植物非寄主抗性的遗传与机理研究进展

隋新霞等

摘 要： 植物的非寄主抗性是自然界存在的最为广泛的植物对外界病原微生物所具有的抗性，是植物的免疫系统。植物非寄主抗性具有持久和广谱抗性的特点，是作物抗病育种重要的潜在抗病资源，是抗病研究的热点之一。本文就非寄主抗性的遗传研究和抗性机理研究进行了概述，并分析了植物非寄主抗性研究所面临的困难以及今后的发展前景。

关键词： 植物；非寄主抗性；质量性状遗传；数量性状遗传

中图分类号： S432.2+3 文献标识号：A 文章编号： 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

自然界存在着无数的病原微生物，包括细菌、真菌、病毒等，植物在长期的进化过程中形成了一系列的防御机制，使自身免受大多数致病微生物的侵害，仅受极少数病原微生物感染。这种植物仅对个别的病原菌产生感病反应，而对绝大多数的其它物种的病原菌具有抗性，就是所谓的植物非寄主抗性（non-host resistance）。植物非寄主抗性具有持久和广谱抗性的特点，是作物抗病育种重要的潜在抗病资源，因此植物非寄主抗性一直是抗病研究的热点之一。非寄主抗性现象广泛存在于自然界，被称为植物的免疫系统。非寄主抗性的遗传和分子机理的深入探讨，对于其持久广谱抗性在农业生产上的应用有很重要的意义。

1 植物非寄主抗性的遗传研究

潜在的不能够侵染某一特定的植物材料的病原微生物被称作异源病原菌（unadapted pathogen），而该特定的植物被称为异源病原菌的非寄主植物。非寄主植物尽管有抗病持久和广谱的特点，但是其遗传和分子机制仍知之甚少。为了了解非寄主植物的抗病机理，近年来，开展了关于非寄主抗性的遗传研究，表明植物非寄主抗性也是由基因控制的，并发现非寄主抗性的遗传机制与寄主抗性存在很大的相关性[1～4]。

1.1 非寄主抗性遗传研究材料的类型

非寄主抗性遗传研究最大的障碍就是需要用非寄主植物与感病材料进行杂交。通常物种间的杂交非常困难，常常发生杂交不育、异常分离等现象。但是通过一些特殊材料的利用对于植物非寄主抗性遗传的研究具有非常重要的价值。

首先，利用种间可进行杂交的材料。例如，Jeuken等[3]利用一个寄主植物栽培甘蓝 （L. sativa）与一个非寄主野生甘蓝（L. saligna） 杂交，来研究野生甘蓝对栽培甘蓝霜霉病的非寄主抗性。像这种物种间能够杂交的材料，对于非寄主抗性的遗传研究和利用提供了很大的方便。但是自然界中物种间可以直接杂交的例子相对较少。

其次，利用诱变处理，筛选感病突变体。突变体的诱导和利用，在分子生物学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变体来实现的。虽然现在还没有利用这类材料进行非寄主抗病基因定位的报道，但是很多研究通过利用突变体找到了感病材料，并利用感病材料进行分子机理的研究，这些突变体材料就是很好的非寄主抗病基因遗传定位研究的感病亲本。

再次，利用植物对异源病原菌抗性程度不同的材料。在异源病原菌侵染非寄主植物时，非寄主植物的侵染所作出的抗性反应不同，巧妙地利用这种不同的反应来鉴定非寄主抗性基因，也是研究非寄主抗性的重要途径。Shafiei等[4]研究非寄主植物拟南芥对异源病原菌的抗性时，利用2个反应不同的抗病亲本组建重组近交群体，鉴定了3个与非寄主抗性有关的数量性状抗病基因。

最后，利用近似非寄主或非嗜寄主。这类材料是在非寄主研究中应用最多的，亲缘关系很近的物种的病原菌在进化过程中形成不同的致病性，寄主各不相同即形成不同的专化型，但是偶尔也会发生一个物种的病原菌侵染另一个物种极个别品种的现象，这就为非寄主抗病机理尤其是遗传研究提供了良好的材料。比如小麦和大麦的条锈菌，分别属于不同的专化型，彼此不能进行有性杂交，在分子水平上存在很大的差异，但是偶尔地，小麦条锈菌也会侵染个别的大麦品种，导致个别大麦品种感病，这就为我们利用大麦品种之间的杂交，去研究大麦抗小麦条锈病提供了很好的材料[1]。

