi)容如下:寄主種的祖先攜帶2個R基因(R1和R2),與其對應的病原菌缺乏相匹配的無毒基因(特別是攜帶有等位的毒性基因a1和a2)。當抗病基因R1為識別a1而轉化為R1*,R2為識別a2轉化為R2*時,就會分別產(chǎn)生2個能夠識別病原菌而發(fā)生非親合性的‘新’的寄主種1和2?！隆募纳?和2與‘新’的寄主種1和2的非親合共進化中,a1和a2分別轉變?yōu)閍1*和a2*,這些突變體單獨不能對病菌的適合度產(chǎn)生不利影響,然而,突變體a1*和a2*的結合體卻具有致死作用,R1*和R2*也因此成為控制類群?；耘c非寄主抗性的基因。此種類群?；詠碜云缁x擇和適合度的嚴重不足?！隆闹鞣N1對‘新’寄生物2的抗性及‘新’寄主種2對‘新’寄生物1的抗性是持久的。為什么一些抗病基因或基因結合體具有持久抗病性而有些只有暫時抗病性,此問題與植物如何接收病原物信息有關。持久抗性是適合度不足的表現(xiàn),同時也預示著在一個無毒基因位點或無毒(毒性)基因結合位點存在等位變異。如果沒有R基因,無毒基因突變?yōu)槎拘曰?避免被匹配的抗病基因識別)的壓力就會減小。對無毒基因功能的理解有利于確認對應的R基因或R基因結合體,因為無毒基因毒性突變時,可產(chǎn)生致死的或抗性減弱的表型反應。植物基因組上R基因的組合狀況表明相當?shù)淖儺惪赡馨l(fā)生在R基因產(chǎn)物間?；蚪Y構與功能關系的明晰可為設計R基因使其產(chǎn)物能識別病原菌的產(chǎn)物而不發(fā)生無效的遺傳變異奠定了基礎。或許對應于病原基本分子的接受子就是已被稱為持久R基因的產(chǎn)物或在非寄主抗性中設想的非?；约ぐl(fā)子的接受子。3基因共聚體l6盡管無法得知一個特定種或個體抗病基因的具體數(shù)量(因為這依賴于病原基因數(shù)量),但已證明植物基因組有大量的能夠?qū)Σ≡锾禺愖R別的基因。這些基因的復雜性表現(xiàn)在多個方面。首先,抗病基因的連鎖性和等位性。如亞麻銹菌的病害體系中,K、N、M、P基因組相互連鎖,每個基因組內(nèi)存在獨立抗性位點,但是L座位的14個?；剐曰騽t呈現(xiàn)出等位性,用感病的純合子個體與27個不同L基因組合的個體進行雜交,結果證明這些等位基因的重組產(chǎn)生了新的?；?。L6位點基因的克隆與測序為研究產(chǎn)生新的抗性專化型和交互作用表型提供了方法。其次,抗病基因的復雜性還表現(xiàn)在同一連鎖基因組上的抗病基因可識別不止1種分類學上互不相關的病原物。例如,在擬南芥中對3種細菌、2種病毒、2種卵菌表達抗性的基因存在于MRC-J的連鎖基因組上。再者,不同的植物種或同一植物種存在具有相同識別能力的基因。兩個分別來自十字花科病原物和豌豆病原物的無毒基因avrPmaA1.RPM1和avrPppiA1.R2的測序結果證明它們幾乎是相同的。這2個無毒基因轉基因菌株與不同的寄主基因R2(來自豌豆)和RPM1(來自擬南芥)相互作用,兩個抗病基因表現(xiàn)出相同的功能。進一步通過與avrPppiA1.R2的互作,確定了大豆中位于2個獨立位點的具有相同識別能力的基因。由R基因位點來確定某一區(qū)域親緣關系較遠的植物種如十字花科與豆科基因組的相關程度與范圍將毫無疑問地具有相當科學和實際的意義。4分子交互作用的研究寄主與病原菌的組合中,除非病原菌具有與寄主R基因相匹配的avr基因,一般情況下都表現(xiàn)出親和性。在不親合的情況下,不親合的程度根據(jù)相匹配的基因?qū)Φ那闆r而定。導致不親合反應的R-avr基因?qū)е掠H合反應的基因具有上位效應。決定較高程度不親合反應的基因?qū)Q定較低程度不親合反應的基因具有上位效應。這就是基因論中最基本的上位表達原則。在研究基因?qū)蚶碚撝械纳衔伙@性作用時,其它類型的非等位基因的交互、互補與加和作用引起了人們的注意,并因此對一特定R基因是病原物所產(chǎn)生的一特定分子的專性接受子的觀念提出了挑戰(zhàn)。因為從擬南芥中分離出的RPM1基因可識別丁香假單孢變種(Pseudomonasspringssp.pathovars)中2個完全不相關的無毒基因。若要證明此現(xiàn)象為一種異?，F(xiàn)象似乎是不可能的。因為植物要產(chǎn)生足夠的接受子來接受生存期間所可能遇到的眾多病原菌的信號是不可能的。許多(或全部)的R基因產(chǎn)物可能是非?；慕邮掌?它對病原菌產(chǎn)物親合度的不同造成了不同的抗病表型和遺傳分離比,同時也不存在對應于所謂非?；ぐl(fā)子的接受子。R基因位點突變體也可表現(xiàn)如過敏性壞死反應一樣的細胞壞死現(xiàn)象,這一現(xiàn)象說明突變的R基因在細胞與細胞交流及細胞壞死中可能仍然起作用。大部分已分離和測序的R基因產(chǎn)物的分子結構有一明顯的特點—都含有不同數(shù)量的富亮氨酸重復序列(LRRS)。LRRS經(jīng)常出現(xiàn)在蛋白與蛋白相互作用的序列中,LRR重復區(qū)內(nèi)某些特定區(qū)域精確的氨基酸序列可能在某種程度上決定了對特定配體的親和性,另外重復序列的多寡也起一定作用。