植物抗病基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、抗性表達(dá)遺傳機(jī)理和進(jìn)化20112010661抗病基因（R）概念從廣義上講植物抗病基因(resistancegene)與防御反應(yīng)基因(defensegene)都是在植物抗病反應(yīng)過程中起抵抗病菌侵染及擴(kuò)展的有關(guān)基因。所謂抗病基因所指的與病原菌無毒基因相對應(yīng)的，存在于植物特定品種中，在植物生長的整個周期或其中某個階段為組成型表達(dá)的植物抗病品種所特有的一類基因。植物防御反應(yīng)基因的特點(diǎn)是，在抗病和感病品種中均存在，其差異主要體現(xiàn)在基因表達(dá)的時間、空間及產(chǎn)物含量的不同，為組成型或誘導(dǎo)型表達(dá)的一類基因。2抗病基因的抗病機(jī)理一、基因?qū)蚣僬fFlor(1971)根據(jù)亞麻對銹菌小種特異抗性的研究提出了基因?qū)蚣僬f。其基本內(nèi)容是：病原體與寄主的關(guān)系分親和與不親和兩種類型，親和與不親和病原體分別含毒性基因(VIR)和無毒基因(AVR)，親和與不親和寄主分別含感病基因(r)和抗病基因(R)。當(dāng)攜AVR基因的病原體與攜R基因的寄主互作時，二者表現(xiàn)不親和，即寄主表現(xiàn)抗病性；其他3種組合則表現(xiàn)為親和，即寄主感病。3抗病基因的抗病機(jī)理二、激發(fā)子/受體模型(elicitor-receptormodel)激發(fā)子/受體模型是從基因?qū)蚣僬f發(fā)展而來的。該模型認(rèn)為：病原體的AVR基因直接或間接地編碼一種配體(激發(fā)子)，它與R基因編碼的產(chǎn)物(受體)相互作用，從而觸發(fā)受侵染部位細(xì)胞內(nèi)的信號傳遞過程，激活其他防衛(wèi)基因的表達(dá)，產(chǎn)生超敏反應(yīng)。例如，擬南芥抗病基因Rps2編碼的受體蛋白與病原體無毒基因AVRRps2編碼的蛋白(激發(fā)子)相互識別，產(chǎn)生傳遞信號，引起活性氧中間體的大量聚集，激活其他防衛(wèi)基因的表達(dá)，導(dǎo)致超敏反應(yīng)，在病原體侵染部位出現(xiàn)枯死斑點(diǎn)癥狀，使植物獲得抗性。4抗病基因的抗病機(jī)理三、防衛(wèi)假說(guardhypothesis)防衛(wèi)假說認(rèn)為：在病原體侵染植物并營造適合其生長的有利環(huán)境時，病原體把植物體內(nèi)的一種蛋白——衛(wèi)兵(guardee)作為靶子并加以改變，這種改變是植物受到病原體侵害的信號。植物抗病基因蛋白(guard)能檢測到這種信號——植物衛(wèi)兵蛋白的改變，其途徑可能是通過檢測植物衛(wèi)兵蛋白與病原體毒蛋白形成的復(fù)合體。當(dāng)植物抗病基因蛋白發(fā)現(xiàn)其衛(wèi)兵受到攻擊時，抗病性被觸發(fā)。這個過程可能并不需要抗病基因蛋白和無毒基因蛋白間發(fā)生直接的作用。防衛(wèi)假說中植物抗病基因蛋白不僅能識別無毒基因蛋白，而且能監(jiān)視被病原體毒性/致病蛋白作為攻擊目標(biāo)的重要植物蛋白/復(fù)合體。5抗病基因的抗病機(jī)理四、信號的產(chǎn)生和傳遞雖然三個假說的機(jī)理不同，但都認(rèn)為植物的抗病的關(guān)鍵在于植物細(xì)胞首先感知胞外信號以及通過膜傳入胞內(nèi)的信號，細(xì)胞內(nèi)信號分子集聚，進(jìn)一步引起蛋白的磷酸化/去磷酸化反應(yīng)，信號被傳遞并且放大，最終增強(qiáng)抗性基因的翻譯表達(dá)。所以植物抗病，抗病基因發(fā)揮著不可替代的作用。6抗性基因的結(jié)構(gòu)近年來，由于分子生物學(xué)的發(fā)展，有很多抗病基因已經(jīng)被克隆出來，通過序列及氨基酸比對這些抗病基因發(fā)現(xiàn)，盡管抗病（R）基因之間的序列同源性很低，但是這些R基因編碼的蛋白也具有一些相似的結(jié)構(gòu)特征.根據(jù)這些結(jié)構(gòu)特征，已經(jīng)克隆的R基因可以分為5個大類：STK，LRR-TM，NBS-LRR，LRR-TM-STK和Hml。眾多的抗病基因中，有很大一部分的抗病基因都具有核苷酸結(jié)合位點(diǎn)（NBS）、富含亮氨酸重復(fù)(LRR)和亮氨酸拉鏈（LZ）基序。先對這幾個基序的結(jié)構(gòu)作個介紹。7核苷酸結(jié)合位點(diǎn)（NBS）NBS存在于真核生物的許多蛋白中,如ATPase、延伸因子(elongationfactors)、異質(zhì)三聚體、GTP結(jié)合蛋白(Gproteins)、R基因編碼蛋白等,這些蛋白對于細(xì)胞的生長、分化、細(xì)胞骨架的形成、小泡運(yùn)輸和防御反應(yīng)都有關(guān)鍵性的作用。