植物非寄主抗性的遺傳與機理研究進展

隋新霞等

摘 要： 植物的非寄主抗性是自然界存在的最為廣泛的植物對外界病原微生物所具有的抗性，是植物的免疫系統。植物非寄主抗性具有持久和廣譜抗性的特點，是作物抗病育種重要的潛在抗病資源，是抗病研究的熱點之一。本文就非寄主抗性的遺傳研究和抗性機理研究進行了概述，并分析了植物非寄主抗性研究所面臨的困難以及今后的發展前景。

關鍵詞： 植物；非寄主抗性；質量性狀遺傳；數量性狀遺傳

中圖分類號： S432.2+3 文獻標識號：A 文章編號： 1001 - 4942（2014）08 - 0142 - 05

Advances in Research of Genetics and Mechanism of Non-Host Resistance in Plants

Sui Xinxia1，Guo Dong1，You Shengbo2*

（1.Crop Research Institute， Shandong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Wheat Biology and Genetic

Improvement， Ministry of Agriculture P.R China/National Engineering Laboratory for Wheat and Maize， Jinan 250100， China；

2.Bio-Tech Research Center， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan 250100， China）

Abstract Non-host resistance is the most common form of disease resistance exhibited by plant against the majority of pathogens of other species. The durable and broad-spectrum defense of non-host resistance suggests that non-host resistance in plant should be the important resource for crop disease-resistant breeding and the research hotspot of disease resistance. This review focused on genetic research and resistant mechanism of plant non-host resistance. The difficulty and future prospect of non-host resistance study were analyzed， too.

Key words Plant； Non-host resistance； Qualitative character heredity； Quantitative character heredity

自然界存在著無數的病原微生物，包括細菌、真菌、病毒等，植物在長期的進化過程中形成了一系列的防御機制，使自身免受大多數致病微生物的侵害，僅受極少數病原微生物感染。這種植物僅對個別的病原菌產生感病反應，而對絕大多數的其它物種的病原菌具有抗性，就是所謂的植物非寄主抗性（non-host resistance）。植物非寄主抗性具有持久和廣譜抗性的特點，是作物抗病育種重要的潛在抗病資源，因此植物非寄主抗性一直是抗病研究的熱點之一。非寄主抗性現象廣泛存在于自然界，被稱為植物的免疫系統。非寄主抗性的遺傳和分子機理的深入探討，對于其持久廣譜抗性在農業生產上的應用有很重要的意義。

1 植物非寄主抗性的遺傳研究

潛在的不能夠侵染某一特定的植物材料的病原微生物被稱作異源病原菌（unadapted pathogen），而該特定的植物被稱為異源病原菌的非寄主植物。非寄主植物盡管有抗病持久和廣譜的特點，但是其遺傳和分子機制仍知之甚少。為了了解非寄主植物的抗病機理，近年來，開展了關于非寄主抗性的遺傳研究，表明植物非寄主抗性也是由基因控制的，并發現非寄主抗性的遺傳機制與寄主抗性存在很大的相關性[1～4]。

1.1 非寄主抗性遺傳研究材料的類型

非寄主抗性遺傳研究最大的障礙就是需要用非寄主植物與感病材料進行雜交。通常物種間的雜交非常困難，常常發生雜交不育、異常分離等現象。但是通過一些特殊材料的利用對于植物非寄主抗性遺傳的研究具有非常重要的價值。

首先，利用種間可進行雜交的材料。例如，Jeuken等[3]利用一個寄主植物栽培甘藍 （L. sativa）與一個非寄主野生甘藍（L. saligna） 雜交，來研究野生甘藍對栽培甘藍霜霉病的非寄主抗性。像這種物種間能夠雜交的材料，對于非寄主抗性的遺傳研究和利用提供了很大的方便。但是自然界中物種間可以直接雜交的例子相對較少。

其次，利用誘變處理，篩選感病突變體。突變體的誘導和利用，在分子生物學研究中起到了非常重要的作用，一些重要抗病基因的定位、克隆和功能研究都是利用突變體來實現的。雖然現在還沒有利用這類材料進行非寄主抗病基因定位的報道，但是很多研究通過利用突變體找到了感病材料，并利用感病材料進行分子機理的研究，這些突變體材料就是很好的非寄主抗病基因遺傳定位研究的感病親本。