1.2 非寄主抗性的数量性状遗传研究

非寄主抗性被称为植物的免疫系统，病原微生物能够侵染寄主植物，而不能够侵染非寄主植物，是什么决定了病原菌和植物的特异性，研究其遗传机制和生物化学本质，是最终解开非寄主抗性机制的重要途径。非寄主抗性具有持久和广谱抗性的特点，为非小种特异抗性，具有寄主植物抗性数量性状的特点，因此被认为是成分复杂的多基因控制的抗性[5]。早在1984年Tosa在小麦中鉴定了4个非寄主抗性基因对冰草白粉病具有抗性[6]。随后，Rodrigues等[7]用小麦Lemhi×Chinese166的F2群体，也鉴定到了抗大麦条锈病的2个主效非寄主抗性QTLs和2个微效非寄主抗性QTLs，利用特异的SSR标记和AFLP标记，将2个主效非寄主抗性QTLs分别定位在1D和2B染色体上，并推断2个主效QTLs可能是小种特异抗病基因，而微效QTL可能提供非小种特异抗性。Jeuken等[3]以野生莴苣和栽培莴苣杂交，分别创建了一套回交重组自交系（BIL）和一套F2分离群体，利用两个群体，检测野生莴苣对栽培莴苣霜霉病的非寄主抗性遗传，一共检测到7个QTL控制的非寄主抗性位点，其中2个QTLs为显性，4个QTLs为隐性位点，另外一个QTL的遗传没有得到确定。Jafary等[8]以3个大麦群体来研究大麦对小麦锈病的非寄主抗性遗传，3个群体分别鉴定到3套各不相同但又少部分重叠的QTLs对小麦条锈病具有非寄主抗性，比较这些QTLs表明，多种不同的基因对锈病产生非寄主抗性，而且这些位点与大麦抗寄主锈病的位点有很大的相关性。以上这些研究充分表明，数量性状控制的多基因抗性是植物非寄主抗性的重要遗传机制。

1.3 非寄主抗性的质量性状遗传研究

相对于植物非寄主抗性的数量性状遗传研究，Niks[9]通过对锈病专化型非寄主抗性研究指出，植物非寄主抗性有很大频率的抗性受到主效小种特异性抗病基因的控制。番茄细菌性叶斑病病原菌主要侵染马铃薯和番茄，在菜豆、黄豆等非寄主植物上不能引起病害，但能够产生过敏性反应。Whalen等[10]克隆了番茄细菌性叶斑病病原菌导致过敏反应的无毒基因，并证明该基因在至少5个非寄主上能够诱导抗性。利用菜豆不同反应型的亲本组配组合，利用F2分离群体进行遗传分析，证明该无毒基因能够诱导菜豆的相应抗病基因，且该抗病基因为显性单基因，由此证明非寄主菜豆的抗病性是由一个主效单基因控制的，符合基因对基因假说。Pahalawatta等[1]利用杂交组合Steptoe×Russell，研究大麦对小麦条锈病的非寄主抗性，通过对不同世代F1、BC1、F2和F3抗病性鉴定结果的分析，找到两个抗小麦条锈病的主效基因，分别为显性基因 RpstS1和隐性基因rpstS2。 应用RGAP技术，结合染色体特异的SSR标记，将显性抗病基因定位在大麦4H染色体的长臂上。Pahalawatta等[2]还对小麦抗大麦条锈病基因进行了研究，利用小麦杂交组合Lemhi×PI478214的F1、F2、F3和BC1群体，鉴定了一个抗大麦条锈病的基因 RpsLem，该基因为显性单基因，与抗小麦条锈病基因Yr21 紧密联锁，该基因位于1B染色体，是一小种特异的主效非寄主抗病基因。Sui等[11]利用大麦的BC1群体，定位了一个大麦抗小麦条锈病基因 YrpstY1， 该基因也是显性单基因，位于7H染色体长臂上。Holub[12]在拟南芥 （Arabidopsis thaliana）中克隆了一个非寄主抗病基因Rac4，高抗甘蓝的白锈病（Albugo candida）， 与已克隆的寄主植物抗病基因类似，具有NBS-LRR的结构特点。可见，质量性状控制的抗病遗传机制也是非寄主植物抗病遗传的重要特点之一。

大量的遗传研究表明，植物非寄主抗性与寄主植物的抗病性遗传机制具有很大的相似性，都是由微效多基因控制的数量性状和主效基因控制的质量性状两种类型的抗病基因决定的。但是为什么植物的非寄主抗性较寄主抗性能够提供更为持久和广谱的抗性依然是一个值得探讨的问题。

2 植物非寄主抗性机理研究

植物与病原菌在共进化过程中，形成了不同层次的抗病关系，而非寄主抗性是植物防御病原菌侵染的第一道防线，病原菌只有克服了非寄主抗性，才能与植物形成寄生关系，因此在寄主植物与病原菌的相互作用中，病原菌仍然需要克服寄主植物内的各种抗性障碍，如非小种特异的抗性和小种特异的基因对基因抗性，才能最终侵染植物成为其寄主病原菌。Thordal-Christensen[13]详细论述了非寄主植物抗性的形成过程，认为病原菌只有征服了5个防御障碍才能侵染寄主植物，否则只能是异源病原菌。

非寄主植物的第一个障碍就是植物诱导的细胞分化和基本致病基因的表达。比如对大麦白粉病研究表明，植物表面的蜡质成分对于激活附着孢的分化和发育非常重要，因此蜡质成分很可能决定了其是寄主植物还是非寄主植物。

