全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第5期
收稿日期:2008-05-08
作者简介:周军会(1984-),男,山东省济宁市人,硕士研究生,研究方向:植物基因工程
通讯作者:张永强,硕士生导师,E-mail:zhangyongq@sina.com,Tel:010-82106117
1 马铃薯晚疫病简介
马铃薯是世界第四大粮食作物,其生产受到多种
病害的危胁,其中最严重的是致疫霉菌(Phytophthora
infestans),它是引起马铃薯晚疫病的致病菌。马铃
薯晚疫病可引进作物产量大规模减产,其损害是毁
灭性的,19世纪中页爱尔兰空前的 “大饥荒”(Irish
potatofamine)就是由晚疫病引起的[1]。据统计,在发
展中国家,人们用于治理晚疫病的花费每年就达到
35亿美元(GILB,2004)。因此,加强晚疫病的防治
工作是马铃薯生产中的一项必须优先考虑的重要
环节。
目前致疫霉菌有 2种交配型 A1和 A2,并且小
种分化极快。因此,防治比较困难。过去人们利用抗
真菌剂来防御晚疫病,其效果并不明显[2,3]。20世纪
以来,随着抗病育种技术的发展,育种工作者已经
在野生马铃薯品种 Solanumdemissum中鉴定出了
11个晚疫病主效抗性基因(R1,R2,R3⋯R11),并且
大多已经通过基因渗入整合到栽培品种中去[4]。然
而,由于这些 R基因都是由单基因控制的小种专化
抗性,因而很容易被病原体克服,持久性弱。另一个
经典的晚疫病抗性野生种 Solanumbulbocastanum
所携带的抗病基因多为由数量性状控制的广谱抗
性,虽然抗性持久,但却很难通过杂交和表型选择
转化到栽培品种中去。
马铃薯晚疫病抗病基因研究进展
周军会 宋扬 张永强
(中国农业科学院生物技术研究所,北京 100081)
摘 要: 马铃薯晚疫病是马铃薯和番茄等茄科植物中最主要的病害之一,每年都引起巨大的经济损失。基因工程
技术的发展为马铃薯晚疫病的防治工作提出了新的契机,从晚疫病抗性品种中筛选出具有高持久抗性的抗病基因,并将
其转化到栽培品种中去,无疑是我们开发持久性晚疫病抗性的最快捷的手段。到目前为至,已经有十几个晚疫病抗性基
因从S.demissum,S.bulbocastanum,S.berthaulti,S.mochiquense和S.pinnatisectum等抗性马铃薯品种中鉴定出来并已定位在
马铃薯染色体基因组上,并有4个被克隆出来(R1,R3a,Rpi-blb1/RB和Rpi-blb2)。主要概述了马铃薯晚疫病抗病基因的
研究现状和发展前景。
关键词: Solanumtuberosum 晚疫病 广谱抗性 小种专化抗性
AdvancementofLateBlightResistanceGenesinPotato
ZhouJunhuiSongYang ZhangYongqiang
(BiotechnologyResearchInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081)
Abstract: Lightblightisthemostdestructivediseaseinpotatoandtomatoworldwide,causingbilion-dolarloses
everyyear.Thedevelopmentofgeneticengineeringcontributedmuchtothepreventionandcureoflateblightin
potato.Isolationofthegenesthatcodefortheresistancetraitsfoundinwildsourcesandsubsequenttransformationof
existingpotatocultivarswiththesegenescouldbemeansofexploitingpoteneialydurablelateblightresistanceinwild
solanum species.Uptonow,morethantenlateblightresistancegeneshavebeendetectedandmappedinpotato
genome,andfourofthem havebeencloned(R1,R3a,Rpi-blb1/RBandRpi-blb2).Thispapermainlysummarizedand
describedtheresearchstateandprospectoflateblightresistancegenesinpotato.