再次，利用植物對異源病原菌抗性程度不同的材料。在異源病原菌侵染非寄主植物時，非寄主植物的侵染所作出的抗性反應不同，巧妙地利用這種不同的反應來鑒定非寄主抗性基因，也是研究非寄主抗性的重要途徑。Shafiei等[4]研究非寄主植物擬南芥對異源病原菌的抗性時，利用2個反應不同的抗病親本組建重組近交群體，鑒定了3個與非寄主抗性有關的數量性狀抗病基因。

最后，利用近似非寄主或非嗜寄主。這類材料是在非寄主研究中應用最多的，親緣關系很近的物種的病原菌在進化過程中形成不同的致病性，寄主各不相同即形成不同的專化型，但是偶爾也會發生一個物種的病原菌侵染另一個物種極個別品種的現象，這就為非寄主抗病機理尤其是遺傳研究提供了良好的材料。比如小麥和大麥的條銹菌，分別屬于不同的專化型，彼此不能進行有性雜交，在分子水平上存在很大的差異，但是偶爾地，小麥條銹菌也會侵染個別的大麥品種，導致個別大麥品種感病，這就為我們利用大麥品種之間的雜交，去研究大麥抗小麥條銹病提供了很好的材料[1]。

1.2 非寄主抗性的數量性狀遺傳研究

非寄主抗性被稱為植物的免疫系統，病原微生物能夠侵染寄主植物，而不能夠侵染非寄主植物，是什么決定了病原菌和植物的特異性，研究其遺傳機制和生物化學本質，是最終解開非寄主抗性機制的重要途徑。非寄主抗性具有持久和廣譜抗性的特點，為非小種特異抗性，具有寄主植物抗性數量性狀的特點，因此被認為是成分復雜的多基因控制的抗性[5]。早在1984年Tosa在小麥中鑒定了4個非寄主抗性基因對冰草白粉病具有抗性[6]。隨后，Rodrigues等[7]用小麥Lemhi×Chinese166的F2群體，也鑒定到了抗大麥條銹病的2個主效非寄主抗性QTLs和2個微效非寄主抗性QTLs，利用特異的SSR標記和AFLP標記，將2個主效非寄主抗性QTLs分別定位在1D和2B染色體上，并推斷2個主效QTLs可能是小種特異抗病基因，而微效QTL可能提供非小種特異抗性。Jeuken等[3]以野生萵苣和栽培萵苣雜交，分別創建了一套回交重組自交系（BIL）和一套F2分離群體，利用兩個群體，檢測野生萵苣對栽培萵苣霜霉病的非寄主抗性遺傳，一共檢測到7個QTL控制的非寄主抗性位點，其中2個QTLs為顯性，4個QTLs為隱性位點，另外一個QTL的遺傳沒有得到確定。Jafary等[8]以3個大麥群體來研究大麥對小麥銹病的非寄主抗性遺傳，3個群體分別鑒定到3套各不相同但又少部分重疊的QTLs對小麥條銹病具有非寄主抗性，比較這些QTLs表明，多種不同的基因對銹病產生非寄主抗性，而且這些位點與大麥抗寄主銹病的位點有很大的相關性。以上這些研究充分表明，數量性狀控制的多基因抗性是植物非寄主抗性的重要遺傳機制。