第二个障碍是被称为第一道防线的预存结构和物质，植物的细胞骨架作为天然屏障可以阻止多数病原菌的入侵。研究证明，植物的肌动蛋白微纤丝在抵御病原菌的穿透中起作用，其功能的丧失会导致植物非寄主抗性的丧失。用细胞松弛素A处理大麦叶鞘细胞后，异源真菌包括豌豆白粉病、小麦白粉病、麦白粉病等的病原菌都可以穿透这些植物的细胞，可见植物的细胞骨架在非寄主抗性中起重要作用。此外，植物可以组成性地产生许多抗病原菌的酶类和次级代谢物，这些代谢物可以作为抵御微生物侵染的抗菌剂。如：皂角苷是具有抗菌活性的糖基化三萜化合物、类固醇或甾醇类分子。皂角苷在植物中是组成性表达的，病原菌的侵染也可以诱导其表达。小麦全蚀病病原菌能侵染寄主植物小麦，但是不能侵染非寄主燕麦，因为燕麦可以产生根部特异的燕麦碱（三萜类皂苷）。而燕麦的突变体 sad 由于缺乏或只产生少量的燕麦碱，丧失了对小麦全蚀病菌的非寄主抗性。

第三道障碍是病原菌相关分子模式诱导的防御反应。在植物与病原菌的相互作用中，异源病原菌和寄主病原菌各自产生不同的激发子（elicitors），抗性机制受两种病原菌诱导。鞭毛蛋白是细菌鞭毛产生的蛋白质，就是一种激发子。鞭毛蛋白能够激活由鞭毛蛋白不敏感因子2（FLS2）、富亮氨酸重复（LRR）受体激酶和分裂素激活蛋白激酶参与的级联反应来诱导植物的防御机制。还有的激发子在病原菌的细胞壁酶解时被释放，这类激发子包括寡聚几丁质和葡聚糖等。这些激发子由病原菌细胞壁释放，激活植物组织的抗微生物蛋白和植物抗毒素，这些普遍存在的激发子对植物是必不可少的，植物在与微生物的相互作用中识别它们，并诱导产生抗性，这种植物的防御机制主要是通过数量性状的方式阻止病原菌的繁殖。

普遍性的激发子诱导的结构性防御障碍典型的例子就是乳突的形成。作为防御堡垒的乳突在植物细胞壁内部病原菌侵染初形成，在白粉病的研究中乳突的防御机制研究的非常透彻。在大麦寄主抗性中，大麦抗病基因 mlo 对抗大麦白粉病就是靠乳突的形成产生了非常强的抗性。乳突形成在非寄主抗性中也是非常重要的。野生类型的拟南芥对非寄主白粉病抗性反应中80%的分生孢子在乳突形成处受到抑制而停止生长。

第四个障碍是营养吸收抑制。在大麦白粉病病原菌侵染拟南芥的非寄主抗性反应中，白粉病病原菌在表皮细胞内形成吸器，但是由于受到其他机制的抑制不能得到足够的营养而停止发育，这类营养抑制型的障碍是异源病原菌成功侵染后的一道防御机制，是病原菌与植物共进化过程中形成的。

第五道障碍是非寄主植物与病原菌基于基因对基因反应的抗性。对应于病原微生物的无毒基因，非寄主植物存在与其相互作用的抗病基因，通过这种特异的相互作用的抗病性是非寄主抗性的最后一道防线。

第六道障碍即寄主植物的抗性。病原微生物与植物相互作用的进化过程中，克服了前五个障碍后，形成了寄主关系，但是此时的病原菌仍然受到种内品种水平抗性基因的抑制，即所谓的寄主植物抗病基因（host resistance）的抗性。

3 非寄主抗性的应用及存在问题

3.1 植物非寄主抗性的应用

非寄主抗性是最普遍的植物抗性，具有高效持久的特点，因此在农作物的品种改良上有重要的应用价值。许多抗病基因都来源于非寄主抗性，并在生产上发挥了极其重要的作用。小麦1B/1R 易位系具有丰产、抗病的特性，在中国乃至世界小麦育种史上具有重要的意义，其抗病基因 Yr9 就是一个来源于黑麦的非寄主抗性基因[15]。来自一年生簇毛麦的小麦抗白粉病基因 Pm21 自通过远缘杂交手段转移到小麦中已经接近20年，至今仍然是小麦白粉病抗性最强、抗谱最广的抗病基因[16，17]。

3.2 植物非寄主抗性研究中的问题及展望

尽管近年来对非寄主抗性的研究已经取得了一些进展， 然而与寄主抗性相比， 进展仍然较为缓慢。其中一个重要原因是非寄主抗性具有多基因特性以及遗传机制复杂及参与多种独特过程，对其内在机制了解还比较少，在某些情况下有 R 基因参与。目前已经知道了一些非寄主抗性元件，任何一个元件发生突变就会失去非寄主抗性，但还不能完全解释复杂的非寄主抗性现象。

很多证据表明植物和动物一样体内存在免疫系统，从SNARE 蛋白家族来进一步研究动植物差异可能会发现动植物免疫系统的区别和联系。随着功能基因组的开展，大规模基因分析技术如基因芯片技术、VIGS 等的应用，能够更加全面地鉴定非寄主抗性系统各信号元件，揭示非寄主抗性的分子机制，并利用非寄主抗性更好地为农业生产服务。

参 考 文 献：

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