小麦秆锈病持久抗性

Resistance to wheat stem rust mediated by R genes 通过R基因介导的小麦秆锈病抗性
• 小麦秆锈病抗性，主要依赖于单个基因对 基因的抗性，已命名的46个小麦秆锈病抗 性基因几乎都属于这个范畴。 • 从其他的植物-病原菌的互作关系研究可 知，基因对基因抗性取决于寄主特异抗性 基因（R基因）的产物对病菌产生的相关效 应分子 (effector molecule)有效识别。
小麦秆锈菌在水稻叶片上侵染11天后的照片。红色显示在水稻叶片表面上 的孢子芽管(gt)和附着孢(ap), 绿色显示长在叶片叶肉细胞间的菌丝体(ih)
• 另一种产生抗性的可能性是，通过改变病 菌效应子的寄主靶标，从而避免病菌抑制 基础防卫反应。然而在一些病菌基因组中 鉴定出的一些潜在效应子显示出在这些效 应分子中存在显著的功能冗余。
Current Opinion in Plant Biology
2008, 11:187-192
Durable Resistance to Wheat Stem Rust Needed 小麦秆锈病持久抗性
Michael Ayliffe, Ravi Singh and Evans Lagudah
摘
要
• 与Ｒ基因作为单一的显性基因携带对单一病菌小 种的抗性不一样，APR像数量性状作用，每一个 都在抗病性中起到适度的增强作用，当它们相结 合，APR基因表现出近免疫的抗性水平，APR基 因通常在成熟植株中表现抗性而不是在苗期。
• 单个的APR基因表现出适度的发育调控的抗性和 有效抗性的遗传复杂性，与Ｒ基因相比数量性状 的APR有２个主要优点，首先抗性是对所有病菌 小种的广谱抗性；第二，APR常常持久。 • 最成功的小麦秆锈病APR基因Sr2，从1920’s利 用以来，对所有秆锈菌生理小种都有部分抗性。 Sr2对Ug99也有一定程度抗性，但是仅仅它本身 还不够有效，当它与其它几个微效基因相结合， 称为Sr2复合体时, 它表现出有效的秆锈病抗性水 平。
• 结果是育种家们继续发掘新的R基因，以使所有 的农业作物种抵抗进化中的病菌群体。通过从相 同种中未改良的材料或是有性杂交可亲和的近缘 种中引渗而得到这些新的R基因。 • 从其他禾谷类植物或草中已导入了一批秆锈病抗 性基因。为保持优良种质的优异特性，常常需要 复杂的育种和遗传操作来去除与R基因连锁的不 良性状。 • 因为不同的作物种常常易受数个病菌种侵袭，因 而需要将多个R基因聚合到单个品种中。 • 不断保持植物抗病性是很费时间和金钱的过程。
The basis of R gene transience R基因短寿的基础
• 依靠寄主单一的R基因产物识别特异、互补的病菌效 应分子产生的遗传抗性（所谓小种专化性抗性）， 在保护作物植株免受病害，包括小麦免受小麦秆锈 病危害方面已获得成功。 • 然而，利用单个R基因的缺点是这种抗性的短暂效果。 在植物R基因存在时，病菌受到强烈的选择，通过被 识别的效应分子的突变或缺失来避免寄主的识别。 通过有性世代的选择，不含能被识别的效应子基因 分离、产生了致病的秆锈菌小种。由于病菌分离物 的不断选择，通过改变或丢失效应子基因来避免寄 主识别，从而导致寄主抗性的短寿。
• 植物病菌效应分子抑制寄主基础防卫反应, 从而使病菌能侵入植物。 • 反之，寄主植物的R基因也在进化，它们的 产物分别识别专一的病菌效应子。 • R蛋白可归于下列几类，包括激酶、核苷酸 结合位点-亮氨酸富集重复蛋白（NBLRR），后者是已知R基因中最大的一类。 随着R蛋白识别出相应的病菌效应子，具有 基础防卫反应共同特性的防卫反应起作用 而抑制病菌生长。
Introduction 引言 • 农业研究的主要目的之一，是利用植物的抗病 性，保护植物生产的安全。理想的抗性：不仅有 效，而且要保持持久抗性。 • 小麦秆锈病菌Puccinia graminis f. sp. tritici 引 起小麦秆锈病，也引起大麦和黑麦秆锈病。小麦 秆锈病是小麦生产的重要威胁，因此，必须不断 选育新的抗秆锈病品种。