尤其是R基因編碼產(chǎn)物中NBS的存在，表明R基因的功能之一是磷酸化，通過磷酸化識別配體，導(dǎo)致一系列抗性反應(yīng)的發(fā)生。NBS主要氨基酸的突變可導(dǎo)致抗性的降低或消失。8核苷酸結(jié)合位點(diǎn)（NBS）NBS由三個區(qū)域組成,第一區(qū)域?yàn)榱姿峤Y(jié)合環(huán)(P-loop),又稱激酶(kinase)la,作用是結(jié)合ATP或GTP的磷酸,第二區(qū)域?yàn)榧っ?,共有特點(diǎn)是4個疏水氨基酸殘基后緊跟一個不變的帶負(fù)電荷的天冬氨酸,但在植物中,這一區(qū)域的兩邊還具有高保守的氨基酸。值得一提的是,含有TIR的R基因產(chǎn)物激酶2最后一個氨基酸殘基為天冬氨酸,而其他為色氨酸。第三區(qū)域?yàn)榧っ?a,與DNA的嘌呤或核糖結(jié)合有關(guān),通常含有一個精氨酸殘基。9(a)RPS4和RPS5中NBS結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu),顯示保守基序的位置.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是帶狀圖所示:P-loop(藍(lán)色);RNBS-A(綠);kinase-2(品紅);RNBS-B(green);RNBS-C(綠);GLPL(黃);RNBS-D(綠);MHDV(橘黃).10富含亮氨酸重復(fù)(LRR)富含亮氨酸重復(fù)(LRR)因亮氨酸在這一結(jié)構(gòu)中呈規(guī)律性重復(fù)而得名。LRR存在于多種功能不同的蛋白中,與蛋白質(zhì)之間的相互作用及信號傳導(dǎo)有密切關(guān)系。在酵母、果蠅、哺乳動物、人體以及植物中均發(fā)現(xiàn)含有LRR結(jié)構(gòu)的蛋白存在。如酵母的腺苷酸環(huán)化酶、果蠅的Toll蛋白、人血清中的2-糖蛋白、豬的核糖核酸酶抑制蛋白等都含有LRR結(jié)構(gòu)。在植物中,含LRR的蛋白在細(xì)胞生長發(fā)育、抗病反應(yīng)過程中起著重要作用,主要有類受體蛋白激酶、R基因編碼蛋白和多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白。11R基因編碼蛋白所含的LRR結(jié)構(gòu)可大至分為兩大類:一類是定位于胞外的LRR,如Cf-2,Cf-4,Cf-5,Cf-9,Xa21;另一類是初步定位于細(xì)胞質(zhì)的LRR,主要見于含有NBS的R基因產(chǎn)物中。除甜菜的Hs1Pro-1的LRR比較接近于胞質(zhì)LRR外,胞質(zhì)LRR與胞外LRR在重復(fù)數(shù)和結(jié)構(gòu)上都有明顯的區(qū)別。從重復(fù)數(shù)上看,胞外LRR的重復(fù)數(shù)一般較高,最高可達(dá)38個重復(fù),如Cf-2基因。重復(fù)單位一般為24個氨基酸殘基,并且絕大多數(shù)重復(fù)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)完整。而胞內(nèi)LRR重復(fù)數(shù)一般僅有14個左右,個別也有21和28的。有趣的是,這些重復(fù)數(shù)均為7的倍數(shù),重復(fù)單位所含的氨基酸殘基數(shù)雖然也大約為24,但為不完整重復(fù)。從結(jié)構(gòu)上看,胞外LRR第14位上的殘基為甘氨酸,這是其位于胞外的重要特征,另外第17位上的殘基為脯氨酸。富含亮氨酸重復(fù)(LRR)12從豬核糖核酸酶抑制蛋白晶體立體結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn),每個LRR的該部分構(gòu)成了一個短的β-折疊片,而其下游的氨基酸殘基構(gòu)成了α-螺旋,所有重復(fù)的β-折疊片平行于共同的軸心,形成一個非球狀的馬蹄形結(jié)構(gòu)。在這一結(jié)構(gòu)中,保守的亮氨酸殘基形成疏水的核心,而其它非保守的氨基酸殘基暴露于馬蹄形外周而形成了配體結(jié)合表面。R基因LRR的結(jié)構(gòu)與之相似,這使我們在一定程度上能夠從分子上解釋“基因?qū)颉钡南嗷プ饔?即保守的亮氨酸形成疏水的與無毒基因編碼蛋白配體結(jié)合的結(jié)構(gòu),而非保守區(qū)決定了與配體結(jié)合的特異性。富含亮氨酸重復(fù)(LRR)13根據(jù)擬南芥抗病原菌假單胞菌丁香蛋白5（RPS5）中的LRR預(yù)測的LRR域結(jié)構(gòu)(a)一個代表性的RPS5LRR域的結(jié)構(gòu)預(yù)測。