精准调控马铃薯晚疫病抗性基因：平衡植物抗性与生长的新策略

《Horticulture Advances》：Regulation of potato late blight resistance genes by different promoters and translation regulators

为解决马铃薯晚疫病防治及多抗性基因（R 基因）堆叠带来的问题，研究人员开展了不同启动子和翻译调控因子对马铃薯晚疫病抗性基因调控的研究。结果表明不同启动子和 uORF 组合可精细调控 R 基因表达，这为培育广谱抗病作物提供了策略。

　　马铃薯晚疫病是全球马铃薯生产中的 “头号杀手”，由致病疫霉（Phytophthora infestans）引起。这种病害每年都会让全球马铃薯产量大幅下降，农民们损失惨重。传统的化学防治方法不仅效果越来越差，还会对环境造成污染。而利用野生马铃薯物种中的 R 基因来培育抗病品种，被认为是一种绿色可持续的策略。但是，多个 R 基因堆叠在一起，就像给植物 “吃” 了过量的 “抗病药”，会影响植物的正常生长，导致细胞死亡（CD）等问题。如何平衡植物的抗病能力和正常生长，成为了亟待解决的难题。

为了攻克这个难题，来自国家园艺作物种质创新与利用重点实验室、湖北洪山实验室等机构的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦在不同启动子和翻译调控因子对马铃薯晚疫病抗性基因的调控上。研究发现，不同启动子和 uORF（上游开放阅读框）组合能够精细调控 R 基因的表达，这一成果对于优化植物抗性与正常生长之间的平衡至关重要，为培育具有广谱抗病性的转基因作物提供了新策略，相关研究成果发表在《Horticulture Advances》上。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是基因克隆技术，从含有相应抗性基因的马铃薯材料基因组 DNA 中克隆出 R_B、R8 和 Vnt1.1 等基因的开放阅读框（ORF）及终止子序列；接着利用农杆菌介导的转化技术，将构建好的载体转入烟草（Nicotiana benthamiana）和马铃薯中；通过半定量逆转录聚合酶链式反应（RT-PCR）技术检测基因的转录水平；运用蛋白质免疫印迹（Western Blot）技术分析蛋白质的表达情况；采用病原菌接种实验，用致病疫霉对转基因马铃薯进行接种，评估其抗病性。

研究结果如下：

1. R 基因过表达诱导细胞死亡：通过将携带 35S 启动子控制的 R_B、R8 和 Vnt1.1 基因的农杆菌浸润烟草叶片发现，在低浓度农杆菌（OD₆₀₀=0.02）时，过表达单个 R 基因不会诱导 CD；但高浓度（OD₆₀₀=0.2）时，R_B和 Vnt1.1 过表达会引发 CD，R8 过表达则未出现明显 CD。而且，同时低水平表达 R8、R_B和 Vnt1.1 会诱导更强的 CD，并伴有活性氧（ROS）爆发。这表明过表达某些 R 基因易引发 CD，对植物产生不利影响，多个 R 基因同时表达可能导致更严重的细胞损伤。
2. uORF 抑制下游蛋白翻译：研究人员发现马铃薯和烟草 HSF24 基因的 uORF 能抑制下游绿色荧光蛋白（GFP）的翻译，且不影响转录。其中，AtuORFs（来自拟南芥 AtTBF1 的 uORF）部分抑制 GFP 翻译，NbuORF（来自烟草 HSF24 的 uORF）和 StuORF（来自马铃薯 HSF24 的 uORF）几乎完全抑制 GFP 翻译。这说明不同物种来源的 uORF 在调控下游蛋白翻译方面功能存在差异。
3. 启动子和 uORF 调控 R_B表达及抗病性：构建一系列组合 35S 或 PVS3 启动子与 uORF 的载体，在烟草叶片中瞬时表达。结果显示，35S::R_B引发强烈 CD，而 PVS3::R_B、35S::AtuORFs_TBF1-R_B和 35S::StuORF_HSF24-R_B引发的 CD 较弱。在转基因马铃薯中，35S::R_B转基因株系对致病疫霉的抗性最强，PVS3::R_B和 35S::StuORF_HSF24-R_B株系表现出中等抗性，35S::AtuORFs_TBF1-R_B和 PVS3::AtuORFs_TBF1-R_B株系则表现出感病性。这表明不同启动子和 uORF 组合能在转录和翻译水平调控 R_B，且 R_B的转录和翻译水平影响其对致病疫霉的抗性。

研究结论和讨论部分指出，强启动子控制下 R 基因过表达虽能增强植物抗性，但易引发 CD。病原菌诱导型启动子如 PVS3，可有效调控抗性相关基因转录，在赋予植物抗性的同时减轻 CD。uORF 可在翻译水平调控 R 蛋白表达，不同 uORF 的抑制效果不同，且具有植物背景依赖性。35S::R_B转基因马铃薯未出现明显生长抑制，其抗性成本可能较低。适度调控 R 基因表达，对避免强 CD、堆叠多个 R 基因具有重要意义。

综上所述，该研究揭示了不同启动子和 uORF 对马铃薯晚疫病抗性基因的调控机制，为精准调控 R 基因表达、培育广谱抗病作物提供了理论依据和技术支持，在农业生产中具有广阔的应用前景，有望为马铃薯晚疫病防治带来新的突破，助力全球粮食安全。