Keywords: Solanumtuberosum LateblightBroad-spectrumresistance Species-specificresistance
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第5期
基因工程技术的发展为马铃薯晚疫病的防治
工作提供了新的契机,从晚疫病抗性野生品种中筛
选出具有高持久抗性的抗病基因,并将其转化到目
前普遍种植的马铃薯品种中的策略,无疑是目前开
发持久性晚疫病抗性最快捷的手段。截止 2006年,
已经有十几个晚疫病抗病基因被定位在马铃薯的
基因组上,其中 4个被分离出来,这包括来自于 Sol
anumdemissum的R1和R3a基因[5,6],和来自于Solan
umbulbocastanum中的 Rpi-blb1/RB基因[3,7,8]和 Rpi-
blb2基因[9]。
2 马铃薯晚疫病抗性基因
2.1 从 Solanumdemisum中克隆出的晚疫病抗性
基因
植物的抗病性主要包括 2种类型:1)水平抗
性,又称田间抗性,通常认为是多基因控制的[10],很
难育成新品种。2)垂直抗性,即通过超敏反应(HR)
表达的对植物免疫或类免疫的抗性,它通常被认为
是单基因控制的。控制这种抗性的基因被定义抗病
基因 (R基因),可参与病害识别和防御反应的启
动。马铃薯的野生近缘种 Solanumdemissum (2n=
6x=72)是栽培马铃薯中晚疫病抗性基因的最大来
源。100多年来,已经有 11个晚疫病抗病基因从
Solanumdemissum中鉴定出来并转育到栽培马铃薯
品种中[11,12],这些基因分别被定名为 R1,R2,⋯R11,
它们都是具小种专化抗性的主效抗病基因,根据
“基因对基因假说”,R基因表达的抗性很快就能被
新的病原小种所克服,因而这类 R基因只能提供
对晚疫病短暂的抗性[13]。11个来自于 S.demissum
中的晚疫病抗性基因都已经定位在马铃薯的遗传
图谱上:R1定位在Ⅴ号染色体上[14],R3,R6和 R7定
位在Ⅺ号染色体上[10,15],R2定位在Ⅳ号染色体上[16]。
R5,R8,R9,R10,R11利用标记分析和图位克隆分
析表明可能是 R3复合位点的一个等位基因[6]。
2.1.1 晚疫病抗病基因 R1 R1基因是目前研究
得最清楚的一个晚疫病抗病基因之一,定位在
Solanumdemissum的Ⅴ号染色体上,它所在的位置
也是各种病原体抗病基因的集中区,包括可以编码
对各种病原体(病毒、霉菌、线虫和昆虫)的抗性蛋
白,马铃薯 X病毒的单基因抗性基因就定位在这
一区域[17]。研究发现在马铃薯 5号染色体上 RFLP
标记 GP21和 GP179之间的短臂区域编码对 P.
infestans的抗性,同时,这个区域也包含多个与马铃
薯晚疫病抗性相关的数量性状位点 (QTL)[18~20],这
些相应抗病基因的簇集表明它们是通过基因复制
从同一祖先基因演化而来的,在此过程中同时伴随
着功能分化[4,19~21]。对 R1基因的克隆和分析促进了
马铃薯病原体抗性相关因子的分子水平研究。
2002年,Balvora报道构建出 R1基因位点附
近的高分辨率图谱,并通过定位克隆结合候选基因
方法克隆出了 R1基因。R1抗病基因定位在马铃 V
号薯染色体上,是多基因家族成员之一,它编码 1
293个氨基酸,蛋白分子量为 149.4kD。对 R1基因
的分子结构分析表明它包含一个保守的核苷酸结
合位点(NBS)、一个亮氨酸富集重复序列(LRR)和
一个亮氨酸拉链模块(LZs)[5,22,23],是典型的 nonTIR-
NBS-LRR型抗病基因。
2005年,Kuang等[24]报道在 R1基因位点附近
构建了 3个大约 1Mb的物理图谱,有 3个明显特
征的抗性基因家族被鉴定出来,其中之一与马铃薯
R1基因高度同源。对 R1同源基因的序列比较表明
它们在距离进化树上形成 3个明显的进化枝,在
R1同源基因的每一个进化枝上都能检测到频繁的
序列交换,但在不同的进化枝上却检测不到[24]。这
些结果表明 R1同源基因包括 3组独立的进化较快
的Ⅰ型抗性基因,它们之间的序列交换频繁因而产
