全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(6): 935−942 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家转基因生物新品种培育科技重大专项(2011ZX08001-002)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 赵开军, E-mail: zhaokj@mail.caas.net.cn
Received(收稿日期): 2010-12-06; Accepted(接受日期): 2011-03-06.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.00935
植物天然免疫性研究进展及其对作物抗病育种的可能影响
赵开军 1,2,* 李岩强 1,3 王春连 1,2 高 英 1,2
1中国农业科学院作物科学研究所 / 农业部作物遗传育种重点实验室, 北京 100081; 2农作物基因资源与基因改良国家重大科学工程,
北京 100081; 3中国农业科学院研究生院, 北京 100081
摘 要: 植物定植在充满各种病原菌的环境中却能健康生长, 显示其拥有一套免疫系统以应对病原物的侵染。最近,
人们发现植物免疫系统至少包括 2 个层次: 第一层为病原相关分子模式(PAMP)激发的免疫性(PTI), 即植物通过细胞
表面模式识别受体(PRRs)对病原菌的 PAMPs 进行分子识别, 从而启动植物的防卫反应; 第二层为病原菌效应子激发
的免疫性(ETI), 即有些毒性强的病原菌通过产生效应子(effectors)来抑制 PTI, 从而突破植物的第一道防线, 而植物
又进化出新的分子受体(例如 R基因编码的 NBS-LRR蛋白质)以侦察病原菌效应子并启动第二道防卫反应。数亿年来,
病原菌的侵染和植物的防卫交替进行, 促进了病原菌和植物基因组的共进化。最新的研究还发现, 黄单胞杆菌 TAL
effectors和寄主植物 DNA 的相互识别中, 利用了精准的分子密码。TAL effector类蛋白识别植物靶基因的启动子序
列, 识别模式是 2个氨基酸识别一个核苷酸。通过这种识别, TAL effector操控植物靶基因的表达, 引起寄主植物的感
病或抗病反应。上述抗病分子机制研究的突破, 将对植物抗病育种产生重要影响。
关键词: 植物天然免疫; TAL效应子; 植物-病原菌相互作用; 分子识别密码; 抗病育种
Recent Findings in Plant Innate Immunity and Possible Impacts on Crop Dis-
ease-resistance Breeding
ZHAO Kai-Jun1,2,*, LI Yan-Qiang1,3, WANG Chun-Lian1,2, and GAO Ying1,2
1 Key Laboratory of Crop Genetics and Breeding, Ministry of Agriculture / Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences,
Beijing 100081, China; 2 National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement, Beijing 100081, China; 3 Graduate School of the
Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: Plants have been successfully living in such an environment in which there are myriads of potential microbial patho-
gens, indicating that plants possess an efficient immunity system. Recent studies have revealed that the plant immunity system
consists of two layers of defense. The first layer, based on the sensitive perception of pathogen-associated molecular patterns
(PAMPs) through pattern recognition receptors (PRRs) at the plant cell surface, is named as PAMP-triggered immunity (PTI). The
second is called effector-triggered immunity (ETI), in which plants use additional receptors (such as R-gene products) to perceive
pathogen virulence effectors that have evolved to suppress PTI. The conventional gene-for-gene resistance in plants belongs actu-
ally to ETI. For millions of years, natural selection has been driving pathogens to avoid ETI either by diversifying the recognized
effectors or by acquiring additional effectors that suppress ETI. On the other hand, natural selection favors plant new R-genes that
can recognize the newly acquired effectors in pathogen, resulting in new ETI to be triggered again. The latest studies have re-
vealed the simple cipher that governs DNA recognition by TAL (transcription activator-like) effectors from plant pathogenic
Xanthomonas. TAL effectors can specifically bind the target DNA of host plant with a novel protein-DNA binding pattern in
which two amino acids recognize one nucleotide. Using this recognition code, TAL effectors can bind the promoter of target genes
and induce the host diseases or resistance responses. Recent findings about plant innate immunity are reviewed in this paper and
their possible applications in plant breeding for disease resistance are discussed.