β-折疊形成凹臉的“馬蹄形”由箭頭所示。保守脂肪殘留由藍(lán)色表示。N,氨基末端;C,羧基末端.(b)在12個核心蛋白聚糖中富含亮氨酸重復(fù)的比對結(jié)果和在RPS5中13重復(fù)以及氨基端的9個氨基酸。保守脂肪殘留，以藍(lán)色顯示。富含亮氨酸重復(fù)(LRR)14亮氨酸拉鏈（LZ）LZ存在于一些寡聚蛋白中,許多DNA結(jié)合蛋白就含有LZ。LZ中每7個氨基酸殘基構(gòu)成一個重復(fù),第7位置上的殘基為(異)亮氨酸。這些(異)亮氨酸在蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)中形成α-螺旋的疏水脊,在疏水交互作用下,兩個LZ中的(異)亮氨酸殘基形似拉鏈,將其所在的亞基聚合成多聚體。由于LZ的獨(dú)特的拉鏈結(jié)構(gòu),從而有利于蛋白質(zhì)的二聚化、三聚化,并促進(jìn)蛋白質(zhì)之間的特異相互作用。15根據(jù)結(jié)構(gòu)特征對R基因的分類

1)絲氨酸/蘇氨酸蛋白質(zhì)激酶域（STK）

R基因如番茄Pto基因，其產(chǎn)物是一個沒有LRR結(jié)構(gòu)域，位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的典型的絲氨酸-蘇氨酸激酶(Ser-Thrkinase)，該激酶在抗病反應(yīng)信號傳導(dǎo)中通過磷酸化其它信號分子而傳導(dǎo)信息。目前已經(jīng)有證據(jù)表明Pto蛋白能與相應(yīng)無毒基因avrPto的產(chǎn)物相互作用。162）LRR-TM(富亮氨酸重復(fù)跨膜受體蛋白)LRR-TM類基因是植物應(yīng)答病原菌侵染重要的受體類抗病基因，該類基因相對保守且以基因簇的形式存在，通常編碼一類跨膜受體蛋白(Receptorlikeproteins,RLPs)，編碼蛋白由6個保守的結(jié)構(gòu)域組成。17結(jié)構(gòu)域A是N端信號肽，結(jié)構(gòu)域B由N端成熟蛋白和一個亮氨酸拉鏈LZ基序組成。結(jié)構(gòu)域C由數(shù)量不等的LRR重復(fù)單元組成，具有LxxLxxLxxLxLxx(N/C/T)x(x)LxGxIPxx。保守序列中，保守的Gly是胞外LRR的重要標(biāo)志。該結(jié)構(gòu)域參與蛋白質(zhì)的相互作用和配體識別，不同基因N端胞外結(jié)構(gòu)域LRR重復(fù)單元的數(shù)量與不同病原菌生理小種激發(fā)子的識別特異性有關(guān)，它能夠直接或間接識別病原菌的激發(fā)子而激活寄主的抗病信號傳導(dǎo)及防衛(wèi)反應(yīng)18此外結(jié)構(gòu)域C通常含有許多潛在的糖基化位點(diǎn)(Asn-X-Ser,N-X-S或Asn-X-Thr,N-X-T)，表明RLPs可能是錨定于細(xì)胞膜上的糖蛋白受體?？缒そY(jié)構(gòu)域E是由疏水性氨基酸構(gòu)成的α螺旋，兩側(cè)的結(jié)構(gòu)域則是由帶負(fù)電的胞外結(jié)構(gòu)域D和帶正電的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域F組成，這兩個結(jié)構(gòu)域?qū)Φ鞍踪|(zhì)在細(xì)胞膜上的定位和錨定起著重要的作用。結(jié)構(gòu)域F可能參與胞內(nèi)信號分子的識別與信號傳導(dǎo)，部分RLPs的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域F還含有一個YXXΦ(Φ為帶有疏水性側(cè)鏈的氨基酸)胞吞信號，它能夠激發(fā)受體介導(dǎo)的胞吞作用和隨后對受體復(fù)合物的降解作用。193)NBS-LRR類R基因的共同特點(diǎn)：在它們編碼蛋白的近N端處存在著核苷酸結(jié)合位點(diǎn)(nucleotidebindingsite，NBS)。而在它們的近C端則存在著富含亮氨酸的重復(fù)序列(leucine-richrepeat，LRR)。LRR是蛋白與蛋白相互作用的一種典型結(jié)構(gòu)，它是由十多個β折疊-環(huán)-α螺旋基本單位串聯(lián)形成的空間構(gòu)型，呈蹄鐵(horseshoe)狀的結(jié)構(gòu)。20這些膜受體的LRR結(jié)構(gòu)伸展于細(xì)胞外，蹄鐵狀結(jié)構(gòu)的凹陷處便是結(jié)合多樣性配體的部位。