植物類病變突變體的研究進(jìn)展

劉思辰，曹曉寧，王海崗，王君杰，陳凌，田翔，秦慧彬，喬治軍

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所，農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，雜糧種質(zhì)資源發(fā)掘與遺傳改良山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030031）

植物類病變（lesion mimic）是指在無(wú)外界致病因素和逆境因素的影響下，植株葉片、葉鞘等部位自發(fā)產(chǎn)生壞死斑的現(xiàn)象。多種植物中均發(fā)現(xiàn)類病變突變體[1]。類病變突變與植物過(guò)敏性反應(yīng)（hypersensitive response，HR）癥狀類似[2]，可在類病變產(chǎn)生部位發(fā)生細(xì)胞壞死，屬于程序化細(xì)胞死亡（programmed cell death，PCD），而且許多斑點(diǎn)葉突變體對(duì)某些植物病原物表現(xiàn)出了一定的抗性[3]。因此，研究類病變突變體對(duì)了解細(xì)胞的程序性死亡以及植株抗病反應(yīng)機(jī)制具有重要意義[4]。類病變突變體也是抗病種質(zhì)資源的重要來(lái)源。在大麥中發(fā)現(xiàn)的類病變突變體mlo對(duì)白粉病生理小種都具有持久抗性[5]，類病變突變體mlo在歐洲許多國(guó)家已經(jīng)大面積種植。

本研究通過(guò)綜述植物類病變突變體的來(lái)源、類病變表型的形成機(jī)制及類病斑基因的研究進(jìn)展，對(duì)深入研究植物類病變突變體對(duì)作物抗病的分子機(jī)理研究和栽培品種的遺傳改良都具有重要的意義。因此，類病變突變體的研究也能夠?yàn)榫哂休^寬的抗譜、抗性持久的抗病基因提供豐富的種質(zhì)資源。

1 類病變變異的來(lái)源

類病變突變體主要來(lái)源有2種，即自然變異和人工誘變。

1.1 自然變異

自然變異頻率很低，僅為10-8～10-5，此類突變體占比較小。1965年，SEKIGUCHI等發(fā)現(xiàn)了水稻第一個(gè)自然突變的類病變突變體sl（sekiguchi lesion），該突變性狀受1對(duì)隱性基因控制。隨后，bl1、bl2和spl1等水稻自然類病變突變體被相繼發(fā)現(xiàn)[6]。

1.2 人工誘變

其主要包括物理、化學(xué)和生物誘變等。物理誘變是指利用各種高能射線進(jìn)行照射處理植物種子進(jìn)行人工誘發(fā)變異，如水稻突變體lmi、spl3、spl5、rls1等[7]?；瘜W(xué)誘變是利用化學(xué)誘變劑（如烷化劑、堿基類似物、抗生素等）處理植物組織，最常用的誘變劑是EMS。如lsd1、acd1、lmm1、spl11、spl29和les23等都是通過(guò)EMS誘導(dǎo)獲得的類病變突變體[7-8]。生物誘變主要包括T-DNA插入[9]、轉(zhuǎn)座子插入[6]等發(fā)生的變異，導(dǎo)致植株出現(xiàn)病斑表型。此外，在植物組織培養(yǎng)過(guò)程中體細(xì)胞再生也會(huì)導(dǎo)致類病變的發(fā)生。

2 類病變突變體的特征

類病變主要發(fā)生部位是葉片或葉鞘，其病斑的顏色和性狀不同，病斑出現(xiàn)的時(shí)期也有差異，多數(shù)出現(xiàn)在苗期也就是播種后2～3周（如水稻類病變突變體spl1～spl4）。但也有些突變體的斑點(diǎn)直到孕穗期才出現(xiàn)，如水稻類病變突變體sp16。根據(jù)病斑的擴(kuò)展方式，類病變突變體也可分為起始型和擴(kuò)散型2類[10]。起始型突變體斑點(diǎn)是一種局部自發(fā)性的細(xì)胞壞死現(xiàn)象，不向周邊蔓延擴(kuò)散，如blm和M1009。擴(kuò)散型突變體的病斑會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)葉片及植株，如spl1和lmm1[7]。