Keywords: Plant innate immunity; TAL-effectors; Plant-pathogen interaction; Recognition code; Plant breeding for disease resistance
大约在 35亿年前, 地球上进化出细菌, 约 15亿
年前出现真菌, 而高等植物只有 4亿多年的历史[1-2]。
因此, 植物从诞生以来, 就一直生活在充满多种潜
在病原微生物的环境中, 但植物至今仍然欣欣向荣
936 作 物 学 报 第 37卷

地生长 , 这表明 , 植物为了防御病原菌的入侵 , 已
进化出一套天然的免疫系统[3-4]。随着分子生物学的
飞速发展, 特别是近年对多种病原菌及其寄主植物
基因组的测序以及植物抗病分子机制的研究, 不断
揭示植物免疫系统的分子奥秘。最近, 科学家已发
现黄单胞杆菌与寄主植物互作识别的分子密码[5-6]。
本文综述了近年关于植物抗病分子机制的研究进展,
并讨论其可能对作物抗病育种产生的影响。
1 植物对病原菌侵染的基础抗性(PTI)
与哺乳动物不同, 植物定植于土壤中不能移动,
植株体内既没有可移动的防卫细胞, 也缺乏体细胞
适应性的免疫系统。植物依靠细胞先天免疫力以及
从病菌侵染点发出的系统信号传导来抵御病原菌的
侵袭[7-10]。
近年的研究发现, 每种病原菌都具有其保守的
分子特征, 例如细菌的鞭毛蛋白(flagellin), 那些保
守的分子特征被称为病原相关分子模式(pathogen-
associated molecular patterns, PAMPs)[7]。在病原菌刚
刚与植物接触的瞬间, 植物通过其细胞表面的模式
识别受体(pattern recognition receptors, PRRs)来感知
病原菌的 PAMPs, 从而识别各类微生物, 例如通过
感知几丁质来识别真菌, 通过感知鞭毛蛋白来识别
细菌。近十年来, 科学家发现植物对微生物病原相
关分子模式的识别(pattern recognition, PR)是植物免
疫的最基本过程[11]。这种通过植物模式识别受体感
知 PAMPs 并启动的主动防卫反应被定义为植物的
基础抗性(basal disease resistance), 也称为基础免疫
(basal immunity)[11]。人们还发现植物基础抗性与传
统病理学的概念紧密联系, 因此建议将传统的水平
抗性(horizontal disease resistance)和基础抗性统一为
PAMP 激发的免疫, 即 PTI (PAMP-triggered immu-
nity)[7,9,11]。PTI可以激活植物的一系列抗病反应, 包
括胼胝质沉积、激酶的活化、PR-蛋白的表达以及小
RNA的合成等[12], 从而阻止环境中绝大部分病原菌
的入侵[11](图 1)。目前已证明 PTI在植物抗病免疫系
统发挥着十分重要的作用[13-15]。
植物模式识别受体的特点是它的高度灵敏性和
专化性, 植物如果拥有某种 PRR, 即使 PAMP 的处
理浓度在纳摩尔以下, 也能感知到相应微生物对应
的 PAMPs, 相反, 植物缺乏这种 PRR, 它就不能识
别该微生物[7]。对于病原菌的 PAMP, 其某个功能保
守的区域往往是植物 PRR识别的位点。例如细菌鞭
毛蛋白 N 端的 22个氨基酸就是植物模式识别受体
FLS2的识别位点。该识别位点的突变可以使其逃脱
拟南芥 FLS2 的识别[16]。从基因组序列比对分析,
FLS2 基因在植物中是高度保守的, 例如番茄中存在
一个FLS2的同源基因LeFLS2, 但LeFLS2特异性识别
大肠杆菌鞭毛蛋白的保守多肽 flg15, 而不能识别丁香
假单胞菌的鞭毛蛋白 flg22[17]; 实验已证明水稻的
FLS2同源基因亦行使识别细菌鞭毛蛋白的功能[18]。所
以 FLS2的同源基因在进化上是非常古老和保守的。
另一个研究得比较清楚的模式识别受体是拟南
芥的 EFR (EF-Tu receptor), 它特异识别细菌的延伸
因子 EF-Tu (elongation factor Tu)[19], 但这种识别反
应仅限于十字花科植物, 在其他植物中并未发现[20]。
然而, 目前已完成基因组测序的植物都含有 EFR 的
同源基因 , 编码的蛋白质具有类似的 LRR (leu-
cine-rich repeat)结构[11]。在水稻基因组中, 与 EFR
类似含有LRR结构的基因有 40多个, 其中之一就是
抗白叶枯病基因 Xa21。最近, Lee 等[21]已从白叶枯
病菌中克隆到编码对应于 Xa21的 PAMPs基因 Ax21
(Activator of XA21-mediated immunity)。Ax21为一
个含 194个氨基酸的蛋白, 其中 N末端的 17个氨基
酸(Y22 为硫酸化的酪氨酸)的寡肽 axYs22, 是其活
性所必需的。axYs22 在黄单胞菌属中是 100%保守
的, 因此 Lee等[21]认为Ax21是一类 PAMPs分子, 而