• 迄今, 仅分离克隆出一个植物秆锈病抗性基 因，即大麦Rpg1基因，编码蛋白激酶。 • 针对小麦叶锈菌的2个小麦R基因（Lr21、 Lr10）也被分离克隆出来，进行了定性研 究。 Lr21、Lr10都编码NB-LRR蛋白。 • 从玉米和亚麻中也分离出几个抗叶锈基 因，它们也编码NB-LRR蛋白。
• 小麦叶锈病抗性基因Lr34和Lr46基因每个 都与其它植物病害（白粉病和条锈病）的 抗性共分离，从而产生了每个APR基因可能 有效抵抗多种病害的可能性。
• 育种家们利用更复杂的策略来保持小麦的秆锈病 抗性，不再利用单一的R基因。正在选育的品 种，要具有多个APR基因的高水平抗性或者中度 抗性的APR基因与几个抗当前秆锈病菌群体有效 的R基因相结合。 • 基因累加使病菌更难于克服多种抗性，因为秆锈 病菌基因需要同时发生多个突变。
• R蛋白和病菌效应子蛋白之间已被直接检测 到体外互作，新的R基因专化性的体外进化 也可能产生抗性。 • 利用微生物双杂交系统, 筛选出能被病菌效 应分子直接识别的突变的R产物。这些潜在 的新的R基因能通过遗传转化或农杆菌瞬时 表达分析检测出来。
Learning from nature 从自然中学习
• 在品种选育中成功利用多种抗源，取决于所有小 麦育种家采用这个策略来保持用于这些累加的基 因持久性。 • 在累加中所用的基因如被一些育种家作为单个基 因利用，将可能筛选出有毒性的锈菌生理小种， 最终可能通过连续的、一步步突变而克服累加的 抗性。但是很难让所有的育种计划一致采用这种 累加策略。
Can biotechnology help? 生物技术能否帮助？
• 虽然锈菌效应子在病害发生过程中的作用还 不清楚，但已明确其他病菌效应子抑制了寄 主植物的基础保卫机制。 • 微生物具有一套高度保守的分子，称为 PAMPs（pathogen-associated molecular patterns, 病菌特异相关分子） 或者可能更正确地MAMPs（microbeassociated molecular patterns, 微生物特 异相关分子） 。 • 植物寄主能通过膜结合受体识别病菌效应子, 从而激活植物的基础防卫反应，以防止病菌 进一步发展。
Hale Waihona Puke Baidu
• 最近小麦秆锈菌的新小种Ug99的发现、爆发，以 及Ug99可侵染许多小麦推广品种的严重性，凸显 出作物需要持久抗性。 • 利用抗病数量性状基因和抗性基因累加等多种新 的育种途径，可控制小麦秆锈病和其它病害。 • 在寄主和非寄主水平上，阐明植物抗病性的分子 基础，为利用生物技术进一步解决秆锈病抗性提 供了可能性。 • 然而，由于病菌群体的不断进化，似乎难于预期 对小麦秆锈病和其它植物病菌的真正持久抗性。
• 最近出现的潜在灾难性的小麦秆锈菌小种 Ug99威胁着全球小麦生产。 • 1999年，在乌干达首次发现一个新的秆锈菌 生理小种Ug99。 • Ug99对许多小麦推广品种有致病性，甚至 能克服包括具持久抗性的Sr31基因在内的 许多秆锈病抗性基因。
• 由Ug99引起的秆锈病，可能会扩散到其 他非洲国家和进入中东，由此再扩散到亚 洲的小麦种植区。 • 在预期的迁移路线上90%以上的小麦品 种，5千万公顷或者25%的世界小麦生产 面积，都有受Ug99侵染的危险。
• 两个相对持久的小麦秆锈病抗性基因是Sr31和Sr26 。 • Sr31基因于1970s通过黑麦染色体易位导入小麦，这个基因 在印度、中国、欧洲及南美广泛利用并保持持久性，直到近 来Ug99秆锈小种爆发。很奇怪，对Sr31的毒性在乌干达出 现。在乌干达含有Sr31抗性基因的小麦很少种植，推测与 NB-LRR基因大家族共分离的抗性出现了一个基因成员可能 编码Sr31基因。 • Sr26基因从长穗偃麦草引渗到小麦，在1980s澳大利亚种植 面积超过1万公顷，迄今还没有检测到能克服该抗性的锈菌 小种，该基因对Ug99也有效。
