這次分享的文章是近期由患雇，中科院何祖華研究員和美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)/中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所王國(guó)梁教授受邀在Annual Review of Plant Biology撰寫題為“Exploiting Broad-Spectrum Disease Resistance in Crops: From Molecular Dissection to Breeding”的綜述論文宛畦。文章分為兩大部分兵琳，第一大部分1-3小節(jié)坝疼，主要是論述分子層面的抗病過(guò)程，第二大部分是4-5小節(jié)令杈，提出了如何將BSR應(yīng)用到育種過(guò)程中去正卧，我主要關(guān)注的是第一大部分，后面的部分僅作了解池磁。
Abstract
Broad-spectrum resistance(BSR)是一個(gè)優(yōu)良的性狀因?yàn)樗梢詫?duì)超過(guò)一種病原菌或同一病原菌的大多數(shù)病原小種產(chǎn)生抗性奔害。本文報(bào)道了不同物種BSR基因的鑒定和功能解析工作，并討論了BSR在分子育種中的應(yīng)用地熄。
1.Introduction
1.1 作物面臨的病害
作物面臨的病害有真菌华临，卵菌，細(xì)菌端考，病毒和線蟲雅潭。
Broad-spectrum resistance(BSR):植物能抵抗兩種病原菌或?qū)ν徊≡亩鄠€(gè)病原小種產(chǎn)生抗性的。
Resistance(R) genes:對(duì)病原菌產(chǎn)生抗性的基因却特，如編碼表面受體(receptor-like kinases)的基因和細(xì)胞內(nèi)受體NLRs(能直接或間接地檢測(cè)同源的病原菌效應(yīng)子)
Quantitative trait locus(QTL):一段特定的染色體區(qū)域或負(fù)責(zé)生物體群體表型中數(shù)量性狀變異的遺傳位點(diǎn)扶供。
Species-nonspecific broad-spectrum resistance(SNS BSR):植物對(duì)多于一種病原菌產(chǎn)生抗性。
Race-nonspecific broad-spectrum resistance(RNS BSR):植物對(duì)同一病原菌的多個(gè)小種產(chǎn)生抗性裂明。
1.2 在作物生產(chǎn)中使用BSR
育種家早先使用單顯性或隱性的R基因椿浓，因?yàn)樗鼈冃?yīng)強(qiáng)且容易選擇。大多數(shù)基因具有對(duì)單一或少數(shù)病原菌的特異小種產(chǎn)生抗性;然而闽晦，致病菌種群的突變和毒力的轉(zhuǎn)移使這些抗特異小種的R基因有效性很短扳碍，而由QTLs控制的部分抗病性通常沒(méi)有小種特異性。盡管在同一遺傳背景結(jié)合單一R基因和QTLs對(duì)抗病性是有效的仙蛉，但是技術(shù)上是有難度的并且耗時(shí)長(zhǎng)笋敞。因此，選擇BSR就被提上了日程捅儒。
1.3 植物免疫系統(tǒng)
PTI和ETI液样。
2.SNS BSR蛋白的結(jié)構(gòu)和功能
2.1 與膜聯(lián)系的PRR