XA21则为模式识别受体。现在看来, 不同种类植物
的 EFR-类 PRRs 虽然在序列上有一定的保守性, 但
它们很可能识别不同的 PAMPs。
真菌几丁质也是一种 PAMP 分子, 目前已从水
稻中分离出结合几丁质的模式识别受体基因 CEBiP,
其编码的跨膜糖蛋白含有两个胞外 LysM 结构域,
但是缺乏胞内激酶域[22], 而水稻中的另一个几丁质
识别受体 OsCERK1 却是一个跨膜受体激酶, 并与
CEBiP 协同进行几丁质识别信号传导[23]。拟南芥中
也存在其同源基因[24]。最近, Chen等[25]详细分析了
水稻几丁质识别受体 OsCERK1 在成熟、运输、质
膜定位及识别几丁质信号等方面的蛋白网络。
病原菌另外的几个 PAMPs 在生化上已很清楚,
但其受体还没有鉴定出来。它们有细菌蛋白类
PAMPs, 包括具有 RNP-1保守结构域的冷激蛋白[26]、
超氧化物歧化酶[27]、对应 Xanthomonas harpin HpaG
的 23-氨基酸的肽链 [28]; 卵菌(Oomycetes)蛋白类
PAMPs, 如转谷氨酰氨酶残基 pep13[29]等; 亲脂类
PAMPs, 包括二十碳四烯酸[30]、麦角固醇[31]; 细菌
第 6期 赵开军等: 植物天然免疫性研究进展及其对作物抗病育种的可能影响 937




图 1 植物免疫系统
Fig. 1 A model of plant immunity system
植物防御系统可大致分为两层。第一层为病原相关分子模式激发的免疫(PTI), 也称基础抗性。植物首先利用细胞质膜上的模式识别
受体识别病原微生物的病原相关分子模式, 从而引起抗病反应。第二层防御系统称为效应子激发的免疫反应(ETI)。一些致病力强的
病原菌通过向寄主分泌毒性因子如冠菌素、胞外多糖及蛋白类效应子等以抑制植物的基础抗性, 植物则利用 NBS-LRR类 R蛋白直接或间接
地识别效应子, 并引起一系列防卫反应, 限制病原菌的生长与扩展。病原菌在自然选择的压力下进化出新的效应子, 以避开植物 R蛋白的识
别。植物也相应地进化出新的 R基因以识别新的效应子, 于是 ETI再一次被激发, 这样便促进了病原菌与寄主植物的共进化。
The plant immunity system consists of roughly two layers of defense. The first layer is named PTI (PAMP-triggered immunity), also called
basal disease resistance. The plants can perceive pathogen- associated molecular patterns (PAMPs ) through pattern recognition receptors
(PRRs) at the plant’s cell surface and trigger the subsequent immunity response. The second layer of defense is called effector-triggered im-
munity (ETI). Successful pathogens deliver virulence factors, including the phytotoxin coronatine, extracellular polysaccharides, and pro-
teinaceous effectors into the host to inhibit the PTI. The second layer of the immunity is based on the direct or indirect perception of pathogen
effecors through the typically nucleotide binding leucine-rich repeat (NBS-LRR) R proteins, resulting in a series of defense response to re-
strict the pathogen growth and dispersal. The pathogen can evolve new effectors to infect plants under the pressure of natural selection, which
also favours new plant NBS-LRR alleles that can recognize one of the newly acquired effectors, resulting again in ETI. All of this promote
the coevolution of the pathogen microbes and host plants.

