摘要：哈罗德·弗洛（Harold Flor）的基因对基因模型解释了农业生产中抗病（R）基因部署后病原菌通过变异或丢失相应无毒（AVR）基因来克服抗性的“兴衰循环”。弗洛认识到，寄主R基因若对应病原菌中具有较低毒性突变率的AVR基因，则能维持更长时间的抗性。稻瘟病菌（

哈罗德·弗洛（Harold Flor）的基因对基因模型解释了农业生产中抗病（R）基因部署后病原菌通过变异或丢失相应无毒（AVR）基因来克服抗性的“兴衰循环”。弗洛认识到，寄主R基因若对应病原菌中具有较低毒性突变率的AVR基因，则能维持更长时间的抗性。稻瘟病菌（Pyricularia oryzae）是一种单倍体子囊菌，是引起稻瘟病的元凶。稻瘟病具有复杂的生理小种结构和极快的“兴衰循环”，这归因于其AVR基因的高突变率。除了水稻，近期新出现的两种严重的小麦和黑麦草稻瘟病，凸显了在寄主属水平上起作用并作为种属特化P. oryzae亚群间侵染屏障的AVR基因的重要性。

美国堪萨斯州立大学植物病理学系的Barbara Valent教授在《Molecular Plant-Microbe Interactions》杂志发表了题为“Dynamic Gene-for-Gene Interactions Undermine Durable Resistance”的H. H. Flor杰出综述。该综述聚焦于稻瘟病菌AVR基因的动态变化，特别是其高度可变的AVR基因常通过缺失或转移到新的染色体位置来响应R基因的部署。综述还讨论了小麦和黑麦草稻瘟病的出现，这两种病害似乎是通过涉及五个寄主适应亚群的真菌个体间的有性杂交进化而来，关键的寄主特异性AVR基因的毒性等位基因的引入促成了寄主的跳跃。尽管已鉴定出在寄主属特异性水平上起作用的小麦AVR/R基因互作，但迄今为止发现的有效R基因稀少，限制了小麦稻瘟病的控制。

主要研究结果介绍

稻瘟病菌：一个动态的、威胁全球粮食安全的物种复合体

稻瘟病菌（P. oryzae）物种复合体能在多种野生和栽培禾本科植物上引起病害。其中，水稻专化型在约7000-9000年前通过从狗尾草专化型群体发生寄主转移而起源。黍族专化型则可能在约5000年前起源于非洲东部。相比之下，引起小麦和黑麦草（Lolium）病害的稻瘟病菌成员则是在约60年前新近出现的（图1A）。小麦稻瘟病（由小麦致病型引起）于1985年首次在巴西报道，并已传播至南美、南亚和非洲。黑麦草稻瘟病则于1971年在美国的路易斯安那州和密西西比州首次报道。

稻瘟病：一个高度可变的基因对基因系统

水稻稻瘟病菌与水稻之间的互作是典型的基因对基因系统。早期的研究已证实了稻瘟病菌生理小种的特异性以及水稻中主效R基因的存在。日本科学家Kiyosawa等鉴定出12个水稻R基因，为后续的分子研究奠定了基础。Kiyosawa的研究还揭示了AVR基因的不稳定性，其突变频率因R基因-AVR基因对和病原菌株系而异。例如，针对Pik的毒性突变频率约为10-2，而针对Pita的毒性突变频率约为10-3。这种AVR基因的高度可变性是稻瘟病R基因持久性差的主要原因。

AVR基因的遗传分析：从水稻专化型到寄主属水平

尽管早期尝试通过杂交日本水稻分离株进行有性生殖以分析AVR基因遗传规律均告失败，但20世纪70年代日本发生的黍（指小米）稻瘟病大流行带来了突破。日本的黍分离株具有高度的育性，可以作为雌雄同体与其他雌性株系杂交，产生大量有活力的子囊孢子。这使得对P. oryzae进行遗传分析并进行AVR基因的图位克隆成为可能。 研究发现，水稻致病菌群体在地理上分化为四个谱系，其中三个在全球广泛分布，主要为雄性不育或低育，而第四个谱系主要局限于水稻起源中心东南亚，包含有性可育的雌雄同体。有性生殖的缺失和无性繁殖导致的奠基者效应可能是许多稻作区AVR基因多样性较低的原因。 研究人员通过杂交不同的寄主专化型稻瘟病菌，鉴定了多个寄主特异性AVR基因：

PWL基因 (Pathogenicity toward Weeping Lovegrass):PWL1和PWL2分别决定了对垂序草（Eragrostis curvula）的致病性。PWL2的自发突变常涉及大片段缺失。