PAMPs通常對(duì)于病原菌的生存是至關(guān)重要的并且進(jìn)化上是保守的振亮。植物的PRRs是膜定位的RLKs或RLPs巧还。來(lái)自擬南芥，水稻和馬鈴薯的五個(gè)PRRs被報(bào)道是SNS BSR(T1)坊秸。擬南芥第一個(gè)RLK-PRR是FLS2麸祷，對(duì)包括假單胞菌在內(nèi)的具有鞭毛蛋白細(xì)菌都有SNS BSR；在其他物種中異源表達(dá)FLS2增強(qiáng)了其對(duì)一些細(xì)菌的抗性褒搔。細(xì)菌的另一種PAMP阶牍，elf18喷面，是EF-TU N端的抗原表位，被EFR識(shí)別走孽，也作為一種SNS BSR蛋白來(lái)調(diào)節(jié)擬南芥對(duì)細(xì)菌病害的抗性惧辈。Xa21是作物中第一個(gè)RLK-PRR R基因，對(duì)Xoo和Xoc的大多數(shù)小種都有抗性磕瓷。在柑橘盒齿、擬南芥、香蕉中異源表達(dá)Xa21增強(qiáng)了對(duì)多種細(xì)菌病害的抗性困食。水稻中包含Lysin motif的蛋白LYP4和LYP6是雙功能PRRs边翁，可以感知細(xì)菌肽聚糖和真菌幾丁質(zhì)，激活對(duì)細(xì)菌和真菌的抗性硕盹。擬南芥中RLP-PRR RLP23與LRR受體激酶SOBIR1和BAK1形成三聚體來(lái)調(diào)節(jié)微生物蛋白壞死和乙烯誘導(dǎo)(Necrosis and ethylene-inducing peptide 1-like protein,NLP)的免疫反應(yīng)符匾。因此可以說(shuō)明，識(shí)別廣泛的微生物模式的PRRs可能特別適合于設(shè)計(jì)作物免疫瘩例。
2.2 NLR蛋白
首次鑒定的SNS-BSR NLR蛋白是與擬南芥抗性相關(guān)的RRS1(RESISTANCE TO RALSTONIA SOLANACEARUM1)與RPS4(RESISTANCE TO PSEUDOMONAS SYRINGAE4)啊胶，它們作為雙重的R基因系統(tǒng)，對(duì)細(xì)菌和真菌都產(chǎn)生抗性仰剿。RPS4與RRS1成對(duì)工作创淡，觸發(fā)超敏反應(yīng)(HR)，對(duì)含有AvrRps4的丁香假單胞菌產(chǎn)生抗性南吮。除了AvrRps4, RRS1/RPS4還能識(shí)別來(lái)自青枯菌的效應(yīng)蛋白PopP2琳彩。此外，RRS1和RPS4都是抵抗真菌病原菌炭疽病所必需的部凑，可能是通過(guò)識(shí)別一種未知的效應(yīng)子露乏。
Wall-associated kinases(WAKs):植物的一類受體激酶，包含胞外的聚半乳糖醛酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域涂邀，跨膜結(jié)構(gòu)域和胞內(nèi)的Ser/Thr激酶結(jié)構(gòu)域瘟仿。
Defense-signaling genes:在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中發(fā)揮功能的基因，與病原菌的識(shí)別和防衛(wèi)激活聯(lián)系起來(lái)比勉。
Pathogenesis-related(PR) genes:在防衛(wèi)響應(yīng)下游的基因劳较，負(fù)責(zé)抗菌類物質(zhì)的產(chǎn)生。
NHR(Nonhost resistance):植物對(duì)所有非適應(yīng)性病原菌的抗病性;植物對(duì)大多數(shù)可能致病的微生物表現(xiàn)出的最常見(jiàn)的抗病性浩聋。
2.3 防衛(wèi)信號(hào)蛋白
總共42個(gè)防衛(wèi)信號(hào)基因被認(rèn)為參與到SNS BSR抗性中(Supplemental Table1)观蜗。
MAPKs是眾所周知的防御信號(hào)蛋白，它將防御信號(hào)從免疫受體傳遞到下游蛋白;例如衣洁，OsMAPK5負(fù)向調(diào)節(jié)水稻對(duì)細(xì)菌性病原菌 細(xì)菌性古枯病和真菌稻瘟病的抗性墓捻。OsMPK15負(fù)調(diào)控PR基因表達(dá)和ROS積累，osmpk15敲除突變體增強(qiáng)了對(duì)Xoo和多個(gè)稻瘟病小種的SNS BSR坊夫。
