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该综述聚焦植物抗真菌病害领域,指出沉默宿主易感基因(S 基因)可通过破坏病原菌利用的宿主机制,提供广谱持久抗性,是传统抗性基因策略的有效替代。文中分阶段解析三类 S 基因功能,详述 RNA 干扰(RNAi)、病毒诱导基因沉默(VIGS)、CRISPR-Cas9 等基因沉默技术的应用实例,展现 S 基因在抗病育种中的潜力。
植物抗真菌病害新策略:易感基因沉默技术的研究进展
一、真菌病害威胁与传统抗病策略的局限
毁灭性真菌病害已显著降低作物生产力,对全球粮食安全构成潜在威胁。培育抗病品种是抵御真菌病原体的最有效策略,但传统基于抗性基因(R 基因)的方法存在抗谱窄、易因病原菌变异而失效等局限。植物宿主中的易感基因(Susceptibility Genes, S 基因)通常协助病原菌完成侵染过程,包括促进病原体穿透宿主组织、支持其在宿主体内增殖或抑制宿主免疫反应。干扰这类基因的功能可破坏宿主与病原菌的亲和性,从而提供广谱且持久的抗性,为抗病育种开辟了新思路。
二、侵染过程中三类易感基因的功能解析
根据在病原菌侵染不同阶段的作用,S 基因可分为三类:
- 侵染初期辅助基因:主要参与病原菌对宿主细胞的黏附与穿透过程。例如,某些基因编码的细胞壁降解酶抑制剂可抑制宿主释放的防御性酶类,使病原菌能够突破植物表皮屏障。
- 侵染中期增殖支持基因:在病原菌定殖阶段发挥作用,通过调控宿主细胞的代谢通路为病原菌提供营养物质。如部分基因通过激活宿主的糖转运蛋白,将光合产物定向输送至侵染位点,促进病原菌的生长和扩散。
- 免疫抑制相关基因:通过干扰宿主的先天免疫反应(如模式识别受体介导的免疫,PTI)或系统性获得性抗性(SAR),帮助病原菌逃避宿主防御。例如,某些 S 基因编码的蛋白可与宿主免疫信号通路中的关键激酶结合,抑制下游防御基因的表达。
三、基因沉默技术在抗真菌育种中的应用
(一)RNA 干扰(RNA Interference, RNAi)
RNAi 通过引入双链 RNA(dsRNA)诱导同源靶基因的转录后沉默。在植物抗真菌研究中,可通过转基因手段使植物自身表达针对病原菌或宿主 S 基因的 dsRNA。例如,在小麦中沉默编码几丁质合成酶的 S 基因,可显著抑制禾谷镰刀菌的菌丝生长和孢子形成,从而增强抗病性。此外,利用病毒载体递送 dsRNA 的病毒诱导基因沉默(Virus-Induced Gene Silencing, VIGS)技术,可在非转基因植物中实现短期基因沉默,适用于快速筛选抗病靶点。
(二)CRISPR-Cas9 系统
CRISPR-Cas9 作为新一代基因组编辑技术,通过向导 RNA(sgRNA)引导 Cas9 核酸酶在靶基因特定位点产生双链断裂,触发细胞修复机制导致基因敲除或插入突变。在水稻中,利用 CRISPR-Cas9 敲除易感基因OsSWEET14可显著增强对稻瘟病菌的抗性,且该突变性状可稳定遗传至后代。与 RNAi 相比,CRISPR-Cas9 可实现基因组 DNA 水平的永久修饰,具有遗传稳定性高的优势。
(三)技术优势与挑战
基因沉默技术较传统育种方法具有显著优势:①靶向性强,可精准作用于特定 S 基因而不影响其他性状;②抗谱广,因 S 基因多为病原菌侵染的必需宿主因子,沉默后可抵御多种病原菌;③持久性好,遗传修饰可通过生殖细胞传递给后代。然而,其应用仍面临挑战,如 RNAi 在单子叶植物中的递送效率较低,CRISPR-Cas9 系统的脱靶效应需进一步优化,以及转基因技术的生物安全争议等。
四、S 基因在抗病育种中的应用实例与前景
多项研究已证实 S 基因沉默策略的有效性。在番茄中,沉默编码水杨酸羧化酶的 S 基因可通过提高水杨酸积累增强对灰霉病的抗性;在玉米中,利用 VIGS 技术沉默ZmPIP基因可显著抑制大斑病菌的扩展。这些案例表明,靶向 S 基因是一种极具潜力的抗病育种策略。
未来研究方向可聚焦于:①挖掘更多关键 S 基因,解析其在不同植物 - 病原菌互作中的保守功能;②开发高效、安全的基因递送系统,如基于纳米颗粒的非转基因递送技术;③结合多组学技术(如转录组、蛋白组)系统分析 S 基因沉默后的宿主代谢网络变化,避免因单一基因敲除导致的生长缺陷。随着基因编辑技术的不断革新,S 基因沉默策略有望在作物抗真菌育种中发挥重要作用,为保障全球粮食安全提供新工具。