• 在自然条件下，这种迅速的病菌进化在寄主植物 种内通过R基因产物能识别新效应子或等位基因 变异体而抵消。 • R基因通过基因内重组、基因倒置、缺失和点突 变，并经多样化选择进一步增加序列多态性，而 产生新的抗性。植物必须进化成新的R基因来防 御改变了效应子的、进化了的新的病菌小种，而 病菌因为他们已被识别而被迫改变效应子产物。
• 除了提供分子标记，生物技术为实施上述 基因累加策略提出了潜在的方法。 • 秆锈病R基因和APR基因的分离，通过共转 化或耙标结合法使多个基因在单一基因位 点自动导入小麦，随后的多基因累加体将 以单个孟德尔基因位点方式遗传，从而极 大地简化了秆锈病抗性育种。
• 近来的非寄主抗病性（nonhost resistance, NHR） 分子解释，增加了将NHR基因通过遗传转化导入， 产生寄主种抗性的可能性。 • NHR保护大多数植物种免受大多数潜在病菌侵染， 因而将大多数病菌限制到仅仅侵染少数植物种。 例如小麦、大麦和黑麦都是小麦秆锈病菌（P. graminis f. sp. tritici）的寄主，而非 tritici成员，如玉米、水稻和高粱则不是其寄主。
• 对于这些长寿的R基因的分子基础的深入了解， 可能提供对持久抗性的新见解，特别是明确被这 些基因识别的病菌分子的特性，可能鉴定出不易 丧失或替换的效应子。例如Rpg1蛋白不是一个结 构上新的R蛋白，所以它的持久性可能在于其识 别锈菌效应子的内在特性及分子的保守性。
Conclusions 结论
• 植物和病菌的协同进化是一个复杂的连续过程，涉及 寄主的识别和病菌的逃避多个层面。 • 现代农作物和野生植物群体面对不断进化的病菌群 体，需要挖掘新的抗性资源，正如近来在小麦和小麦 秆锈病中看到的。 • 利用APR和R基因累加的改良育种策略能加强抗性持 久性，但是采用这个策略的限度减弱了该途径的有效 性。 • 潜在的生物技术途径通过综合R基因和挖掘NHR基因 增加了持久抗病性的希望。 • 抗性基因的多样性在保护必要的粮食作物上继续起到 重要作用。然而，由于新的病菌突变体的不断进化， 真正的持久抗性近期似乎不可预期。
• 在大多数情况下，R基因的农艺寿命短暂，因为 它们不能识别新出现的病菌生理小种，当然也有 几个秆锈病抗性基因是例外。 • 大麦Rpg1秆锈抗性在北美已保持了50多年的持 久抗性，在这个期间鉴定到一些秆锈菌小种能克 服其抗性，但从未在田间流行。Rpg1基因编码 丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，在受到具有匹配的效 应子基因的秆锈菌侵染时，在受侵染的组织中蛋 白激酶经蛋白体被降解。
• 2006年，在肯尼亚鉴定出Ug99的一个突变小 种，能克服秆锈病抗性基因Sr24，从而可侵染 更多的小麦推广品种。
在肯尼亚, Ug99秆锈菌小种的突变体能侵染含有Sr24基因 的小麦植株,大的菌斑显示Ug99的突变体已克服Sr24的抗 性,小的菌斑显示被Sr24抑制的Ug99侵染所致。
• 这篇综述详细介绍了提高小麦对秆锈病持 久抗性的方法。这些方法也可以应用于由 条锈病菌和叶锈病菌引起的小麦条锈病和 叶锈病抗性育种。
Breeding approaches for increasing the durability of stem rust resistance in wheat 增强小麦秆锈病持久抗性的育种途径
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APR: 与R基因不同的另一类小麦秆锈病抗性基 因被称为成株抗性基因（adult plant resistance genes，APR）或慢锈性抗病基因。
• NHR转导的广泛应用性仍未确定，特别是在有性 杂交不亲和的植物种间。种间R基因的转导获得 了适度的成功。 • 近来，确定谷类锈病包括小麦秆锈病能侵染水 稻，并产生植物侵入的所有必要侵染结构。一些 侵染点变大，包围许多叶肉细胞。观察到水稻 NHR对小麦秆锈病侵染力的遗传变异，表明这是 一种遗传上可控制的NHR系统。