AVR-Pita1: 决定了对含有Pita基因水稻品种的无毒性。该基因位于端粒区域，其毒性突变包括小片段缺失、点突变和转座子插入。

其他水稻专化型AVR基因: 如AVR-CO39, AVR-Pia, AVR-Pii, AVR-Pik/km/kp, AVR-Pizt和AVR-Pi9等也通过图位克隆或关联分析被鉴定出来。这些基因的毒性突变机制各不相同，包括缺失、非同义替换和转座子插入。

PWT基因 (Pathogenicity toward Wheat): 一系列PWT基因（PWT1-PWT7）作为寄主特异性屏障，阻止非适应性分离株侵染小麦。例如，PWT3和PWT4来自燕麦分离株，PWT6和PWT7来自黍分离株。这些基因的毒性突变也涉及缺失或转座子插入。

AVR基因的分子特征与进化动态

已鉴定的真菌AVR基因通常编码小的分泌蛋白，缺乏可预测其功能的保守结构域。一个例外是AVR-IRAT7（现命名为ACE1），它编码一个杂合的聚酮合酶-非核糖体肽合成酶，参与一种小分子次级代谢产物的合成，该产物被水稻Pi33基因识别。 许多AVR基因位于端粒或近端粒区域，这些区域富含重复序列，易于发生突变和重排（图2）。一个显著的特征是AVR基因的“多重易位”（multiple translocation），即同一个AVR基因（或其同源基因）在不同分离株中或在进化过程中出现在不同的染色体位置，甚至在微型染色体（mini-chromosome）上。微型染色体是稻瘟病菌基因组中一种可有可无的超数染色体，通常小于3Mb，在有性杂交中表现出非孟德尔式分离，并在无性繁殖的稻瘟病菌中富集。它们被认为是AVR基因移动的载体，促进了AVR基因的快速进化和在不同寄主专化型群体间的水平转移。例如，AVR-Pita1在不同水稻分离株中可以位于核心染色体的端粒区或微型染色体上。PWL2和效应子BAS1的同源基因也存在于B71小麦分离株的微型染色体上。

AVR基因和微型染色体的移动可能通过营养菌丝融合形成的异核体以及准性生殖发生。最近的研究表明，小麦和黑麦草稻瘟病的出现涉及到五个早期适应不同寄主的P. oryzae群体间的有性杂交和基因渗入，形成了一个复杂的“多重杂交群体”（multi-hybrid swarm）（图3）。

效应子与寄主基础亲和性

AVR基因产物仅是病原菌分泌的大量效应子中的一小部分。这些效应子共同作用，抑制寄主防御，促进病原菌的侵染和定殖，决定了病原菌的致病力。然而，由于功能冗余，单个效应子的基因敲除通常不影响致病力。稻瘟病菌效应子可以分为质外体效应子和细胞质效应子。细胞质效应子通过特殊的、非高尔基体依赖的分泌途径进入寄主与病原菌互作界面，并进一步通过寄主内吞作用进入寄主细胞质，被胞内NLR受体识别。效应子ACE1的次级代谢产物在附着胞形成和侵入前即分泌到寄主细胞，这为开发持久抗性提供了新的靶点。

迈向持久抗性策略

尽管已鉴定出超过100个水稻主效抗稻瘟病R基因，且有40个已被分子克隆，但单一R基因或少数R基因的组合应用未能提供持久抗性。未来的策略应着眼于R基因的合理聚合（pyramiding），并结合非NLR介导的抗性和数量抗性基因。利用转基因技术构建包含多个R基因的“基因盒”（gene cassettes）可能更有效地实现R基因聚合。对于小麦和黍等缺乏有效R基因的作物，挖掘野生近缘种的抗性资源，以及利用基因工程手段改良现有R基因或引入新的抗性机制至关重要。例如，通过修饰NLR受体的HMA结构域，已成功扩展了其对不同AVR等位基因的识别谱。理解AVR基因快速变异的进化机制，对于选择合适的靶标AVR基因至关重要。持续的病原菌群体遗传学监测将为R基因的战略性部署提供指导。

全文总结与展望

稻瘟病菌AVR基因的高度可变性是其能够快速克服寄主R基因抗性的根本原因，这使得稻瘟病的持久抗性面临巨大挑战。微型染色体和准性生殖等机制进一步加剧了AVR基因的动态进化和传播。新出现的小麦和黑麦草稻瘟病，通过涉及多个寄主专化型群体的有性杂交和基因重组，展现了稻瘟病菌惊人的进化潜力。为了实现对稻瘟病的持久控制，未来的研究需要深入理解AVR基因的进化机制、效应子的功能以及寄主与病原菌互作的分子基础。在此基础上，结合基因编辑、合成生物学等新兴技术，开发具有广谱和持久抗性的R基因，并将其与其它抗性机制合理组合应用，将是控制这一毁灭性病害的关键。

本文的通讯作者是美国堪萨斯州立大学植物病理学系的Barbara Valent教授。

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来源：新浪财经