小麥抗病基因的發(fā)現(xiàn)與應用

李鈴仙

運城護理職業(yè)學院，山西運城 044000

小麥抗病基因是小麥植物中起到抵抗病原體侵染和抗病害作用的基因。研究小麥抗病基因，可以揭示小麥抗病機制，更高效地開展抗病育種和病害防控工作。因此，研究和應用小麥抗病基因具有重要的研究意義和實際應用價值。

1 小麥抗病基因發(fā)現(xiàn)與應用研究概述

1.1 研究意義

小麥病害是導致小麥減產(chǎn)和質(zhì)量下降的主要原因之一。通過發(fā)現(xiàn)和應用抗病基因，可以增強小麥的抗病性，減少病害對作物的損害，從而提高小麥產(chǎn)量和質(zhì)量，增強農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性?？共』虻陌l(fā)現(xiàn)和研究不僅有助于增強小麥的抗病性，使作物更能抵御病原菌的侵襲，減少病害對作物的損害。與此同時，抗病基因的發(fā)現(xiàn)和應用還為小麥育種提供了重要的遺傳資源。通過利用抗病基因進行分子標記輔助選擇、基因堆積和轉(zhuǎn)基因育種等策略，可以加速育種進程，培育抗病性更強、適應性更廣的小麥品種，從而減少對農(nóng)藥的使用，這不僅有助于保護生態(tài)環(huán)境，還有助于維持土壤健康和生態(tài)平衡[1-3]。

1.2 小麥抗病基因的發(fā)現(xiàn)與鑒定

小麥抗病基因的發(fā)現(xiàn)與鑒定是一項復雜而關鍵的研究工作，通過整合分子生物學、遺傳學和基因組學等多學科技術，通過遺傳定位、候選基因篩選、抗病基因組學、全基因組關聯(lián)分析、功能驗證等方法，成功追蹤和識別與小麥抗病性密切相關的基因[4]。

通過對不同小麥品種的基因組進行測序和比較分析，在大規(guī)模數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了潛在的抗病基因，候選基因經(jīng)過詳細的功能標定和驗證，揭示其在小麥抗病機制中的作用。從而將成功的抗病基因應用于育種項目，為培育抗病性更強、產(chǎn)量更高的小麥品種提供了重要的科學支持，為提高小麥產(chǎn)量、確保糧食安全，以及減少農(nóng)業(yè)對化學農(nóng)藥的依賴奠定了堅實的基礎[5]。

1.3 基因克隆和DNA序列確定

基因的克隆和DNA序列的確定是現(xiàn)代分子生物學研究至關重要的步驟。小麥基因的克隆和DNA序列的確定是小麥遺傳改良和抗病性研究的關鍵步驟。通過應用分子生物學技術，如PCR和基因組庫構建，選擇性地克隆特定的小麥基因片段，這些基因片段將被插入適當?shù)妮d體中，如質(zhì)粒，形成重組DNA。通過細胞轉(zhuǎn)化等方法，將這些載體導入宿主細胞，實現(xiàn)小麥基因的成功克隆[6-10]。隨后應用高通量測序技術，對這些克隆基因進行DNA序列的精確定序，得到基因的準確堿基序列。此過程不僅為小麥抗病基因的研究奠定重要基礎，還為后續(xù)基因編輯、功能研究以及小麥品種改良提供有用的遺傳信息。

2 小麥抗病基因的功能解析與調(diào)控機制

2.1 抗病基因的功能解析方法

抗病基因的功能解析主要依賴于基因編輯技術、轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學研究。這些方法提供了深入理解抗病基因功能和調(diào)控機制的重要手段。

2.1.1 基因編輯技術的應用一是CRISPRCas9是一種高效的基因編輯技術，可以精確地修改小麥基因組中的目標基因[11]。通過設計合適的引物和引導RNA，可以將Cas9蛋白導向至目標基因的特定位點，并引發(fā)DNA雙鏈斷裂。隨后，細胞中的修復機制會修復斷裂，并引起基因組的變異。利用CRISPRCas9系統(tǒng)，可以靶向抗病基因并引發(fā)其功能的改變，從而驗證基因的抗病功能。