1.3 非寄主抗性的質量性狀遺傳研究

相對于植物非寄主抗性的數量性狀遺傳研究，Niks[9]通過對銹病專化型非寄主抗性研究指出，植物非寄主抗性有很大頻率的抗性受到主效小種特異性抗病基因的控制。番茄細菌性葉斑病病原菌主要侵染馬鈴薯和番茄，在菜豆、黃豆等非寄主植物上不能引起病害，但能夠產生過敏性反應。Whalen等[10]克隆了番茄細菌性葉斑病病原菌導致過敏反應的無毒基因，并證明該基因在至少5個非寄主上能夠誘導抗性。利用菜豆不同反應型的親本組配組合，利用F2分離群體進行遺傳分析，證明該無毒基因能夠誘導菜豆的相應抗病基因，且該抗病基因為顯性單基因，由此證明非寄主菜豆的抗病性是由一個主效單基因控制的，符合基因對基因假說。Pahalawatta等[1]利用雜交組合Steptoe×Russell，研究大麥對小麥條銹病的非寄主抗性，通過對不同世代F1、BC1、F2和F3抗病性鑒定結果的分析，找到兩個抗小麥條銹病的主效基因，分別為顯性基因 RpstS1和隱性基因rpstS2。 應用RGAP技術，結合染色體特異的SSR標記，將顯性抗病基因定位在大麥4H染色體的長臂上。Pahalawatta等[2]還對小麥抗大麥條銹病基因進行了研究，利用小麥雜交組合Lemhi×PI478214的F1、F2、F3和BC1群體，鑒定了一個抗大麥條銹病的基因 RpsLem，該基因為顯性單基因，與抗小麥條銹病基因Yr21 緊密聯鎖，該基因位于1B染色體，是一小種特異的主效非寄主抗病基因。Sui等[11]利用大麥的BC1群體，定位了一個大麥抗小麥條銹病基因 YrpstY1， 該基因也是顯性單基因，位于7H染色體長臂上。Holub[12]在擬南芥 （Arabidopsis thaliana）中克隆了一個非寄主抗病基因Rac4，高抗甘藍的白銹病（Albugo candida）， 與已克隆的寄主植物抗病基因類似，具有NBS-LRR的結構特點。可見，質量性狀控制的抗病遺傳機制也是非寄主植物抗病遺傳的重要特點之一。

大量的遺傳研究表明，植物非寄主抗性與寄主植物的抗病性遺傳機制具有很大的相似性，都是由微效多基因控制的數量性狀和主效基因控制的質量性狀兩種類型的抗病基因決定的。但是為什么植物的非寄主抗性較寄主抗性能夠提供更為持久和廣譜的抗性依然是一個值得探討的問題。

2 植物非寄主抗性機理研究

植物與病原菌在共進化過程中，形成了不同層次的抗病關系，而非寄主抗性是植物防御病原菌侵染的第一道防線，病原菌只有克服了非寄主抗性，才能與植物形成寄生關系，因此在寄主植物與病原菌的相互作用中，病原菌仍然需要克服寄主植物內的各種抗性障礙，如非小種特異的抗性和小種特異的基因對基因抗性，才能最終侵染植物成為其寄主病原菌。Thordal-Christensen[13]詳細論述了非寄主植物抗性的形成過程，認為病原菌只有征服了5個防御障礙才能侵染寄主植物，否則只能是異源病原菌。

非寄主植物的第一個障礙就是植物誘導的細胞分化和基本致病基因的表達。比如對大麥白粉病研究表明，植物表面的蠟質成分對于激活附著孢的分化和發育非常重要，因此蠟質成分很可能決定了其是寄主植物還是非寄主植物。

第二個障礙是被稱為第一道防線的預存結構和物質，植物的細胞骨架作為天然屏障可以阻止多數病原菌的入侵。研究證明，植物的肌動蛋白微纖絲在抵御病原菌的穿透中起作用，其功能的喪失會導致植物非寄主抗性的喪失。用細胞松弛素A處理大麥葉鞘細胞后，異源真菌包括豌豆白粉病、小麥白粉病、麥白粉病等的病原菌都可以穿透這些植物的細胞，可見植物的細胞骨架在非寄主抗性中起重要作用。此外，植物可以組成性地產生許多抗病原菌的酶類和次級代謝物，這些代謝物可以作為抵御微生物侵染的抗菌劑。如：皂角苷是具有抗菌活性的糖基化三萜化合物、類固醇或甾醇類分子。皂角苷在植物中是組成性表達的，病原菌的侵染也可以誘導其表達。小麥全蝕病病原菌能侵染寄主植物小麥，但是不能侵染非寄主燕麥，因為燕麥可以產生根部特異的燕麥堿（三萜類皂苷）。而燕麥的突變體 sad 由于缺乏或只產生少量的燕麥堿，喪失了對小麥全蝕病菌的非寄主抗性。