該類R基因又可分成3個亞類，即LZ—NBS—LRR亞類，如RPS2、PRS5、RPP8、RPP13、RPM1、Rx2、Prf、Mi基因；TIR-NBS-LRR亞類，如RPS4、RPP5、N、L6、L11、M基因：NBS-LRR亞類，如l2、Xa1、Pib、Bs2、Cre3基因。21NBS-LRR類,位于胞內(nèi)。多數(shù)R蛋白都可歸為這類。許多NBS域具有ATP或GTP結(jié)合活性,能水解ATP,并可通過磷酸化和去磷酸化調(diào)節(jié)蛋白的識別功能,而且它具有一些非常保守的氨基酸序列,被廣泛用于R基因家族的分類研究,所以可認(rèn)為NBS域?qū)?yīng)的DNA序列區(qū)應(yīng)同樣具有保守性,可用已有R基因的保守序列設(shè)計(jì)引物進(jìn)行抗病基因類似物(RGA)的克隆。22植物NBS-LRR類蛋白法通過信信號網(wǎng)絡(luò)途徑，并誘發(fā)了一系列植物防衛(wèi)反應(yīng)，如過氧化酶的激活，絲裂原相關(guān)蛋白激酶級聯(lián)反應(yīng)，誘導(dǎo)活化病程相關(guān)基因，在擬南芥中，至少有三個單獨(dú)的信號傳導(dǎo)途徑由NBS-LRR類蛋白激活。234)LRR-TM-STK類R基因，如水稻抗白葉枯病基因Xa21編碼的蛋白是一類受體蛋白激酶，它既含有與Cf-9蛋白相似的胞外LRR受體結(jié)構(gòu)域，又含有與Pto蛋白相似的胞內(nèi)PK結(jié)構(gòu)域，在這兩個區(qū)域之間存在一個跨膜區(qū)。246)Hm1類R基因?yàn)橛衩卓笻C-毒素基因Hml。玉米圓斑病菌(C.carbonum)1號小種產(chǎn)生HC-毒素，它是一個環(huán)狀的四肽。當(dāng)玉米在位點(diǎn)Hml隱性純合時，該四肽是有毒致命的。研究發(fā)現(xiàn)顯性的Hml編碼HC-毒素還原酶(HCTR)，它依賴于NADPH。雖然Hml被認(rèn)為是第1個被克隆的小種?；钥共』?，但它不是真正的抗病基因，因?yàn)樗目共∽饔貌]有一系列的信號傳導(dǎo)，HC-毒素合成也不止1個基因。該基因的克隆不僅對玉米圓斑病的防治有重大意義，且對植物抗病基因研究，尤其抗毒素研究具有重大意義25抗性表達(dá)的遺傳植物抗病性遺傳的研究是從(Biffen，1905，1912)開始的，他通過雜交試驗(yàn)證明：他試驗(yàn)所用的小麥品種對條銹病的抗病性的遺傳表現(xiàn)符合孟德爾定律、為顯性單基因遺傳。自此以后，抗病育種和抗病性遺傳方式的研究逐步開展?？剐员磉_(dá)的遺傳可分為三個方面：主效基因、微效基因和胞質(zhì)遺傳。26一、主效基因的遺傳主效基因抗病性大多都是垂直抗病性。抗病性程度一般均較高，多能達(dá)高抗或免疫。一般的抗病性篩選所選得的抗病基因大多均屬主效基因。它們多數(shù)在幼苗期就能表現(xiàn)出抗病性，所以可進(jìn)行苗期鑒定，便于篩選，它們的遺傳較簡單，便于選育和穩(wěn)定，所以為抗病育種所使用。它的遺傳有以下幾個特點(diǎn)。271．顯隱性已研究報(bào)道的植物主效基因抗病性大多數(shù)均為單基因顯性，即抗病性等位基因中有抗病表型效應(yīng)的基因?yàn)轱@性，寫作R，決定感病的為隱性，r，基因型RR和Rr均抗病，只有rr感病。在很多重要作物病害中都已鑒定出了不少這種抗病基因，在同一植物中已發(fā)現(xiàn)了多個基因。28抗病性的顯隱性，有時還因環(huán)境條件而定。如豌豆對菜豆黃花葉病毒抗病基因的雜合植株在18℃下抗病，而在27℃下則表現(xiàn)感病。有些抗病性基因有劑量效應(yīng)。如玉米抗大斑病基因Ht，其純合雙倍體HtHt比雜合體Htht抗病性強(qiáng)一些，而三倍體HtHtHt、四倍體HtHtHtHL的抗病程度更依次增強(qiáng)。顯性效應(yīng)還有時因其遺傳背景而異。如Dyck和Samborsky(1968)，曾發(fā)現(xiàn)，在品種RedBobs的遺傳背景上，Lr的兩個等位基因Lr22，Lr24都呈完全顯性，但在另一個品種Thatcher的遺傳背景上，則Lr22呈半顯性，Lr24呈隱性292.主效基因的表型效應(yīng)多數(shù)情況下，主效基因抗病性決定著高度抗病乃至免疫的表現(xiàn)型，且同一植物的各個抗病基因的表型效應(yīng)相同。但也有另外一種情況，即同一種植物的不同主效基因決定著抗病程度不同的表現(xiàn)型。多數(shù)主效基因控制著植株生育全期的抗病性，但有些只能控制一定階段的抗病性。303．復(fù)等位性(multiplealleles)亞麻對銹病的抗病性基因已鑒定出26個，但位點(diǎn)(Locus)只有5個，名為L、M、N、P，K，在L位點(diǎn)上等位因子有12個之多，L2、L3、……等即是位于l位點(diǎn)上的等位因子。