二是除了CRISPR-Cas9的其他基因編輯技術，如TALEN(轉(zhuǎn)錄激活樣效應器核酸酶)和ZFN(鋅指核酸酶)。這些技術也可以被應用于編輯小麥基因組，實現(xiàn)抗病基因的功能驗證[12]。

2.1.2 轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學研究一是轉(zhuǎn)錄組學研究通過對小麥組織或細胞中的全部轉(zhuǎn)錄本進行高通量測序，可以揭示基因在不同條件下的表達模式和調(diào)控網(wǎng)絡。對小麥抗病基因進行轉(zhuǎn)錄組學研究可以鑒定在病害侵染或逆境脅迫下出現(xiàn)顯著變化的基因，進一步確定其與抗病反應相關的功能通路和分子機制。

二是蛋白質(zhì)組學研究可以通過質(zhì)譜分析等技術，全面地鑒定與定量小麥細胞或組織中的蛋白質(zhì)組成。通過比較抗病和易感小麥品種之間蛋白質(zhì)組的差異，可以發(fā)現(xiàn)與抗病性相關的蛋白質(zhì)標志物，并進一步推斷抗病基因的功能和調(diào)控網(wǎng)絡。

綜合應用基因編輯技術、轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學研究，可以對小麥抗病基因進行功能解析[13-15]。這些方法能夠驗證基因的抗病功能、揭示其調(diào)控機制，為小麥抗病育種和病害防控提供重要的理論支持和實踐指導。

2.2 抗病基因調(diào)控機制的研究進展

抗病基因調(diào)控機制的研究主要涉及轉(zhuǎn)錄因子與抗病反應的關系、抗病信號通路和逆境響應網(wǎng)絡兩個方面。

2.2.1 轉(zhuǎn)錄因子與抗病反應的關系一是轉(zhuǎn)錄因子是一類能夠結(jié)合DNA的蛋白質(zhì)，能夠調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄過程[16]。在抗病反應中，轉(zhuǎn)錄因子起著重要的調(diào)控作用，能夠激活或抑制特定基因的表達，從而影響植物對病原體的抗性。

二是多個轉(zhuǎn)錄因子家族已被發(fā)現(xiàn)與小麥的抗病反應相關。例如：WRKY、NAC、bZIP、MYB等家族的轉(zhuǎn)錄因子在小麥的抗病過程中發(fā)揮重要作用。研究人員通過轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學等方法，鑒定了這些轉(zhuǎn)錄因子在病害侵染或逆境脅迫下的表達模式和調(diào)控網(wǎng)絡。

三是轉(zhuǎn)錄因子與其他蛋白質(zhì)和信號分子之間存在復雜的相互作用關系，形成抗病調(diào)控網(wǎng)絡。研究人員通過構建轉(zhuǎn)錄因子-靶基因網(wǎng)絡圖譜，可以揭示抗病基因的調(diào)控關系和信號傳遞路徑[17]。

2.2.2 抗病信號通路和逆境響應網(wǎng)絡一是植物激素在抗病反應中扮演著重要角色。激素信號通路的研究揭示了激素如水楊酸(SA)、乙烯(ET)、赤霉素(GA)、脫落酸(ABA)等對抗病反應的調(diào)節(jié)作用，以及它們與轉(zhuǎn)錄因子之間的相互作用。

二是蛋白激酶和磷酸酶在抗病反應中發(fā)揮重要的調(diào)控作用[18]。這些信號通路能夠感知病原體侵染和逆境脅迫，通過磷酸化和去磷酸化等修飾過程，激活或抑制特定的抗病基因。