3 類病變突變體的遺傳模式

大多數(shù)突變體為單個(gè)基因控制，主要受1～2個(gè)基因控制，在玉米中多數(shù)為顯性突變，定位玉米斑點(diǎn)突變的基因分布在各個(gè)染色體上。小麥中已報(bào)道的類病變突變體有7個(gè)，除了突變體C591（M8）受顯性基因控制外，其余均為隱性遺傳。迄今報(bào)道的200多例水稻斑點(diǎn)突變，已經(jīng)對(duì)80多份類病變突變體材料進(jìn)行了遺傳分析和鑒定，類病變性狀主要受1～2個(gè)核基因控制，在這些突變體中有73個(gè)受單隱性基因控制。

4 類病變基因的克隆與功能分析

表1 植物類病變基因

自第1例類病變突變體報(bào)道以來(lái)，研究人員利用各種分子遺傳學(xué)技術(shù)，在擬南芥、玉米、大麥、水稻、番茄等的類病變突變體中克隆到多個(gè)控制類病變性狀的基因（表1）。

5 類病變突變體表型的形成機(jī)制

5.1 抗病基因的改變或功能缺失

植物抗病基因的改變啟動(dòng)了過(guò)敏反應(yīng)，導(dǎo)致植物細(xì)胞程序性死亡提前發(fā)生，誘發(fā)植物發(fā)生類病斑的癥狀。大麥抗白粉病基因Mlo的堿基突變致使其突變體自發(fā)形成壞死斑[20]。水稻NLS1基因、玉米R(shí)P1基因及番茄Pto基因的突變，會(huì)引發(fā)過(guò)敏性反應(yīng)和程序性細(xì)胞死亡，形成壞死病斑。

5.2 正常代謝途徑紊亂

植物正常代謝紊亂會(huì)使植物PCD途徑受到干擾，有可能引起類病變表型的發(fā)生。主要涉及脂肪酸、氨基酸以及卟啉代謝途徑等。玉米類病變les22基因突變顯著降低尿卟啉原脫羧酶活性，誘導(dǎo)植株產(chǎn)生病變表型[5]。水稻中nls1基因突變伴隨防御反應(yīng)組成性表達(dá)，其突變體中活性氧大量積累，導(dǎo)致類病變表型的發(fā)生[28]。水稻rlin1突變體由于編碼糞卟啉原III氧化酶的基因發(fā)生單堿基突變致使該酶活性降低，影響糞卟啉原Ⅲ氧化形成原卟啉Ⅸ的生化反應(yīng)過(guò)程，導(dǎo)致植株出現(xiàn)類病變表型[21]。擬南芥SSCD1基因突變后絡(luò)氨酸降解異常，植株出現(xiàn)病斑表型[31]。MOU等[35]研究發(fā)現(xiàn)，編碼擬南芥脂肪酸合成的關(guān)鍵酶（烯酰-ACP還原酶enoyl-ACP reductase，ENR）的mod1基因發(fā)生突變后，烯?；；d體蛋白還原酶的活性顯著降低，阻礙脂肪酸的合成，植株表現(xiàn)出類病變表型。水稻中多不飽和脂肪酸合成途徑中的關(guān)鍵酶OsSSI2基因突變導(dǎo)致類病變的產(chǎn)生[17]。

5.3 活性氧在植物體內(nèi)的積累

類病變突變體壞死病斑的產(chǎn)生往往伴隨著活性氧物質(zhì)的積累，這些富集的ROS可以直接破壞正常細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致類病變的產(chǎn)生。玉米les22突變體的葉片細(xì)胞壞死就是由活性氧積累直接造成的[28]。擬南芥突變體rcd1中過(guò)氧化物（O2-）和臭氧分子（O3）的過(guò)量積累導(dǎo)致產(chǎn)生壞死病斑[36-37]。水稻noe1突變體中編碼基因改變后，葉片中H2O2過(guò)量積累，最終誘導(dǎo)突變體植株產(chǎn)生類病變的表型[38]。

5.4 植株體內(nèi)激素失調(diào)