细胞壁肽聚糖 [32]; 革兰氏阴性菌脂寡糖 (lipooli-
gosaccharide)[33]。另外还有些待确认的 PAMPs, 包括
细菌的群体密度感应信号 quorum sensing signal[34]
和真菌的 Fe载体 siderophores[35]等。
2 植物对病原菌的基因对基因抗性(ETI)
所有的病原菌都带有 PAMPs, 而每种植物都会
遭受某些病原菌的感染, 说明一些病原菌能够克服
植物的 PTI。目前已知, 为了自身的定植与生长, 各
种病原菌, 包括细菌[36]、真菌[37]和卵菌[38], 都向其
寄主植物细胞注入毒性因子(virulence factors)来抑
制植物的基础抗性即 PTI (图 1)。例如病原细菌通过
III型分泌系统将蛋白类效应子等注入植物细胞以抑
制 PTI [7]。丁香假单胞菌株 DC3000分泌的效应蛋白
AvrPto 和 AvrPtoB 与 FLS2 和 BAK1 的激酶域进行
直接互作从而抑制激酶活性 [39]或阻止 FLS2-BAK1
复合体的形成[40-42], 从而抑制植物的 PTI。丁香假单
胞菌的另外一个效应蛋白 HopAI1 也有抑制 PTI 的
功能, HopAI1 是一个磷酸苏氨酸(phosphothreonine)
裂解酶 , 使丝裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated
protein kinases, MAPKs)MPK3 和 MPK6 去磷酸化,
从而终止 PRR的信号传导[43]。
病原菌除了通过其效应子直接与植物的 PRRs
或 MAPKs互作来抑制植物的 PTI, 还利用效应子干
扰 PRR 信号传导的下游环节或其他抗病相关的通
路。例如, 丁香假单胞菌的效应子 HopU1通过腺苷
二磷酸核糖基化来修饰拟南芥的 RNA 结合蛋白
GRP7 等; 其另一个效应子 HopM1 可以诱导拟南芥
MIN7蛋白的降解, 而MIN7蛋白对植物的抗性非常
重要[44]。最近, Wang等[45]发现丁香假单胞菌的效应
子HopF2在拟南芥中可以与寄主MKK5互作而阻断
寄主的 PTI 防卫反应。总之, 近年功能基因组研究
揭示, 细菌、真菌、卵菌及线虫分泌到寄主植物细
胞中的效应子估计达百种以上[4]。
938 作 物 学 报 第 37卷

病原菌也合成一些低分子毒素来攻击植物的
PTI 防线, 例如丁香假单胞菌株 DC3000 合成冠菌
素(coronatin)模拟 JA 以干扰植物的 PTI 防卫[46], 合
成丁香花素(syringolin)抑制植物的蛋白酶[47]。一些
病原菌在寄生于植物细胞间隔时会产生胞外多糖
EPS (extracellular polysaccharides), 与钙离子螯合,
从而影响 PAMPs-PRRs识别过程中的钙信号传导[48]。
病原菌通过产生效应子等来克服植物的基础抗
性或第一道防线, 植物又进化出基于 R-基因的第二
道防线: 植物通过新的分子受体(例如 R基因编码的
NBS-LRR 蛋白质)来发现这些效应子并防卫。这种
通过 R-基因蛋白识别病原菌效应子并启动的主动防
卫反应被称为植物的 R-基因抗性(R-gene-based dis-
ease resistance)[7]。Jones和 Boller等建议将传统的植
物垂直抗性(horizontal disease resistance)和 R-基因
抗性统一为效应子激发的免疫 , 即 ETI (effector
triggered immunity)[4,7,10-11]。PTI 是植物对一类含有
PAMPs 的病原菌的识别, 范围更宽泛, 故作为植物
基础免疫; 与 PTI不同, ETI为一类效应子激发的由
抗病基因介导的植物免疫, 是含有抗病基因的植物
识别含有相应效应子的病原菌引起的免疫反应。
病原菌的上述效应子是菌种甚至小种特有的。
植物识别病原菌效应子的受体绝大多数是 NBS-LRR
蛋白, 在拟南芥中有近 150个基因编码这类蛋白[49]。
Caplan 等最近对这类蛋白的结构及其在信号识别中
的功能进行了综述[50]。有些 NBS－LRR蛋白质直接
与效应子蛋白互作[37], 但更多是作为警卫(guard)与
效应子蛋白间接互作[51]。植物通过识别病原菌效应
子蛋白, 激发一系列的抗病防卫反应, 如果防卫反
应非常强烈, 会在侵染点引起寄主细胞程序性死亡,
即过敏性反应(hypersensitive reaction, HR), 从而限