除了MAPKs砖第，其他的激酶撤卢，如RLKs和RLCKs，也在SNS-BSR中發(fā)揮功能梧兼。兩個(gè)水稻的WAKs放吩，OsWAK25和OsWAK91，對(duì)于SNS BSR抗稻瘟病和白葉枯是重要的羽杰。
蛋白質(zhì)泛素化介導(dǎo)的降解也在SNS BSR中發(fā)揮重要作用屎慢。水稻U-box E3基因Spl11(SPOTTED LEAF11)編碼了細(xì)胞死亡的負(fù)調(diào)控因子，而spl11突變體增加了對(duì)稻瘟病和Xoo的SNS BSR忽洛。敲除SPIN6(SPL11-interacting Protein 6)也增強(qiáng)了植物對(duì)這兩種病原菌的抗性腻惠。另一個(gè)多亞基E3泛素連接酶OsCUL3a (Cullin3a)通過(guò)靶向和降解OsNPR1(NONEXPRESSER OF PATHOGENESIS-RELATED 1)負(fù)調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡和對(duì)稻瘟病和白葉枯的SNS BSR。OsBAG4是人BAG(Bcl2-associated athanogene)在水稻中的同系物欲虚，它與RING結(jié)構(gòu)域的E3泛素連接酶EBR1(Enhanced Blight and blast)形成一個(gè)模塊集灌，控制程序性細(xì)胞死亡和SNS BSR對(duì)稻瘟病和白葉枯的抗性。
表觀調(diào)控SNS BSR复哆。如水稻中沉默HDT701(HISTONE H4 DEACETYLASE GENE 701)增強(qiáng)了對(duì)稻瘟病和白葉枯的抗性欣喧。
轉(zhuǎn)錄因子是植物免疫信號(hào)中關(guān)鍵的成分，在調(diào)控防衛(wèi)基因表達(dá)中發(fā)揮重要的作用梯找。如WRKY類轉(zhuǎn)錄因子唆阿，過(guò)表達(dá)OsWRKY45-1 or OsWRKY45-2激活了對(duì)稻瘟病的抗性但是抑制了對(duì)紋枯病的抗性，此外這兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控水稻對(duì)細(xì)菌的抗性中發(fā)揮相反的作用：OsWRKY45-1負(fù)調(diào)控水稻對(duì)Xoo和Xoc的抗性锈锤，而OsWRKY45-2正調(diào)控水稻對(duì)Xoo和Xoc的抗性驯鳖。在擬南芥中，過(guò)表達(dá)NPR1增強(qiáng)了對(duì)細(xì)菌病原菌丁香假單胞菌和卵菌的SNS BSR久免，且這種抗性是有劑量效應(yīng)的浅辙。值得注意的是，NPR1過(guò)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致自發(fā)免疫和多效表型阎姥。
2.4 致病性相關(guān)蛋白
抗菌物質(zhì)(保衛(wèi)酶记舆，防衛(wèi)素，次級(jí)代謝物如植物抗毒素呼巴，ROS泽腮，胼胝質(zhì)的沉積，細(xì)胞壁修飾和程序性細(xì)胞死亡)的產(chǎn)生通常受PR基因調(diào)控的衣赶，這在植物中是唯一的诊赊，并且對(duì)多種病原菌都有效。
這些PR基因的SNS BSR通常由過(guò)表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)屑埋，如在擬南芥中過(guò)表達(dá)CaAMP1(Capsicum annuum ANTIMICROBIAL PROTEIN1)增強(qiáng)了其對(duì)多種病原菌的抗性豪筝。
植物激素合成相關(guān)的蛋白也在BSR中發(fā)揮重要作用痰滋，如OsACS2(乙烯合成酶) 摘能。過(guò)表達(dá)OsACS2增強(qiáng)了乙烯的產(chǎn)生续崖，防衛(wèi)基因表達(dá)，和對(duì)紋枯和大多數(shù)稻瘟病小種的抗性团搞；但過(guò)表達(dá)OsACS2對(duì)農(nóng)藝性狀沒(méi)有影響严望。