M，N，P上分別有6、3、4個等位因子。復(fù)等位因子限制了把不同抗病基因集中到一個雙倍體中去的數(shù)目，最多兩個。314．不同位點(diǎn)的抗病基因之間的互作這種互作有上位、互補(bǔ)、抑制，修飾等。小麥對稈銹的抗病基因中，決定較高程度抗病性(反應(yīng)型0，0，)的基因和抗病性較低(2型)的基因共存于同一基因型時，表現(xiàn)型為0、0；，這就是前者的上位作用。燕麥品種Bond抗冠銹是由兩對基因互補(bǔ)來決定的，當(dāng)與感病品種雜交后，其F2的抗感分離比是9：7，只有A—B—基因型才能抗病，A—bb，aaB—，和aabb都不抗病，這就是互補(bǔ)作用。325．連鎖在植物對高級寄生物的抗病性中，一種植物對一種寄生物的抗病性基因數(shù)目常常很多，因而抗病性基因的連鎖現(xiàn)象較為常見。不同病害的抗病基因連鎖在一起對于選育兼抗品種有利，但如果一種抗病基因和另一種病害的感病基因連鎖，或者抗病性基因和某些不良農(nóng)藝性狀連鎖，則給抗病育種帶來麻煩。33二、微效基因抗病性微效基因抗病性的抗病性程度大多只是中等左右，表現(xiàn)為部分抗病性、相對抗病性，或田間抗病性、成株抗病性，且其表現(xiàn)常易受環(huán)境條件的影響而波動，在溫室或幼苗期不容易鑒定得準(zhǔn)確。其遺傳較復(fù)雜，雜交后代選拔和穩(wěn)定都較難。這些也正是它不大受喜愛的原因，它最大的或唯一的優(yōu)點(diǎn)就是它都是水平抗病性，不易“喪失”，能維持較久。它的遺傳特點(diǎn)如下：341.連續(xù)變異微效基因抗病性親本和感病親本雜交，F(xiàn)1抗病性各單株間未必一致，但大體均居于雙親平均值左右，F(xiàn)2分離呈連續(xù)變異，單株抗病性由弱到強(qiáng)種種不同，變幅頗大，基本上呈正態(tài)分布。F3仍呈連續(xù)分離，各F3家系的抗病性平均值與其母株F2單株的抗病性大體相關(guān)。植株個體的抗病性程度一般按嚴(yán)重度度量，有時也按嚴(yán)重度和反應(yīng)型的綜合指數(shù)度量。反應(yīng)型，表面上似乎是定性差別，其實(shí)相鄰兩級之間還有中間過渡類型，從0型到4型只不過是連續(xù)量變中人為給定的定性級別而已。352.遺傳力遺傳力：加性方差占表型方差的比例，從常識上可理解為子代與親代相似的程度，子代的表現(xiàn)中有多少來自親代的遺傳。其估算方法有多種，微效基因抗病性遺傳研究中常用的有親子回歸相關(guān)法、方差分析法等。例如：1967年Hooker報(bào)導(dǎo)了玉米對銹病的成株抗病性遺傳，他對65個雜交組合的親本，F(xiàn)1、F2和F3進(jìn)行了田間抗病性鑒定，結(jié)果F1抗病性平均值近于雙親值的平均，F(xiàn)2和F3群體都呈連續(xù)的數(shù)量變異，說明抗病性為微效基因遺傳。這種抗病性的遺傳力頗強(qiáng)，在45個組合中均達(dá)85％以上，表明在抗病育種中可利用。363.超親遺傳微效基因抗病性雜種后代分離中，常出現(xiàn)抗病性和感病性超過抗病親本或感病親本的個體，這種超親遺傳現(xiàn)象在馬鈴薯晚疫病、玉米銹病、小麥條銹病中均早有報(bào)道。不僅抗×感雜交后代有此現(xiàn)象，而且感病×感病的雜交后代中也可能出現(xiàn)。Sharp&Krupinsky(1979)用對小麥條銹病中度抗病甚至感病的品種作了很多組合的雜交，在不少組合都出現(xiàn)了超親遺傳，從F4中選出抗病性比雙親都強(qiáng)的選系。即便感病品種“感病品種，如果組合得宜，也有可能從其后代中選出抗病的后代。這就為微效基因抗病性育種提供了更多的可能性。374.抗病性選擇的遺傳進(jìn)度在發(fā)病均勻而充分的條件下，對微效基因抗病性雜種后代連續(xù)幾年進(jìn)行選擇，能逐代提高選系的抗病性程度。理論上，這是使抗病性微效基因不斷地、大量地進(jìn)行重組，從中選出最佳組合，實(shí)際上，多種作物的微效基因抗病育種工作中早已取得這方面的成功經(jīng)驗(yàn)。5.復(fù)合雜交和隨機(jī)多交為了能把大量的微效抗病性基因集中一起，進(jìn)行多種多樣的重組，以提高選育效果，最好進(jìn)行復(fù)合雜交和隨機(jī)多交。隨機(jī)多交是Robinson，R．A．(1976)提出的，他認(rèn)為這是水平抗病性育種所必需的作法。38三、