制病原菌的生长、繁殖和扩张[50]。病原菌在自然选
择的压力下进化出新的效应子, 以克服植物初级的
ETI, 而植物也相应地进化出新的 R 基因以应对病
原菌进化的新的效应子, 于是新的 ETI 再一次被激
发, 这样便促进了病原菌与寄主植物基因组的共进
化[7], 因此植物的 ETI防线包含多个亚层次(图 1)。
3 植物和病原菌相互识别的分子密码
总体上讲, 不论是植物细胞表面模式识别受体
(PRRs)对 PAMPs的识别, 还是植物 R基因编码蛋白
与病原菌效应子(effectors)的识别, 人们对其分子互
作的细节还知之甚少。但近年关于黄单胞杆菌的蛋
白类效应子(Transcription activator-like effector, TAL
effector)与寄主植物基因互作研究取得了许多新进
展[52-57], 其中最令人激动的是病原菌TAL effector特
异性识别植物靶基因的分子密码得以破解[5-6]。
黄单胞杆菌属(Xanthomonas)的多个致病变种 ,
在多种作物上造成严重的病害, 例如辣椒和番茄的
细菌性斑点病(Xanthomonas campestris pv. vesicato-
ria)、水稻的白叶枯病(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)
和条斑病(Xanthomonas oryzae pv. oryzicola)。黄单胞
杆菌通过 III 型分泌系统将其效应子蛋白 TAL ef-
fector 注入寄主细胞中, 并模拟真核转录因子操纵
寄主细胞的基因表达[54-57]。TAL effectors 介导的一
些基因表达, 能够引起植物生理状态上的变化, 例
如细胞肿胀[54], 从而使寄主体内环境更有利于病原
菌的增殖和扩散。水稻白叶枯病原菌的 TAL effectors
PthXo1 和 PthXo6 分别作用于水稻的感病基因
Os8N3和感病相关的转录因子基因OsTFX1, 引起水
稻感病 [56-57]。而植物亦进化出能够识别相应 TAL
effectors 的抗病基因, 例如水稻的 Xa27 抗病基因识
别白叶枯病菌 TAL effector AvrXa27 并引起一系列
的抗病反应[58]。我们也发现白叶枯病菌中无毒蛋白
AvrXa23 (一个 TAL effector)被水稻 Xa23 基因的启
动子陷阱捕获而产生强烈的抗病反应(中国发明专
利申请号 201010256332.8)。
从氨基酸序列看, TAL effectors包括由多个串联
重复单元组成的串联重复区中心结构域、C 端的核
定位信号(NLSs)和酸性激活结构域(AD)(图 2-A)[59-60]。
不同 TAL effectors 的氨基酸序列高度保守, 其主要
差异在串联重复区, 重复单元的数目和顺序决定了
TAL effectors 的特异性[61-62], 及对寄主植物品种的
专化性。
AvrBs3 是 TAL effector 家族中的典型成员, 最
先发现于 Xanthomonas campestris pv. vesicatoria
(Xcv)[63]。AvrBs3直接识别寄主靶基因启动子的 UPA
(upregulated by AvrBs3) box元件, 引起 UPA基因的
表达, 其中包括辣椒中抗病基因 Bs3 的表达[54-55]。
AvrBs3的串联重复区由 17.5个几乎完全相同的重复
单元组成; 每个重复单元含有 34 个氨基酸, 其中的
第 12和第 13个氨基酸是高度可变的(图 2-A)[5]。最
近 Bonas 等[5]依据这些重复可变的第 12 和第 13 个
氨基酸的不同进行了归类, 发现 AvrBs3的每一个重
复单元识别寄主靶基因启动子 UPA box中一个特异
的 DNA 碱基, 且这种识别由每一个重复单元的第
第 6期 赵开军等: 植物天然免疫性研究进展及其对作物抗病育种的可能影响 939




图 2 TAL effectors特异性结合靶基因 DNA的分子模型
Fig. 2 Model for DNA target specificity of TAL effectors
根据 Boch等[5] (2009)和Moscou等[6] (2009)设计。A: TAL effectors包含中心串联重复区, 核定位信号(NLS), 以及酸性激活结构域(AD)。