2.5 感病性蛋白
Susceptibility (S)gene：促進(jìn)感染過(guò)程或支持與病原菌感病性的任何植物基因。
S基因通常被病原菌靶向或誘導(dǎo)來(lái)負(fù)調(diào)控宿主抗病性逻恐。Xa5,編碼TF IIA的γ亞基 ,是水稻中鑒定的第一個(gè)S基因和被發(fā)現(xiàn)負(fù)調(diào)節(jié)對(duì)Xoo和Xoc多個(gè)小種的SNS BSR像吻。Xa13/OsSWEET11 編碼一個(gè)糖運(yùn)輸?shù)鞍祝龠M(jìn)了細(xì)菌和真菌侵染复隆，失活后增強(qiáng)了對(duì)Xoo和紋枯的抗性拨匆。
在水稻中克隆了Bsr-k1(BROAD -SPECTRUMRESISTANCE KITAAKE-1)，發(fā)現(xiàn)其編碼了一種肽重復(fù)結(jié)構(gòu)域RNA結(jié)合蛋白挽拂，并且負(fù)調(diào)控SNS BSR惭每。Bsr-k1敲除導(dǎo)致水稻苯丙氨酸解氨酶基因(OsPALs)表達(dá)上調(diào)，并且增強(qiáng)了水稻對(duì)稻瘟病和Xoo的抗性亏栈。
2.6. Quantitative Trait Loci
與主要的基因介導(dǎo)的抗性相比台腥，QTLs控制的數(shù)量抗性通常被認(rèn)為是非物種特異性的，且更持久绒北。
Lr34/Yr18/Pm38編碼一種ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白黎侈，該蛋白能部分抵抗小麥的葉銹病、條銹病和白粉病闷游。
2.7. 非寄主抗性蛋白
NHR是植物對(duì)大多數(shù)潛在致病性微生物表現(xiàn)出的最常見(jiàn)的抗病形式峻汉。第一個(gè)被分離的NHR基因是擬南芥的NHO1(NONHOST 1)，它正調(diào)節(jié)對(duì)幾種非宿主病原體的SNS BSR脐往，如丁香假單胞菌和灰霉病菌俱济。
3.RNS BSR的結(jié)構(gòu)和功能
3.1細(xì)胞質(zhì)中的NLRs和其他類型的R基因
水稻6號(hào)染色體上的Pi2/Pi9位點(diǎn)包含多個(gè)RNS-BSR基因，包括Pi2钙勃、Pi9蛛碌、Pi50、piz-t和Pigm辖源。
9個(gè)RNS-BSR R基因編碼非NLR蛋白(補(bǔ)充表2);例如蔚携，水稻基因Xa4編碼WAK蛋白，并在不影響糧食產(chǎn)量的情況下提供了對(duì)Xoo的持久的RNS BSR克饶。在未接病的植物中酝蜒，XA4激活纖維素合成酶基因CesA的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)纖維素生物合成矾湃，抑制擴(kuò)張素表達(dá)亡脑，增加植物細(xì)胞壁的機(jī)械強(qiáng)度，抑制Xoo侵染。
3.2 防衛(wèi)信號(hào)蛋白
泛素化介導(dǎo)的信號(hào)通路通過(guò)激活NLRs和下游免疫信號(hào)從而在RNS BSR中發(fā)揮重要作用霉咨。水稻E3 OsBBI1(BLAST AND BTH-INDUCED 1)通過(guò)修改宿主細(xì)胞壁來(lái)對(duì)稻瘟病產(chǎn)生RNS BSR蛙紫。過(guò)表達(dá)OsBBI1 增加了ROS，如H2O2的積累途戒。水稻中另一種E3 OsPUB15與水稻稻瘟病的R蛋白Pid2互作，從而正調(diào)控細(xì)胞死亡和基礎(chǔ)抗性喷斋，因此對(duì)稻瘟病有RNS BSR唁毒。
