馬鈴薯晚疫病數(shù)量抗性相關(guān)基因的鑒定及功能驗(yàn)證.pdf

1、馬鈴薯(Solanum tuberosum L.)原產(chǎn)自南美洲安第斯山脈一帶，是世界上第四大重要糧食作物。馬鈴薯在人類消費(fèi)和工業(yè)用途（主要是淀粉產(chǎn)業(yè)）都起著重要作用。然而，馬鈴薯容易受到各種病害感染，每年都會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。導(dǎo)致愛爾蘭馬鈴薯大饑荒的元兇Phytophthorainfestans所引起的晚疫病是其中最具毀壞性的病害之一。在過去的幾十年間，許多抗病（R）基因已經(jīng)被克隆，其中有些R基因通過有性雜交的方式滲入到一些馬鈴薯栽培種

2、中。然而人們發(fā)現(xiàn)這些滲入R基因的馬鈴薯栽培種的抗性不能持續(xù)很久。有時(shí)新品種還沒來得及得到商業(yè)推廣，抗性就已經(jīng)被快速進(jìn)化的晚疫病病原菌攻破。所以我們不能只依靠單個(gè)的R基因，尋找更有效地提供持久抗性的方法迫在眉睫。
　　 盡管許多克隆的R基因已經(jīng)被晚疫病菌克服，但并不是各地都已發(fā)現(xiàn)毒性生理小種。由于R基因的抗性更強(qiáng)，適當(dāng)利用已知R基因以及快速克隆新的Rpi基因?qū)剐杂N會(huì)起到一定幫助作用。由于傳統(tǒng)抗性育種周期長(zhǎng)效率不高，育成的品種很

3、容易被快速進(jìn)化的晚疫病菌克服。令人鼓舞的是，效應(yīng)子組學(xué)近來被證明在認(rèn)識(shí)和獲得晚疫病抗性方面是一種很成功的策略。在第二章里，以“Do's and Don'ts”兩種形式在應(yīng)用效應(yīng)子組學(xué)方面提出了一些建議。簡(jiǎn)要來說，在“Do's”里總結(jié)了效應(yīng)子組學(xué)的7個(gè)優(yōu)勢(shì)，而在“Don'ts”里提出了3個(gè)在應(yīng)用效應(yīng)子組學(xué)時(shí)應(yīng)注意的方面。
　　 農(nóng)桿菌注射和PVX病毒侵染是應(yīng)用效應(yīng)子組學(xué)的兩種常規(guī)方法。在第三章里，我們闡述了這兩種方法在馬鈴薯和在本

4、氏煙草上應(yīng)用的操作方法。操作方法本身并不復(fù)雜，而對(duì)結(jié)果的分析需要更多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。我們分享了在長(zhǎng)期實(shí)踐中的一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，也討論了這兩種方法在應(yīng)用效應(yīng)子組學(xué)時(shí)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。
　　 抗性相關(guān)基因在下游信號(hào)途徑上，不直接和病原物互作。因此這類基因引起的抗性對(duì)晚疫病菌不會(huì)產(chǎn)生太大選擇壓力，抗性很有可能更為持久一些。為了鑒定馬鈴薯晚疫病重要的抗性相關(guān)基因，在本氏煙草和馬鈴薯上借助病毒介導(dǎo)的基因沉默的方法(VIGS)對(duì)63個(gè)候選基因進(jìn)行瞬時(shí)沉默

5、，緊接著取基因沉默后的葉片離體接種晚疫病病原菌進(jìn)行抗性鑒定（見第四章）。結(jié)果表明其中有兩個(gè)基因可能在調(diào)控晚疫病數(shù)量抗性上發(fā)揮功能，它們分別編碼一種脂氧合酶(EC1.13.11.12)和一種栓化作用相關(guān)的陰離子過氧化物酶。
　　 植物一般依靠?jī)蓪用庖叻磻?yīng)來抵抗病原菌。除了被病原菌克服的胞內(nèi)的R基因，在細(xì)胞膜上還有另外一層免疫機(jī)制。由于細(xì)胞膜受體能識(shí)別保守的病原分泌物（PAMPs），這類受體產(chǎn)生的抗性被認(rèn)為會(huì)更持久。在馬鈴薯和晚疫病

6、病原菌互作系統(tǒng)中，這層抗性還沒有被研究過，主要因?yàn)镻AMP誘導(dǎo)免疫反應(yīng)產(chǎn)生的數(shù)量抗性表型妨礙了用圖位克隆法去克隆細(xì)胞膜受體。而利用效應(yīng)子組學(xué)的方法，可以得到elicitin被識(shí)別的很清楚的表型。Elicitin是由晚疫病病原菌分泌的一類蛋白家族，被認(rèn)為是卵菌的相關(guān)分子模式。近期一個(gè)類受體蛋白ELR被成功地從一個(gè)馬鈴薯野生種Solanum microdontum中克隆得到，通過ELR研究了第一層免疫機(jī)制。在第5章里，對(duì)馬鈴薯栽培種Desi

7、ree的ELR轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行了超過3次的晚疫病抗性鑒定，可靠結(jié)果表明超量表達(dá)ELR能增強(qiáng)馬鈴薯對(duì)晚疫病的抗性。此外，發(fā)現(xiàn)ELR的轉(zhuǎn)基因植株能識(shí)別許多種疫霉屬病原菌分泌的elicitin產(chǎn)生免疫反應(yīng)。
　　 在第6章，進(jìn)一步研究了ELR在不同植物種類里的自然變異情況。在SolRgene網(wǎng)站的地圖中，發(fā)現(xiàn)能識(shí)別INF1的馬鈴薯野生種分布在中美和南美洲一帶。從這些野生種中成功克隆到7個(gè)直系同源基因，測(cè)序比對(duì)發(fā)現(xiàn)它們與ELR的氨基酸序列

8、高度相似。通過對(duì)這8個(gè)ELR和不同elicitin免疫反應(yīng)的分析，發(fā)現(xiàn)它們?cè)谇褜俸蜔煵輰僦械拿庖叻磻?yīng)很保守。此外，我們也證明了INF1引起的過敏反應(yīng)在馬鈴薯野生種Solanum hjertingii349-3能被AVR3a所抑制，此前這一抑制反應(yīng)曾在煙草中被報(bào)道過。這些結(jié)果都暗示了elicitin的信號(hào)途徑在茄屬和煙草屬中比較保守。這個(gè)發(fā)現(xiàn)會(huì)加速我們對(duì)馬鈴薯和其它作物中elicitin信號(hào)途徑的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而利用這層非原質(zhì)體抗性。