图中显示了 AvrBs3的第一个重复单元的氨基酸序列。其中第 12和第 13位氨基酸为高度可变区[5]。B: 将 AvrBs3中 17.5个重复单元
的第 12和第 13位氨基酸与靶基因相对应的 UPA box进行比对[5]。C: 根据如下已有的效应子中重复可变区氨基酸与靶基因 DNA的
组合: AvrXa27/Xa27、AvrBs3/Bs3、AvrBs3/UPA20、AvrBs3∆rep16/Bs3E、AvrBs3∆rep109/Bs3、AvrHah1/Bs3、PthXo6/OsTFX1、PthXo7/Os
TFIIAγ1和 Tal1c/OsHEN, 以及 10种利用 40个新增的 TAL effectors 的重复区与受 TAL effectors诱导表达的水稻基因启动子的目标序
列进行人工扫描比对的结果, 得到了 DNA的正义链与相对应重复的可变氨基酸的对应关系。* 表示该重复的 13位氨基酸空缺。粗
字体表示最高频数的氨基酸[6]。
Modified from Boch et al. [5] (2009) and Moscou et al. [6] (2009). A: TAL effectors contain central tandem repeats (repeat domain), nuclear
localization signals (NLSs), and an acidic transcriptional activation domain (AD). Shown is the amino acid sequence of the first repeat of
AvrBs3. The amino acids 12 and 13 are hypervariable [5]. B: Hypervariable amino acids at position 12 and 13 of the 17.5 AvrBs3 repeats are
aligned to the UPA box consensus [5]. C: Nucleotides in the upper DNA strand that correspond to the hypervariable amino acids in each repeat
are counted on the basis of the following combinations of nine effectors and experimentally identified target genes: AvrXa27/Xa27,
AvrBs3/Bs3, AvrBs3 /UPA20, AvrBs3∆rep16/Bs3E, AvrBs3∆rep109/Bs3, AvrHah1 /Bs3, PthXo6/OsTFX1, PthXo7/OsTFIIAγ1 and
Tal1c/OsHEN. And 10 more alignments obtained by scanning all rice promoters with 40 additional X. oryzae TAL effectors, retaining for each
effector the best alignment for which the downstream gene is activated during infection. An asterisk indicates that amino acid 13 is missing in
this repeat type. The highest nucleotide frequencies are in bold [6].

12 和第 13 位氨基酸残基决定, 例如 HD 和 NI 分别
对 C和 A有很强的偏爱(图 2-B)。通过分析多个 TAL
effectors 的重复类型与其靶基因启动子区 UPA box
的对应关系, Boch和 Bonas等[5]构建了 TAL effectors
不同重复类型特异性识别目标 DNA 碱基的分子密
码模型(图 2-C)。同时, Moscou和 Bogdanove[6]利用
计算机扫描比对 TAL effectors中可变重复类型与目
标启动子中的DNA序列, 也得到了类似的分子密码
模型。目前, 已有更新的研究验证了这种分子密码
的可靠性[64-65]。
4 抗病分子机理研究进展对作物抗病育种
的可能影响
从自然种群生存的角度看, 植物拥有的一套免
疫系统完全可以应对病原菌的侵染和变异, 而且可
以想象, 在完全自然的条件下, 植物与病原微生物