三是逆境脅迫會觸發(fā)一系列逆境響應信號，并引發(fā)植物的抗病反應。研究人員通過轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學和代謝組學等綜合分析，揭示了逆境脅迫下小麥抗病基因的表達模式和調(diào)控網(wǎng)絡[19]。

通過對轉(zhuǎn)錄因子與抗病反應的關系，以及抗病信號通路和逆境響應網(wǎng)絡的研究，可以深入了解小麥抗病基因的調(diào)控機制。這些研究進展為小麥抗病育種和病害防控提供了重要的理論依據(jù)和實踐指導。

3 小麥抗病基因的應用與育種

3.1 抗病基因在小麥育種中的應用

抗病基因在小麥育種中的應用主要涉及抗病基因的導入和轉(zhuǎn)座技術，以及基因組選擇和分子標記輔助選擇兩個方面。

3.1.1 抗病基因的導入和轉(zhuǎn)座技術一是通過雜交育種將具有抗病性的親本與小麥進行雜交，將抗病性基因?qū)胄←湣＿@種傳統(tǒng)的育種方法可用于引入單個抗病基因或多個基因的組合。

二是通過基因轉(zhuǎn)導技術，可以將已知的抗病基因從其他物種轉(zhuǎn)移至小麥。包括應用農(nóng)桿菌介導的轉(zhuǎn)化技術將外源DNA片段導入小麥細胞，或利用基因槍等方法直接將DNA片段轉(zhuǎn)移至小麥基因組。

三是轉(zhuǎn)座元件，轉(zhuǎn)座元件是可以在基因組中移動的DNA片段，可以用于將抗病基因?qū)胄←?。轉(zhuǎn)座元件的應用包括轉(zhuǎn)座酶介導的轉(zhuǎn)座技術，通過將轉(zhuǎn)座元件與目標基因連接，將目標基因插入小麥基因組中的特定位點。

3.1.2 基因組選擇和分子標記輔助選擇一方面，基因組選擇是利用分子標記和遺傳圖譜等技術手段，通過分析小麥自然群體或育種群體的遺傳多樣性，選擇具有目標抗病基因或抗病性表型的個體進行后代選擇[20]。這種方法可以加速抗病基因的累積和固定。另一方面，分子標記輔助選擇是利用分子標記與目標抗病基因之間的關聯(lián)，對小麥進行育種選擇。分子標記可以是單核苷酸多態(tài)性(SNP)標記、簡單重復序列(SSR)標記等[21]。通過分子標記輔助選擇，可以更準確地篩選具有目標抗病基因的小麥材料，并加速育種進程。

抗病基因的導入和轉(zhuǎn)座技術，以及基因組選擇和分子標記輔助選擇為小麥育種中的抗病性改良提供了重要的工具和方法。這些應用可以加速選育抗病性更強、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的小麥品種，提高小麥的病害抗性和生產(chǎn)力，滿足人們對食品安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求。

3.2 抗病基因的耐病機制和抗病育種策略

抗病基因的耐病機制和抗病育種策略主要涉及基因堆積和多基因抗性，以及系統(tǒng)抗病育種和抗病品種開發(fā)2個方面。

3.2.1 基因堆積和多基因抗性一方面，基因堆積是將多個抗病基因引入同一品種，使其同時具備多個抗病基因的效應。通過基因堆積，可以增強小麥對多種病害的抗性，并增強抗病穩(wěn)定性?；蚨逊e可以通過雜交育種、基因轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)座技術等方法實現(xiàn)。

另一方面，多基因抗性是指小麥通過多個抗病基因的共同作用，形成一種復雜的抗病反應。不同抗病基因可能對病原體的不同階段或機制產(chǎn)生作用，從而提供更廣譜的抗病性。多基因抗性可以通過基因組選擇和分子標記輔助選擇等方法進行選擇和育種。