胞質(zhì)遺傳絕大多數(shù)抗病性都是基因決定的，即基因遺傳，少數(shù)是胞質(zhì)遺傳，抗病與否主要決定與細(xì)胞質(zhì)中的線粒體。最先發(fā)現(xiàn)的一例是玉米對小斑病菌T小種的抗病性，它主要決定于胞質(zhì)。1970年，美國玉米T小種大流行，全玉米帶因此減產(chǎn)達(dá)15%。T小種是專化于T型胞質(zhì)雄性不育系（TMS）的特殊小種，凡胞質(zhì)為T胞質(zhì)的自交系和雜交種對它都高度感病，產(chǎn)生大形萎蔫性病斑，且產(chǎn)孢甚多。具有正常胞質(zhì)(normalcytoplasm)的自交系和雜交種對它都有一定抗性，所以說抗病性是胞質(zhì)決定的。39此外，早在1969年，美國Scheifele等就曾報(bào)道過玉米對黃葉枯病(Phylloatictasp.)的抗病性是胞質(zhì)遺傳的，N胞質(zhì)抗病而T胞質(zhì)感病。過去此病從來沒有嚴(yán)重過，1968年突然嚴(yán)重流行，也是推廣T型不育系造成的。由上述兩例看來，對玉米而言，特殊的胞質(zhì)往往帶來特殊的感病性，而此時正常胞質(zhì)才顯示出它的抗病性。這種現(xiàn)象今后還會否在其它作物中出現(xiàn)，是值得注意的。40植物抗病性的變異（進(jìn)化）植物抗病性的變異，可有廣義的和狹義的兩種理解廣義：指性狀表現(xiàn)上的變化，不論它是環(huán)境引起的表型變化還是寄主基因型改變的遺傳性變異狹義：只指寄主基因型改變所致的表型變異，是嚴(yán)格的寄主遺傳性變異。今天我們討論的主要是寄主基因型的變異41一、寄主抗病性的遺傳性變異變異來源或是基因突變，或是雜交后的基因重組。變異方向或由感病到抗病，或由抗病到感病。變異可能不斷有所發(fā)生，但能否發(fā)展下去，還取決于選擇方向和壓力。其具體情況又因主效基因和微效基因而有所不同。421.主效基因抗病性的變異由于大多數(shù)主效基因抗病性都為顯性，所以由抗變感RR-Rr，當(dāng)時是表現(xiàn)不出來的，要通過以后的雜交重組、產(chǎn)生雙隱性個體rr，才得表現(xiàn)。再加上突變率一般都很低，因而這種現(xiàn)象很少為人發(fā)現(xiàn)。由感變抗，則只要有病害發(fā)生，當(dāng)代就能顯露，盡管突變率很低，卻成為抗病育種中從感病品種群體篩選抗病單株的基礎(chǔ)之一。當(dāng)然，生物學(xué)混雜、天然雜交也可以使感病品種群體中出現(xiàn)少數(shù)抗病性單株。如果撇開人工有意識的單株選擇不論，只靠自然選擇和一般的人工選擇，那么，從群體看，主效基因抗病性的變異速度很慢，甚至很難覺查，對生產(chǎn)和病害防治的影響并不很大。432.微效基因抗病性的變異變異來源和主效基因抗病性相同，但其每個基因的作用很小，一個基因的突變，或基因型有所重組，其表型效應(yīng)自然比主效基因抗病性的更小。但是，從群體看，微效基因抗病性的變異卻較之前者更快一些、更明顯一些，在生產(chǎn)和病害防治中更重要一些。這是因?yàn)椋?4(1)對微效基因而言，生產(chǎn)上用的品種是嚴(yán)格的或絕對的同質(zhì)結(jié)合(homologous)純系(pureline)的很少，除非是單倍體育種得來的品種。(2)微效基因抗病性涉及廣義的抗病性，涉及的植物性狀很廣，涉及的基因數(shù)目可能很多，自發(fā)突變既是不斷隨機(jī)發(fā)生的，因而基因突變觸及到微效基因抗病性的機(jī)會也較多。45最常見到的是：同一品種不同產(chǎn)地來源的種子，其后代抗病性常有不同。表5-3不同種子來源的煙草品種牛津一號對黑脛病抗病性的差異種子來源發(fā)病死亡百分率北京98%河南60%山東36%感病對照100%抗病對照0%煙草品種牛津一號是由美國引進(jìn)的中度抗黑脛病的品種。引入后在北京、山東益都、河南許昌等地試驗(yàn)種植、繁種保存或栽培。若干年后，搜集三地繁殖的種子同時在河南許昌進(jìn)行抗病性鑒定。三者形態(tài)無異，品種無誤，均為典型的牛津一號，而抗病性已有了明顯的區(qū)別。46看來，品種逐代繁殖過程中，自然選擇和有意識、無意識的人工選擇(不一定是選擇抗病性)，都可能改變品種內(nèi)各種細(xì)致類型(組分)的比例、改變品種群體的抗病性、甚至改變其微效基因抗病性。Robinson，R．A.(1976，1989)關(guān)于水平抗病性遺傳性變異的論述完全可以用于微效基因抗病性：“水平抗病性是個可變的生存值，在選擇壓力下它會增長，在無選擇壓力下它會降低?！?7上述的變異（進(jìn)化）是從表型分析植物抗病性的變異，如果從染色體水平分析植物抗病性的變異，植物抗病基因在進(jìn)化中形成了幾種共有的變異形式。植物祖先抗病基因的復(fù)制創(chuàng)造了新基因座。基因間和基因內(nèi)重組導(dǎo)致了變異,也導(dǎo)致了新特異性抗病基因的產(chǎn)生。另外,與特異性識別相關(guān)的富含亮氨酸重復(fù)區(qū)順應(yīng)于適應(yīng)性選擇。同樣,類轉(zhuǎn)座元件在抗病基因座中的插入加速了抗病基因的進(jìn)化。隨著抗病基因的變異,抗病反應(yīng)也呈現(xiàn)出多樣化,代表著植物與病原物動態(tài)進(jìn)化的不同階段。48一、抗病基因的復(fù)制與重組