之间会达成一种相互共存的平衡。但是从农业生产
的层面看, 农作物新品种抵御病原菌侵染的能力非
常脆弱, 常常表现出大幅度的减产而被淘汰。所以
长期以来, 作物抗病育种备受重视, 而且效果显著。
但是随着作物单产的不断提高和抗性资源的消耗 ,
作物抗病性的提高已变得越来越困难。那么近年植
物抗病分子机理研究的进展, 将对作物抗病育种产
生哪些影响？现予以讨论。
必须重视 PTI 的利用。既然已发现植物对微生
物病原相关分子模式的识别是植物免疫的最基本过
程, 并证明 PTI 在植物抗病免疫系统发挥着十分重
要的作用, 那么育种家可以考虑如何将 PTI 有效应
940 作 物 学 报 第 37卷

用于作物抗病品种选育。从 PTI 的性质看, 它类似
于传统概念的水平抗性, 但不一定受微效多基因控
制。因此在利用 PTI 的途径上, 有可能完全按照主
基因的方式操作, 条件是利用分子检测技术。最近,
Lacombe 等[66]利用农杆菌介导法将拟南芥识别细菌
延伸因子 EF-Tu 的受体编码基因 EFR 转入烟草和
番茄基因组中, 获得的转基因植物可以抗来自假单
胞菌属(Pseudomonas)、农杆菌属(Agrobacterium)、
黄单胞菌属(Xanthomonas)和拉尔氏菌属(Ralstonia)
等不同属的病源细菌, 充分展示了利用不同植物的
模式识别受体基因培育广谱、持久抗病农作物的可
能性。可以预计, 随着更多 PRRs基因的克隆, 完全
可以利用基因工程途径来提高作物品种的 PTI 抗病
能力。
重视将 ETI 与 PTI 结合利用。由于病原菌的效
应子是菌种甚至小种特有的, 而植物的大多数 R-基
因蛋白是专门为识别病原菌效应子而进化的, 植物
ETI 的特性是强度大但容易激发病原菌产生新的效
应子从而克服原有的 ETI 抗性。因此在利用 ETI 时
需要结合利用 PTI, 以便达到两道关口协防的效果,
这类似于排球比赛中的前排拦网与后排保护的联防,
如此可以避免那些大面积推广品种因突然丧失 ETI
抗性而造成重大产量损失。在重视 PTI 的过程中结
合 ETI 的使用, 主要为抗病基因的利用。通过分子
标记辅助选择或使用其自身启动子的抗病基因进行
转基因育种, 获得抗病植株。利用多基因聚合或多
基因转化将多个优良抗病基因导入 PTI 抗性较好的
栽培品种中, 有利于扩大作物的抗病谱, 改良作物
的 ETI抗性。许多抗病基因是受效应子诱导表达的,
例如在白叶枯病抗病育种中, 病原菌中的 TAL ef-
fector能调控寄主植物的基因表达。据此可以将病原
菌无毒基因和植物相应抗病基因置于病菌侵入诱导
表达的启动子下, 通过基因工程将其导入寄主植物,
当寄主受到病菌侵染时 , 无毒基因便被诱导表达 ,
无毒蛋白作为激发子, 激发其特异抗病基因表达产
生对应的受体蛋白, 它们之间相互识别, 导致寄主
的过敏性反应, 这样可以提高作物品种的 ETI 抗病
能力。当然, 植物的 ETI 抗性和 PTI 抗性本身就是
植物免疫系统不可分割的重要部分。只是随着植物
分子病理学研究的深入才将其进行了特别的区分或
细化。在作物抗病改良育种中, 随着近年来许多抗病
基因的克隆, 在利用PTI基础上, 利用ETI中抗病基因
的抗性, 在未来的分子育种中将有更广阔的前景。
设计广谱抗病基因复合体。TAL effector与寄主
靶基因识别分子密码的破解, 揭示了一种新型的蛋
白质-DNA 结合方式, 这种控制蛋白质和 DNA 相互
识别的机制可能开辟作物抗病育种新途径—构建广
谱抗病基因复合体。Römer 等[67]利用基因工程的方
法将不同的 UPA Box 相互组合, 得到了能与多个
TAL effectors 识别的新启动子, 用这种启动子驱动
一个抗病基因, 就可以扩大该抗病基因的抗谱。另
外, 目前从细菌性条斑病细菌中已克隆到一些 TAL
effector编码基因[68], 但是抗细菌性条斑病的主效基
因很少, 目前比较有效的为非寄主抗性基因 Rxo1[69],
而组成型表达的抗白叶枯病基因 Xa27 也抗一些细
菌性条斑病小种[70]。因此我们可以利用 TAL effector
与寄主靶基因 DNA 识别的分子密码设计受细菌性
条斑病菌TAL effector识别的启动子, 用其驱动抗病
基因 Rxo1 或 Xa27, 以获得抗细菌性条斑病的抗病
基因复合体。
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