3.2.2 系統(tǒng)抗病育種和抗病品種開發(fā)第一，系統(tǒng)抗病育種是一種綜合利用多種遺傳資源和育種方法，以系統(tǒng)的方式增強小麥的抗病性。包括收集和篩選具有抗病性的種質(zhì)資源、進行遺傳分析和分子標記輔助選擇、利用基因編輯技術解析基因功能，以及結(jié)合田間篩選和育種選擇等方法，逐步培育具有較強抗病性的小麥品種。

第二，抗病品種開發(fā)是通過選擇和育種，培育出具有高度抗病性的小麥品種。這需要從廣大種質(zhì)資源中篩選出具有抗病性的親本材料，利用遺傳分析和分子標記輔助選擇等方法，迅速篩選和累積目標抗病基因。通過雜交育種和選擇育種等手段培育出抗病性強、產(chǎn)量穩(wěn)定的小麥品種。

抗病基因的耐病機制和抗病育種策略的研究和應用，可以為小麥抗病育種提供重要的理論指導和技術支持。通過基因堆積和多基因抗性的利用，可以增強小麥對多種病害的抵抗能力。而系統(tǒng)抗病育種和抗病品種開發(fā)的方法能夠提高小麥的整體抗病性和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性。這些策略的綜合應用將為小麥抗病育種提供更加有效、可行的途徑。

3.3 新品種的抗病性評估

新品種抗病性評估是通過一系列系統(tǒng)性方法，旨在確保育種取得的抗病特性能夠在真實的農(nóng)田環(huán)境中表現(xiàn)出強大、持久的效果。

在評估之初，會先選擇特定的小麥病原菌進行實驗室或田間的病原菌接種。通過仔細觀察和記錄新品種生長的各個方面，包括植株外觀和生理狀況，評估其對病害的抵抗程度。采用定量化的方法，如測量病斑的面積和數(shù)量，提供更精確的數(shù)據(jù)，為對抗病性的理解提供深刻的洞察。

在評估中，常常進行病程學研究，以了解新品種在病害發(fā)展不同階段的表現(xiàn)。詳細的時間序列分析有助于確定抗病性是否呈現(xiàn)為早期、持續(xù)或后期的抗性。為了真實模擬農(nóng)業(yè)實踐，新品種需要進行多個地理和氣候條件下的田間試驗，以評估其在不同環(huán)境下的抗病性能力。綜合考慮病程學、定量數(shù)據(jù)，以及實地試驗的結(jié)果，進而計算抗病指數(shù)等評估體系，為新品種的綜合抗病性能提供全面的評價。

4 小麥抗病基因研究的挑戰(zhàn)與展望

小麥抗病基因研究面臨著一些挑戰(zhàn)，但也展現(xiàn)了廣闊的發(fā)展前景。首先，小麥基因組的復雜性和大規(guī)模的基因座位使抗病基因的發(fā)現(xiàn)和鑒定變得困難。此外，小麥的基因功能解析和轉(zhuǎn)基因技術在小麥中的應用面臨一定的技術和法規(guī)限制。

病原體的多樣性和演化能力增加了對抗病基因長期保持抗性的挑戰(zhàn)。然而，隨著高通量測序技術、功能基因組學和系統(tǒng)生物學的快速發(fā)展，人們對小麥抗病基因的理解和研究也在不斷深入。利用轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學和代謝組學等高通量技術，可以全面揭示小麥的抗病機制和調(diào)控網(wǎng)絡。此外，基因編輯技術的出現(xiàn)為精準修改和功能驗證提供了新的工具。

5 結(jié)束語

小麥抗病基因的發(fā)現(xiàn)與應用是一個重要的研究領域，其對小麥病害抵抗性的增強和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在現(xiàn)有小麥抗病基因重要進展的基礎上，對小麥抗病基因的功能解析與調(diào)控機制，以及小麥抗病基因的應用與育種進行研究，為抗病基因的快速篩選和育種提供基礎。面對未來，研究應注重整合多個學科的方法，以及促進其在育種中的應用。