激素信號(hào)在類病變表型發(fā)生的過(guò)程中起著重要的作用，主要是乙烯、水楊酸和茉莉酸，這幾種激素代謝失調(diào)均有可能導(dǎo)致類病變的發(fā)生。水稻OsSSI2基因的突變導(dǎo)致內(nèi)源水楊酸含量和防御因子WRKY45表達(dá)量的上調(diào)[17]。水稻中敲除OsEDR1基因影響乙烯的合成，破壞體內(nèi)的激素平衡，從而誘發(fā)產(chǎn)生類病變壞死病斑[16]。擬南芥突變體hrl1中乙烯、水楊酸過(guò)量也會(huì)導(dǎo)致病變表型的產(chǎn)生。上述結(jié)果暗示，植物激素可能參與植物類病變表型的發(fā)生。

5.5 生長(zhǎng)環(huán)境因素

生長(zhǎng)條件同樣可以誘導(dǎo)植物類病變表型的產(chǎn)生。玉米類病變突變體les22的類病變表型受光照的誘導(dǎo)[28]。劉道峰等[39]用錫紙遮光處理lmi突變體葉片，發(fā)現(xiàn)遮光部位無(wú)壞死斑點(diǎn)形成，表明lmi突變體細(xì)胞受光照誘導(dǎo)。MATEO等[40]構(gòu)建了lsd1cao雙突變體探討病斑形成與光系統(tǒng)II的關(guān)系，推測(cè)lsd1類病變的表達(dá)與光合系統(tǒng)II有關(guān)。王建軍等[41]對(duì)6個(gè)水稻lrd類病變突變體進(jìn)行不同溫度梯度處理，發(fā)現(xiàn)低溫明顯促進(jìn)突變體lrd35和lrd40類病變發(fā)生，突變體lrd31在中溫下出現(xiàn)壞死斑。JAMBUNATHAN等[42]研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥cpnl突變體屬于濕度敏感型突變體，通過(guò)調(diào)控Ca2+流向負(fù)向調(diào)控細(xì)胞死亡，產(chǎn)生類病變表型。

6 類病變突變體的抗病性研究

目前，已鑒定的很多類病變突變體或多或少都表現(xiàn)出增強(qiáng)的抗病性，不同的突變體抗病性存在較大的差異[42]。水稻突變體spl1、spl5、spl9和spl11表現(xiàn)出稻瘟病抗性增強(qiáng)，spl21、lmes1、hm197等12個(gè)突變體為白葉枯病抗性增強(qiáng)，突變體lmm1則是紋枯病抗性增強(qiáng)。這些突變體的抗病譜狹窄，其在育種上的應(yīng)用并不多。一些具有廣譜抗性的突變體有非常高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，例如，在大麥中發(fā)現(xiàn)的類病變突變體mlo，對(duì)白粉病具有廣譜性抗性，在歐洲許多國(guó)家已經(jīng)大面積種植。水稻中也有具有廣譜抗性的類病變突變體如spl11、lrd40、spl5等，為水稻抗病育種提供了非常重要的材料來(lái)源。

7 展望

類病變突變體是研究植物對(duì)病原菌的防御機(jī)制和程序性細(xì)胞死亡的理想材料。通過(guò)對(duì)類病變突變體研究，發(fā)現(xiàn)類病變的研究不僅涉及程序性細(xì)胞死亡、抗病抗逆生理以及HR反應(yīng)產(chǎn)生的活性氧與自由基等方面，還與光信號(hào)及溫度誘導(dǎo)信號(hào)等有著密切的聯(lián)系。植物對(duì)病原菌的廣譜抗性通常在其類病變突變體中表現(xiàn)出來(lái)，因此，類病斑突變體是植物育種中重要的抗病種質(zhì)資源。然而，部分類病變突變體還伴隨著株高降低、產(chǎn)量下降、分蘗能力減弱、早衰、雄性不育等農(nóng)藝性狀的改變[42-43]，使得類病變突變體中表現(xiàn)出來(lái)的廣譜抗性直接應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在困難。因此，發(fā)掘?qū)r(nóng)藝性狀影響小、并具有廣譜抗性的類病變突變體材料在抗病育種上具有重大意義。