蛋白激酶類基因也參與RNS BSR。OsBRR1正調(diào)對(duì)稻瘟病的抗性星爪；六倍體小麥克隆到的LecRK-V(L-type lectin receptor kinase V),在苗期和成熟期產(chǎn)生對(duì)白粉病的抗性浆西。
3.3 感病蛋白
Pyramiding:通過(guò)遺傳策略把兩個(gè)或兩個(gè)以上的基因結(jié)合起來(lái)形成優(yōu)良品系或品種的過(guò)程。
Marker-assisted selection (MAS):這是傳統(tǒng)育種的一個(gè)補(bǔ)充工具顽腾，其中個(gè)體的選擇取決于多態(tài)分子標(biāo)記和性狀之間的聯(lián)系室谚。
目前為止已鑒定五種S基因來(lái)傳遞 RNS BSR。Mlo是大麥中鑒定的第一個(gè)S基因崔泵，后來(lái)發(fā)現(xiàn)在幾乎所有高等植物中都存在秒赤。MLO定位在膜上，包含保守的跨膜結(jié)構(gòu)域和C端的鈣調(diào)蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域憎瘸。
水稻中的S基因入篮，Pi21(QTL)編碼富含脯氨酸的蛋白，有一個(gè)重金屬結(jié)合結(jié)構(gòu)域和蛋白互作結(jié)構(gòu)域幌甘。pi21的隱性等位基因(在富含脯氨酸的motif上發(fā)生突變)對(duì)一些稻瘟病小種有RNS BSR潮售。另一個(gè)水稻RNS-BSR S基因 Bsr-d1(Broad-spectrum resistance Digu 1) 編碼C2H2類TF，在Bsr-d1啟動(dòng)子區(qū)一個(gè)單核苷酸的突變?cè)鰪?qiáng)了與MYB轉(zhuǎn)錄因子 MYBS1的結(jié)合锅风，抑制了Bsr-d1的表達(dá)酥诽，增強(qiáng)了對(duì)多個(gè)稻瘟病小種的抗性。一些S基因也在rice-Xoo的病理系統(tǒng)中起作用皱埠，包括Xa25/OsSWEET13和Xa41(t)/OsSWEET14肮帐，它們編碼促進(jìn)細(xì)菌侵染的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，減少了對(duì)Xoo的RNS BSR
3.4 QTL
三個(gè)RNS-BSR QTL已在小麥边器、玉米和馬鈴薯中被克隆训枢。小麥中的Fbb1，玉米中的ZmWAK-RLK忘巧，馬鈴薯的R8.
4.實(shí)現(xiàn)BSR的植物育種策略
4.1 聚合多個(gè)R基因
包含多個(gè)R基因的水稻通常比包含單個(gè)R基因的水稻抗譜要廣恒界。如，包含Pi2/Pi1, Pigm/Pi54砚嘴，Pi2/Pi54, and Piz-t/Pi54對(duì)的水稻株系比只含單個(gè)R基因的抗性要好十酣。使用MAS獲得的Xa4涩拙、Xa21、Xa7耸采、Xa23和Xa27聚合的優(yōu)良水稻品種比只有一個(gè)基因的品系具有更廣的抗性譜和更高的抗性水平兴泥。
4.2 將R基因和QTL結(jié)合
4.3 修改免疫受體的表達(dá)和結(jié)構(gòu)
當(dāng)植物不受病原體侵襲時(shí)，通常嚴(yán)格控制植物基因的表達(dá)以避免自身免疫;然而洋幻，少數(shù)R基因的過(guò)表達(dá)可以激活免疫反應(yīng)，產(chǎn)生抗多種病原菌的BSR翅娶，而不會(huì)引起高水平的細(xì)胞死亡文留。如使用不同的啟動(dòng)子，包括天然的WRKY13啟動(dòng)子和玉米u(yù)bi啟動(dòng)子竭沫，增加水稻R基因Xa3/Xa26的表達(dá)燥翅，可以增加對(duì)Xoo抗譜。過(guò)表達(dá)水稻PRRs OsLYP4和OsLYP6的使對(duì)Xoo和稻瘟病產(chǎn)生BSR蜕提。
4.4 在植物中誘導(dǎo)型表達(dá)病原菌激發(fā)子和無(wú)毒基因
4.5防衛(wèi)信號(hào)和病原菌相關(guān)基因的改變表達(dá)