生特定的嵌合体结构;该发现也进一步证明了Ⅰ型
和Ⅱ型 R基因的分化可能具有相似机理的假说。
抗性位点的簇集现象在植物中非常普遍,这种
现象不仅在马铃薯Ⅴ号染色体的病原体抗性热点
区观测到,而且在其他许多植物基因组中也有报
道[25~27],然而,这种R基因的成簇排列在功能和进化
上的重要性仍旧是不清楚的。许多 R基因簇包含
属于相同 NBS-LRR编码基因家族的前后排列的两
个同源 R基因,这些 R基因可以表达对多种病原
体或同一种病原体的不同种类的抗性[7,28]。人们猜
测这些 R基因的簇集可能更利于同源基因的序列
交换,因而很快产生新的性状[25]。
2.1.2 晚疫病抗病基因 R2 R2利用四倍体群体
EJ96-4061定位在马铃薯Ⅳ号染色体上[16];11个与R2
位点相连锁的 AFLP标记已经通过大片段分析
14
2008年第5期
(BSA)方法鉴别出来[29],Park等[30]在二倍体图谱群
体中鉴别了 3个特异的 R基因,其中一个定位在 4
号染色体上,并与 Solanumdemissum中的 R2在表
型上十分相近。利用 R2类似位点侧翼的 2个标记
对 1586个后代群体进行筛选,大约有 103个重组
体被选择出来,从而构建成一个高分辨率的遗传图
谱。R2位于马铃薯基因组中一个 0.4cM的区域并
且发现与 4个 AFLP标记(EATC/MCGA_186,EAGA/
MCTC_175,EAGA/MCAT_160,EAGA/MCCC_227)共
分离。
2.1.3 晚疫病抗病基因 R3 马铃薯晚疫病抗病基
因 R3也具有对 P.infestans的毒株的小种专化抗
性,它定位于马铃薯Ⅺ号染色体长臂上。Huang等[31]
利用 1748个植株群体,在 R3基因位点附近构建
了一个高分辨率的遗传图谱,通过精确作图和对特
异 P.infestans离体株的病原检测,他们发现 R3位
点由 2个具有明显特征的基因组成,这 2个基因
(R3a和 R3b)之间遗传间距为 0.4cM,并且都来自
于S.demissum的基因融合。Huang[31]也在S.demissum
中发现了 R3a和 R3b基因之间的天然重组体。
2005年,Huang等[6]报道利用 localRGA并结合
遗传图谱方法分离出了 R3a基因,通过在 R3基因
位点附近构建高分辨率的遗传和物理图谱并结合
比较基因组学分析,Huang发现马铃薯的 R3复合
位点与番茄中的 I2复合位点具共线性(co-linear),
表明 R3基因位点也可能是一个 I2基因的类似物
(I2GA)。R3a基因转录本长度为 4176nt,预测编码
一个 1282氨基酸的蛋白,分子量约为 145.9kD。
R3a基因与 I2基因有相似的内含子/外显子模式,
但在编码区没有内含子。R3a基因是在野生马铃薯
品种 S.demissum分离出的第 2个晚疫病抗病基因。
2.1.4 其它来自于 S.demissum的晚疫病抗病基因
R3a,R3b,R6和 R7都定位在马铃薯第Ⅺ号染色体
上[15]。然而,近年来,R5-R11被认为可能是 R3基因
的等位基因[6]。在 S.demissum鉴定出的 11个小种
专化性的晚疫病抗病基因中仅有 R1[5]和 R3a[6]被分
离出来。
R10和 R11也定位在马铃薯Ⅺ号染色体上,大
片段分析(BSA)结合 AFLP检验表明 R11定位在距
标记 PAG/MAAG_172.3大约 8.5cM的区域,R10定
位在 11号染色体中标记 PAC/MATC_264.1附近的
数量性状位点上[32]。
近年来科研工作者在墨西哥和南美地区进行
的大量工作将 P.infestans和其它相关的疫病原菌
的生物学特征和进化特征研究得相当清楚,墨西哥
地区的马铃薯抗性品种和 P.infestans协同进化,不
仅为研究植物抗病性提供了丰富的病原菌小种,并
且它们还提供了大量的高效、稳定、持久的数量性
状的抗病基因资源[33]。
2.2 Solanum demisum中的晚疫病抗病基因的
缺陷
从 Solanumdemissum中鉴定或分离出的晚疫
病抗性基因都为单基因控制的小种专化抗性,当这
些 R基因转化到栽培品种中后,分化极快的 P.