目前最關鍵的問題就是確定在病原物無毒基因轉錄或代謝產(chǎn)物與抗病基因產(chǎn)物之間是否存在直接的分子交互作用。然而,此項研究受到了所能分離到的少量病害體系(番茄與芽枝孢霉;番茄與丁香假單孢菌;擬南芥與丁香假單孢菌)的限制。最近對Pto與avrPto基因產(chǎn)物相互作用的研究結果認為發(fā)送子(transmitter)也可行使接受子(receptor)的功能,并且發(fā)現(xiàn)Pto基因與含LRR序列的基因(Prf)緊密連鎖時才能行使功能。這就說明植物與植物、植物與病原物基因產(chǎn)物間復雜的交互作用決定著特定信息的發(fā)送與接收。是否可以進一步推測,認為LRR序列是病原識別中不可缺少的因子還缺乏直接的證據(jù),因此迫切需要分離更多相匹配的基因?qū)沓吻暹@些問題。5突變體中的基因表達信號傳導假說認為:R基因識別avr信號后誘導了信號級聯(lián)系統(tǒng),此系統(tǒng)包括:鈣離子的聚集,氧化物的增加,過敏性細胞壞死,細胞壁沉積物的產(chǎn)生,病程相關蛋白-包括幾丁質(zhì)酶和葡聚糖酶的合成,植保素的合成。所有的信息傳遞網(wǎng)具有許多的共性和個性。與信號傳遞有關的基因間交互作用的研究為分析不親合事件發(fā)生的過程提供了一條途徑。參與同一條信號途徑的基因產(chǎn)物間可能具有上位關系,而參與功能相同的平行代謝途徑的基因產(chǎn)物間可能是加和與互補關系,這些正說明了基因產(chǎn)物間的分子交互作用。最近利用番茄、大麥和擬南芥的突變體確定了R基因表達所必須的基因。通過觀察大麥?；拱追鄄』?M1a12的誘變?nèi)后w確定了大麥中抗性基因Rar1和Rar2的位點。同樣,確定了番茄中抗芽孢桿菌基因的兩個抗性位點Rcr-1和Rcr-2。很可能這些基因的產(chǎn)物是無毒基因所誘導的抗性表達途徑中必需的成分。擬南芥突變體中發(fā)現(xiàn)許多影響R基因與病原菌互作表型的位點。從擬南芥上分離到的丁香假單孢菌和霜霉菌的3個突變體(ndr,pad,eds)的試驗結果表明,不同的信號途徑與推測的不同的R基因接受子相關聯(lián),但是這些途徑可能交匯于一點共同激發(fā)非?；共》磻?。除了近來通過突變體確定位點的方法外,通過自然變異確定基因位點的方法早已為人所知。例如,位于小麥7D染色體長臂上的基因與Lr34基因緊密連鎖或等位,同時抑制對稈銹的抗性。大豆(Phaseolusvulgaris)對大豆普通花葉病毒(BCMV)的抗性依賴于互補基因的交互作用;bc-u獨立存在時沒有任何抗性,但它是水稻?；共《净騜c-1,bc-2,bc-3表達所需要的。周等(ZhouJ,etal.)提供了基因產(chǎn)物間相互作用機制的證據(jù)。他們確定了番茄基因Ptil,此基因產(chǎn)物-絲氨酸/蘇氨酸被Pto基因(編碼蛋白激酶)磷酸化。但是卻不被另一與Pto緊密連鎖的基因Fen(編碼蛋白激酶)磷酸化,這就說明抗病?；钥赡苁恰跋掠巍?downstream)基因產(chǎn)物交互作用的結果。6r基因的發(fā)現(xiàn)和利用在利用科技保護人類賴以生存的作物免受病害威脅的過程中,一直面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)的焦點就是要提供一個更為持久的病害控制體系。通過傳統(tǒng)雜交和回交漸滲(introgression)方法使R基因有效結合的過程是非常漫長的,通常需要幾十年,特別是由作物的野生近緣種提供抗源時。然而,現(xiàn)在可直接確定與抗病基因相關的分子標記。利用分子標記選擇R基因的戰(zhàn)略,有利于新的和有價值的基因?qū)脒m應性強的品種。尤為重要的是,運用分子標記可構建目標基因的染色體區(qū)域圖譜,保證回交后代能夠攜帶親本中期望的農(nóng)藝性狀基因,加快抗病基因的選擇過程。通過R基因的測序和不同類群R基因的相關分析,進一步提高標記選擇的效率是可能的。這也為分離RL(resistance-likegenes)基因奠定了基礎。RL基因在病原識別過程中可能起作用,也可能不起作用。不同類群基因組相關分析可得出這樣的結論:相關基因位于同源區(qū)。目前,只分離到了少量的抗病基因,若要分離大量的抗病基因,并在研究其功能的基礎上加以利用,需要大量地收集目標病原中潛在的病原變種以及有利于R等位基因分離的植物群體,這兩者是限制這一進程的關鍵因子。將R基因聚集于單一品種的戰(zhàn)略思想來源于無毒基因的突變快于抗性喪失這一事實。分離已知功能的抗性基因使聚合品種的利用成為可能。因為與R基因相匹配的毒性基因早已存在于病原群體中,因此,持久抗病的關鍵不是降低無毒基因的突變率,而是降低與聚合的抗病基因相匹配的毒性基因聚合的時間。用常規(guī)方法不易將多個R基因同時導入1個品種,分子標記選擇毫無疑問地簡化了抗病基因聚合的計劃,而轉基因技術則加快了這一計劃的實施,因為這一