1、基因復(fù)制復(fù)制能創(chuàng)造出新基因座,通過序列復(fù)制來選擇基因成員。例如,對組織相容性的研究表明人與老鼠的相容性區(qū)段是染色體復(fù)制的結(jié)果。相似,cf9基因至少存在兩個同源基因簇,暗示著cf類型基因是復(fù)制的產(chǎn)物。另外一些抗病基因也顯示出基因參與復(fù)制的跡象,xa21基因家族中包含著17kb的大重復(fù)區(qū)段,pto基因家族的復(fù)制與分化導(dǎo)致了被編碼蛋白的選擇性識別能力的產(chǎn)生[13]。同樣亞麻中M基因座是由15個基因成員組成的多拷貝基因座,但亞麻中L基因座是由13個等位基因組成的單拷貝基因。492、重復(fù)序列交換改變基因結(jié)構(gòu)基因片段大面積的交換,也導(dǎo)致了基因內(nèi)基因結(jié)構(gòu)的改變。LRRs編碼序列的重復(fù)結(jié)構(gòu)有利于基因間或基因內(nèi)的重組,可能會導(dǎo)致LRR數(shù)目的增加或減少,這在M與rpp5基因突變體中已得到證實(shí)。野生型的M基因包含多個LRR的編碼重復(fù)序列,而在自發(fā)性突變體中只有1個LRR編碼序列,這可能是編碼LRRs結(jié)構(gòu)的重復(fù)序列發(fā)生重組的結(jié)果。50重組對創(chuàng)造復(fù)雜的基因系統(tǒng)起著重要的作用,通過基因重組能創(chuàng)造出親本等位抗病基因所不具有的新生物型抗病基因。在13個rp1復(fù)合體的突變體中被證實(shí)有一個抗病譜是與親本類型不同的。其中8個保持著它們其中一個雙親的生物學(xué)特性,暗示著這些變種是由兩個或更多的輕微連鎖的基因組成的,通過重組而分離;另外,其中4個被證實(shí)是新的生物型(即雙親所不具有的)。經(jīng)遺傳分析表明rp1基因新抗病?；偷漠a(chǎn)生與側(cè)翼標(biāo)記序列的重組有關(guān)。人們也發(fā)現(xiàn)已分化的基因家族成員間的重組往往是發(fā)生在一段高保守性的序列上。例如,xa21基因座的大范圍重組定位與5端保守性序列上,導(dǎo)致新的啟動子或新的基因重組子的產(chǎn)生。相似,基因座M突變子的重組交換位點(diǎn)可能位于LRR重復(fù)序列之間的45kb區(qū)段上。這暗示著一病原菌株系的抗病基因經(jīng)過進(jìn)化能識別另一病原菌株系。未來的基因克隆與對連鎖基因的序列分析可最終證實(shí)不同病原物的抗性基因有共同的進(jìn)化起源。513、異位重組Hcr9s基因家族有3個基因座NorthernLights(NL)、MilkyWay(MW)、SouthernCross(SC),都位于番茄1號染色體的短臂上[15],在染色體上依次線性排列,基因座MW在另外兩者之間,而且相鄰兩個基因座是互為反向的(基因座的轉(zhuǎn)錄方向是相反的)。根據(jù)基因序列間的差異把Hcr9s基因家族分為2個亞類:NL基因座專門為一類,SC基因座與MW基因座合為另一類。但有個例外,NL基因座中的NL0C基因出現(xiàn)了其他基因座中特異性序列,暗示著這可能是基因座間重組的結(jié)果。兩個反向基因座間的染色體內(nèi)交換引起倒位,那么減數(shù)分裂同源染色體的定向分離導(dǎo)致了雙著絲粒染色體橋和染色體片段的出現(xiàn),結(jié)果是間插染色體區(qū)段出現(xiàn)重復(fù)或缺失。最終,基因家族內(nèi)出現(xiàn)大范圍的重組。524、雙特異性抗病基因的產(chǎn)生擁有雙特異性抗病基因的一個例子是西紅柿抗線蟲基因Mi。在番茄屬植物L(fēng)ycopersiconperuvianum中的Mi-1基因被證實(shí)至少具有7個同源性序列,成簇于650kb區(qū)段中。在Mi-1基因座內(nèi)被證實(shí)有兩個基因Mi-1.1與Mi-1.2,Mi-1.2基因被認(rèn)為是線蟲綱抗病基因的拷貝,相繼的研究表明Mi-1.2拷貝也能對蚜蟲產(chǎn)生特異性抗性。據(jù)此可推知,Mi-1的雙特異性是由基因復(fù)制重組產(chǎn)生的。同時也發(fā)現(xiàn)西紅柿的蚜蟲抗性基因Meu1與Mi-1存在著輕微連鎖。Mi-1的雙特異性體現(xiàn)了它對這兩種病蟲害具有相似的作用機(jī)制。53二、類病變壞死突變體一些植物個體在無逆境、損傷或病原物存在的情況下,可自發(fā)形成壞死斑,其癥狀與病斑非常類似,被稱為類病變壞死突變體(lesionmimicmutant)?；诟鞣N類病變壞死突變體的研究,類病變壞死突變體的產(chǎn)生可能源自抗病基因座內(nèi)的重組。