Infestans生理小种可以很快克服 R基因的抗性效
应,这就导致这种抗病性持久性很短[12],因而在实
际的晚疫病抗病基因研究中有一定的局限性。尽管
如此,对这些小种专化抗病基因的分离也为研究特
异性植物防御机制提供了重要的理论基础和实践
依据。
近年来,在其他的野生马铃薯品种中也发现了许
多新的持久性更强的晚疫病抗性基因资源,这包括
S.berthaulti[34],S.bulbocastanum[9,35,36],S.mochiquense[37]
和 S.pinnatisectum[38]。
2.3 Solanumbulbocastanum中的晚疫病抗病基因
起源于墨西哥和危地马拉地区的二倍体品种
Solanumbulbocastanum(2n=2x=24)是一种具有田
间广谱晚疫病抗性的品种,其抗病性具有量化特征
和非小种专化性,因而越来越受到人们的重视。虽
然这种田间抗性要比单基因表达的抗性更持久,但
是由于倍性和胚乳数的不同,这种抗性很难通过杂
交和表型选择转化到栽培品种中去[3,39,40],这就大
大限制了 Solanumbulbocastanum中晚疫病抗性基
因资源的开发和利用。
2003年,Edwin报道从 S.bulbocastanum中克隆
了 Rpi-blb1基因,它是一种典型的 CC-NBS-LRR型
的抗性基因,编码一个 970个氨基酸的多肽,分子
量为 110.3kD,5和 3UTRs分别为 45nt和 181nt
的,Rpi-blb1基因包含一个 678nt的单一内含子,
位于 ATG起始密码子的下游 428nt处。研究发现
周军会等:马铃薯晚疫病抗病基因研究进展 15
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第5期
Rpi-blb1基因定位在 S.bulbocastanum的Ⅷ号染色
体上,距标记 CT88有 0.3cM,对各种的 P.infestans
小种都具有广谱的抗性。通过对 Rpi-blb1基因附近
的不同区域的 Ka/Ks分析发现它们具有较高的同
义分离率,从而表明这是个相当古老的基因[3]。
Rpi-blb1基因抗性位点定位在 S.bulbocastanum
的Ⅷ号染色体上,与已报道的晚疫病抗性基因 RB
位于相同的区域[35]。2003年,Song等[8]报道通过图
谱方法结合长片段 PCR(LR-PCR)策略克隆了抗性
基因 RB。一个包括 4个 CC-NBS-LRR型的抗性基
因的基因簇在 RB区被发现,RB基因的克隆为进
一步研究马铃薯晚疫病的致病及抗病机理提供了
新的基因资源,同时也为抗病基因结构和功能研究
提供了新的手段。
Rpi-blb2基因是从 Solanumbulbocastanum中分
离出的另一个具有广谱晚疫病抗性的抗病基因。
2005年,Edwin等[9]报道 Rpi-blb2位点定位在一个
四倍体回交群体(ABPT)中Ⅵ号染色体上与番茄的
Mi-1基因位点相同的区域。对跨越 Rpi-blb2位点
的 ABPT来源的 BAC和 S.bulbocastanum来源的
BAC克隆的分子分析表明它包含 15个 Mi-1基因
同源基因(MiGHs),其中有 5个经鉴定为 Rpi-blb2
的侯选基因。序列分析表明 Rpi-blb2和 Mi基因是
高度相似的,其蛋白相似性为 82%。与 Mi-1位点相
比,Rpi-blb2位点的所跨的区域更大,这表明染色
体间重组或不等交换在 Rpi-blb2位点的进化中发
挥着巨大的作用。
Rpi-blb3基因是 2005年在 S.bulbocastanum才
最新鉴别出来的一个晚疫病抗性基因,Park等[41]绘
制了 Rpi-blb3的高分辨率的遗传图谱,并将其定位
在马铃薯Ⅳ 号染色体的一个 0.93cM的区域,对于
这个基因的研究为晚疫病抗性也具重要意义。
2.4 来自于其他品种中的晚疫病抗病基因
来自于其他 P.infestans寄主的 R基因也有报
道,3个针对 P.infestans的抗性基因已经定位在番
茄染色体组上:Ph-1基因定位在Ⅶ号染色体上,Ph-
2基因定位在Ⅹ号染色体上,Ph-3基因定位在Ⅸ号
染色体上[43]。
2001年,Kuhl等[38]报道了一个新的晚疫病抗病
相关基因 Rpi1,定位在一个墨西哥二倍体品种
Solanumpinnatisectumr的Ⅶ号染色体上,研究发现
Rpi1具有与 R9抗性位点相同的无毒基因,表明
Rpi1可能与 R9基因高度相关。
2005年,Smilde等[37]报道在马铃薯品种 Solanum
mochiquense基因组Ⅳ号染色体的长臂远端发现了
另一个晚疫病抗病相关基因 Rpi-moc1,位于与番茄
的晚疫病抗病基因 Ph-3相邻的位点,这是在
Solanummochiquense中研究的第一个抗病基因。
Rber基因是最近由 Rauscher等人从 Solanum
berthaulti中发现的一个新的马铃薯晚疫病抗性基
因,Rauscher通过一系列手段鉴定 11个晚疫病抗
性基因相对应的 P.infestans单株(testerset),表明
与 Rber基因对应的 P.infestsans小种与已知的晚疫
病抗病基因 R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7和 R10都
是兼容的,因此,他们推断 Rber基因可能是一个新
基因,不同于已经在 S.demissum中鉴别出来的晚
疫病抗病基因[34]。同时,Rauscher等[42]对这个 R基
因进行精确定位,利用了 MASP-map技术(PCR-
basedmappingtechnique),将 Rber基因定位于马铃
薯 X号染色体的标记 CT240和 TG63之间的一个
3.9cM的区域,对 Rpi-ber基因的研究尚需进一步
开展。
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