第三道障礙是病原菌相關分子模式誘導的防御反應。在植物與病原菌的相互作用中，異源病原菌和寄主病原菌各自產生不同的激發子（elicitors），抗性機制受兩種病原菌誘導。鞭毛蛋白是細菌鞭毛產生的蛋白質，就是一種激發子。鞭毛蛋白能夠激活由鞭毛蛋白不敏感因子2（FLS2）、富亮氨酸重復（LRR）受體激酶和分裂素激活蛋白激酶參與的級聯反應來誘導植物的防御機制。還有的激發子在病原菌的細胞壁酶解時被釋放，這類激發子包括寡聚幾丁質和葡聚糖等。這些激發子由病原菌細胞壁釋放，激活植物組織的抗微生物蛋白和植物抗毒素，這些普遍存在的激發子對植物是必不可少的，植物在與微生物的相互作用中識別它們，并誘導產生抗性，這種植物的防御機制主要是通過數量性狀的方式阻止病原菌的繁殖。

普遍性的激發子誘導的結構性防御障礙典型的例子就是乳突的形成。作為防御堡壘的乳突在植物細胞壁內部病原菌侵染初形成，在白粉病的研究中乳突的防御機制研究的非常透徹。在大麥寄主抗性中，大麥抗病基因 mlo 對抗大麥白粉病就是靠乳突的形成產生了非常強的抗性。乳突形成在非寄主抗性中也是非常重要的。野生類型的擬南芥對非寄主白粉病抗性反應中80%的分生孢子在乳突形成處受到抑制而停止生長。

第四個障礙是營養吸收抑制。在大麥白粉病病原菌侵染擬南芥的非寄主抗性反應中，白粉病病原菌在表皮細胞內形成吸器，但是由于受到其他機制的抑制不能得到足夠的營養而停止發育，這類營養抑制型的障礙是異源病原菌成功侵染后的一道防御機制，是病原菌與植物共進化過程中形成的。

第五道障礙是非寄主植物與病原菌基于基因對基因反應的抗性。對應于病原微生物的無毒基因，非寄主植物存在與其相互作用的抗病基因，通過這種特異的相互作用的抗病性是非寄主抗性的最后一道防線。

第六道障礙即寄主植物的抗性。病原微生物與植物相互作用的進化過程中，克服了前五個障礙后，形成了寄主關系，但是此時的病原菌仍然受到種內品種水平抗性基因的抑制，即所謂的寄主植物抗病基因（host resistance）的抗性。

3 非寄主抗性的應用及存在問題

3.1 植物非寄主抗性的應用

非寄主抗性是最普遍的植物抗性，具有高效持久的特點，因此在農作物的品種改良上有重要的應用價值。許多抗病基因都來源于非寄主抗性，并在生產上發揮了極其重要的作用。小麥1B/1R 易位系具有豐產、抗病的特性，在中國乃至世界小麥育種史上具有重要的意義，其抗病基因 Yr9 就是一個來源于黑麥的非寄主抗性基因[15]。來自一年生簇毛麥的小麥抗白粉病基因 Pm21 自通過遠緣雜交手段轉移到小麥中已經接近20年，至今仍然是小麥白粉病抗性最強、抗譜最廣的抗病基因[16，17]。

3.2 植物非寄主抗性研究中的問題及展望

盡管近年來對非寄主抗性的研究已經取得了一些進展， 然而與寄主抗性相比， 進展仍然較為緩慢。其中一個重要原因是非寄主抗性具有多基因特性以及遺傳機制復雜及參與多種獨特過程，對其內在機制了解還比較少，在某些情況下有 R 基因參與。目前已經知道了一些非寄主抗性元件，任何一個元件發生突變就會失去非寄主抗性，但還不能完全解釋復雜的非寄主抗性現象。

很多證據表明植物和動物一樣體內存在免疫系統，從SNARE 蛋白家族來進一步研究動植物差異可能會發現動植物免疫系統的區別和聯系。隨著功能基因組的開展，大規模基因分析技術如基因芯片技術、VIGS 等的應用，能夠更加全面地鑒定非寄主抗性系統各信號元件，揭示非寄主抗性的分子機制，并利用非寄主抗性更好地為農業生產服務。

參 考 文 獻：

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