利用防御信號(hào)和PR基因來(lái)設(shè)計(jì)BSR是可能的森书，因?yàn)樗鼈兺ǔＴ诿庖呤荏w的下游起作用。
4.6 感病基因的基因組編輯
使用TALEN/CRISPR靶向小麥的Mlo位點(diǎn)使得植物抗白粉病谎势。番茄中凛膏，使用CRISPR敲除Mlo的同源基因SIMlo1導(dǎo)致抗白粉病。水稻中脏榆，CRISPR誘導(dǎo)的敲除Pi21的富含脯氨酸motif提供了對(duì)稻瘟病的RNS BSR猖毫，編輯三個(gè)SWEET基因的啟動(dòng)子區(qū)導(dǎo)致了秈梗稻中對(duì)所有測(cè)試的Xoo株系的BSR。
4.7 使用多種策略來(lái)實(shí)施BSR
在水稻中须喂，在多個(gè)地點(diǎn)混合種植兩年的抗病和感病品種可以大大降低兩個(gè)品種稻瘟病的嚴(yán)重程度吁断。
5.潛在的挑戰(zhàn)和可能的解決方案
5.1 鑒定平衡BSR和產(chǎn)量的新基因
pigm，bsr-d1坞生，IPA1仔役。
5.2 使用上游開(kāi)放閱讀框消除防御蛋白對(duì)植物生長(zhǎng)的負(fù)面影響
免疫受體、防御信號(hào)是己、PR和NHR基因等的過(guò)表達(dá)常常導(dǎo)致細(xì)胞死亡和侏儒表型又兵。上游的開(kāi)放閱讀框，在5‘UTR區(qū)域卒废，是翻譯過(guò)程和mRNA周轉(zhuǎn)強(qiáng)有力的順勢(shì)調(diào)控元件寒波，在被子植物基因組中含量豐富。
5.3 栽種BSR品種時(shí)減少病原菌的選擇壓力
BSR品種的廣泛和長(zhǎng)期種植可能會(huì)增加病原菌的選擇壓力升熊，增加耐藥群體的出現(xiàn)俄烁。建立用于評(píng)價(jià)不同品種抗病能力的自然病圃，也將有助于檢驗(yàn)BSR基因的有效性级野。
5.4 在作物育種中鑒定和使用非宿主抗病基因
5.5 對(duì)物種內(nèi)和物種間免疫受體轉(zhuǎn)移的優(yōu)化策略
將PRR和NLRs或QTLs結(jié)合页屠，能夠增強(qiáng)抗性水平和轉(zhuǎn)基因的抗譜粹胯。
5.6 選擇合適的BSR基因組合
以前的研究表明，在一個(gè)金字塔中辰企，一個(gè)R基因可能掩蓋了其他基因的影響风纠，這樣一些R基因組合比其他組合提供更少的抗病性。含piz5和Pita的水稻抗病性低于單獨(dú)含piz5的水稻牢贸。
5.7 篩選提供BSR的基因竹观，以對(duì)抗作物中的死體性和活體性病原菌
活體性病原菌和死體性病原菌使用不同的策略:死體性病原體殺死宿主組織，因?yàn)樗鼈冊(cè)谒兰?xì)胞或垂死細(xì)胞的內(nèi)容物上定植并茁壯成長(zhǎng)潜索，而活體性病原菌則依賴活的宿主細(xì)胞來(lái)完成它們的生命周期臭增。在許多情況下，對(duì)活體性病原菌具有抗性的植物容易受到死體性病原菌的感染竹习，反之亦然誊抛。
要點(diǎn)總結(jié)
1.新品種BSR的選擇是作物育種中重要的目標(biāo)。
2.BSR基因編碼PRRs整陌，NLRs和其他的防衛(wèi)相關(guān)蛋白拗窃。
3.以QTLs、感病性丟失泌辫、非宿主抗性為基礎(chǔ)的基因也涉及到BSR随夸。
4.作物中長(zhǎng)期的BSR能夠通過(guò)不同的育種策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。
5.低成本的定位策略震放，如RenSeq逃魄，能夠應(yīng)用到野生品種BSR基因的快速分離。
6.基因組編輯技術(shù)澜搅，如CRISPR伍俘，在BSR設(shè)計(jì)育種中發(fā)揮重要作用。
論文鏈接：https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-arplant-010720-022215