由于抗病基因的突變或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的改變,以至于對過敏性反應(yīng)信號的不當(dāng)傳遞導(dǎo)致細(xì)胞死亡,因此產(chǎn)生類壞死癥狀。54這一假說的最好證據(jù)是來自玉米的rp1基因,4個rp1突變體呈現(xiàn)出類病變壞死突變體的表型,其中兩個突變體是由基因重組引起的。這一類型的假病斑突變也產(chǎn)生在編碼激酶的抗病基因中,像pto或xa21抗病基因。Rathjen等人應(yīng)用定點(diǎn)突變基因去選擇Pto結(jié)構(gòu)域上的氨基酸殘基,使得在無毒基因不存在的情況下激酶也能激發(fā)起過敏性反應(yīng)。大麥抗病基因mlo具有廣譜抗病性,對幾乎所有的白粉病菌的生理小種都具有持久抗性。擬南芥中存在lsd(lesionsimulatingdisease)突變體,其中最早發(fā)現(xiàn)的是lsd1突變體,推測LSD1基因編碼的LSD1是細(xì)胞死亡和防衛(wèi)反應(yīng)的負(fù)調(diào)控因子,與限制防衛(wèi)反應(yīng)的啟動和過敏性反應(yīng)發(fā)生的程度有關(guān)。擬南芥中還存在加速細(xì)胞死亡突變體acd(acceleratedcelldeath),acd2突變體可自發(fā)的形成類病斑壞死,并組成型表達(dá)對病原菌的抗性。這些基因所編碼的蛋白結(jié)構(gòu)與已克隆抗病基因的不同,暗示著類病變壞死突變體并不是與抗病基因進(jìn)化直接相關(guān)聯(lián),而類病變壞死突變體影響抗病反應(yīng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。55三、抗病基因識別區(qū)域的適應(yīng)性選擇應(yīng)用抗病基因家族中核酸替換方式的特點(diǎn)可洞悉對特定編碼區(qū)段的進(jìn)化與其功能。經(jīng)研究得出,導(dǎo)致氨基酸改變的核酸替換----異義替換(dn)與沒改變氨基酸的核酸替換---同義替換(ds)的比例是個重要信息。在大部分蛋白質(zhì)基因中,當(dāng)dn/ds小于1時,肽鏈中氨基酸的替換受到抑制;相反,dn/ds大于1時,暗示著適應(yīng)性選擇事件的發(fā)生,并加速基因間趨異進(jìn)化。適應(yīng)性選擇的證據(jù)很少,但似乎在病原物與寄主的識別功能基因中是普遍存在的。這將預(yù)示著在結(jié)合配體的識別區(qū)域比結(jié)構(gòu)功能區(qū)域易發(fā)生較強(qiáng)的適應(yīng)性選擇。56對11個cf基因家族成員進(jìn)行分析揭示出LRR結(jié)構(gòu)域中的β-折疊(β-轉(zhuǎn)角)區(qū)段暴露在外的極性殘基的編碼序列相對于LRR結(jié)構(gòu)域中的其他殘基的編碼序列的dn/ds之比要高,預(yù)示著暴露在外的極性殘基在識別配體中起重要作用。與此相似,對基因xa21的LRRs編碼區(qū)與其基因家族成員xa21D中的作序列同源性比較,發(fā)現(xiàn)盡管99.1%的DNA序列是相同的,而兩者之間的差異是由LRR編碼區(qū)的核酸替換造成的,其異義替換顯著高于同義替換。大多數(shù)模型預(yù)示著抗病基因的編碼蛋白擁有特異性識別配位能力是基因重組的結(jié)果,Meyer等人進(jìn)一步指出LRR的極性殘基的改變對特異性配體識別的改變起決定性作用。同樣LRR重復(fù)數(shù)的增加或減少也可喪失對配體特異性識別的能力,如RB與其RGAs(R-geneanalogs)具有不同的LRR重復(fù)數(shù)決定著不同的配體識別特異性、RPP5基因與野生型的相比多了4個LRR重復(fù)、M基因一個LRR的缺失使得抗性喪失?？偟膩碚f,識別配體的編碼區(qū)順應(yīng)于適應(yīng)性選擇。57四、通過類轉(zhuǎn)座元促使抗病基因家族成員分化

有人認(rèn)為植物面對環(huán)境壓力(如組織培養(yǎng)、輻射、病原物侵染)作出反應(yīng)時,轉(zhuǎn)座元件在基因組重組中扮演著重要的角色。Pouteau等人證實(shí)煙草反轉(zhuǎn)錄元件Tnt1的轉(zhuǎn)錄是被細(xì)菌素或真菌素所誘發(fā)的,這對上一觀點(diǎn)給予了部分支持。轉(zhuǎn)座元件的插入與調(diào)節(jié)因子的激活,使得編碼區(qū)段改變了表達(dá)能力與基因的表達(dá)模式,但這里沒有證據(jù)說明抗病基因特異性的產(chǎn)生是轉(zhuǎn)座元件的插入的結(jié)果。然而,有證據(jù)表明轉(zhuǎn)座元件能引起抗