植物抗病、抗虫及抗除草剂基因与基因工程

植物抗病、抗虫及抗除草剂基因与基因工程

张永强

（西南大学植物保护学院， 重庆 400716）

摘 要：病虫草害历来是植物保护工作的重中之重，农药为病虫草害防治立下了汗马功劳。近来由于大量使用、滥用农药给环境带来了巨大的负面影响。20世纪70年代兴起的基因工程为这一问题的解决带来了新的途径。本文就植物抗病基因分类、最新报道的相关基因；抗虫基因的来源、最新报道的抗虫基因及试验结果；抗除草剂基因以及基因工程技术在现代农业中的应用予以综述。

关键词：植物抗病；植物抗虫；抗除草剂；基因工程

农药伴随人类改造自然，征服自然已经有100多年的历史，在促进农业发展和对人类发展做出卓越贡献的同时，也不可避免的带来许多负面影响，如：对非靶标生物的毒害、对环境的污染、对生态系统的破坏以及病虫草抗药性的产生等。特别是化学农药对动物和人类健康的影响，已经成为全人类普遍关心和急需解决的全球性问题。诞生在20世纪70年代的基因工程技术为这些问题的解决提供了一条新的途径。进入20世纪90年代具有实用价值的转基因生物品种因其诸多的优势，逐渐被人们所接受，而迅速走向商品化和产业化。

1 植物抗病基因与基因工程

植物受病原菌侵染时，会诱导相关的基因产生一系列参与植物防御反应的拮抗物质，阻止病害的传播和病原菌的进一步侵入。将这些参与植物防御反应的相关基因导入植物，使其在植物体内表达，可以提高植物的抗病能力。植物抗病基因在进化中形成了几种共有的进化形式。植物祖先抗病基因的复制创造了新基因座。基因间和基因内重组导致了变异，也导致了新特异性抗病基因的产生；另外，与特异性识别相关的富含亮氨酸重复区顺应于适应性选择；同样，类转座元件在抗病基因座中的插入加速了抗病基因的进化（庄军等，2004）。

1.1 植物抗病基因的分类

植物中许多抗病基因已被克隆，根据抗病蛋白（R蛋白）将抗病基因（R基因）分为以下几类。第一类，玉米抗圆斑病的基因Hml，其编码的解毒酶能钝化病原真菌所产生的HC 毒素，代表着抗病基因中与病原物亲和性因子作用的一类基因。

第二类，番茄抗细菌叶斑病的基因pto，其编码蛋白Pto是一种丝氨酸/苏氨酸激酶。AvrPto 蛋白是病原菌假单胞杆菌Pseudomonas进入植物细胞中通过Ⅲ型分泌系统分泌的，现已证实Pto激酶噜噗结构域中204位苏氨酸决定着Pto对AvrPto的特异性识别。具有自动磷酸化能力的Pto激酶与AvrPto相互作用从而产生了过敏性反应。

第三类抗病基因所编码的蛋白显示出与细胞间信号转导蛋白具有结构相似性。这些蛋白所共有的基元是富含亮氨酸重复序列（Leucine-rich repeat，LRR），一般由24个氨基酸残基组成，其共同蛋白序列是LXXLXXLXXLXLXXNXLSGXIPXX（氨基酸的单字符号，X代表任何一种氨基酸）。这一类型基因的共同结构是LRR-TM，它们编码的蛋白包括胞外N端LRR 重复区、膜锚定蛋白和胞质内C末端部分（如图1所示）。

第四类是水稻抗白叶枯病Xanthomonas oryzae pv．oryzae，Xoo的基因xa27。这一基因所编码的Xa21蛋白具有3个受体激酶特征的主要结构域：胞外LRRs结构、跨膜结构域及胞内激

酶结构域。令人兴趣的是xa21基因结构含有抗病基因cf和pto的组分（如图1所示），而抗病基因xa21D编码缺少膜锚定蛋白的胞外LRR结构（如图1所示）。

图1 抗病基因各类型代表

SK~TK：丝氨酸/苏氨酸激酶；LRR；亮氨酸富集序列；TM：Xa27的跨膜区域或cf的膜锚定区域；LZ：亮氨酸拉链；HD：疏水区域；NBS：核苷酸结合位点；TIR：果绳TOLL白细胞介素1信号区域（引自庄军等，2004）。

Fig. 1 Representation of resistance gene classes

SK～TK :serine/threonine kinase; LRR:leucine-rich repeat; TM: transmembrane domain for Xa27 or membrane anchor for the Of class; LZ: Leucine zipper; HD: hydrophobic domain; NBS: nucleotide binding site; TIR: TOLL/Interleukin-1 signaling domain 自Johel等（1992）应用转座子标签法分离出第一个玉米抗病基因Hml，Martin等（1993）首次应用定位克隆法分离出第二个番茄抗霜霉病基因Pto。至2001年，已被克隆的植物抗病基因就有30多个（Hulbert et a1.，2001）。而至2004年，人们已利用不同的方法从各种粮食、经济作物和其他植物中克隆出48个抗病基因。其中大部分基因从双子叶模式植物番茄Lycopersicum esculentum和拟南芥Arabidopsis thaliana中获得。在粮食作物中，人们已克隆到15个抗病基因，其中水稻Oryza sativa5个，马铃薯Solanum tuberosum4个，大麦Hordeum vnlgare3个，玉米Zea mays 2个和小麦Triticum aestivum 1个（李春来等，2004）。

当然现在也存在另一种比较常见的分类方法，如王友红等（2005）认为这些抗病基因编码着对生活方式完全不同的病原体的抗性。这些病原体可以位于植物细胞内，也可以位于细胞外，包括细菌、病毒、真菌、卵菌、甚至线虫和昆虫。尽管这些病原体及其致病分子差别巨大，但除少数抗病基因外，根据保守结构域的不同，大多数植物抗病基因编码的蛋白质可归为5类，即NBS-LRR、eLRR-TM、eLRR、TM-pkinase、STK和其他五大类。

1.2 植物抗病基因和作用机制

溶菌酶具有特异降解细菌细胞壁成分肽聚糖的功能，对植物病原细菌具有毒杀作用。至今已成功导入3种不同种类的溶菌酶基因，即卵清溶菌酶、T4噬菌体溶菌酶和人体溶菌酶。表达T4噬菌体溶菌酶的转基因马铃薯在温室和室外试验表明对马铃薯黑胫病菌Eruinia carotovora sub．atroseptica有部分抗性；表达人体溶菌酶的转基因烟草对烟草野火病菌P. syringae pv. tabaci的抗性提高（Nakajima et al., 1997）。多酚氧化酶可以将苯酚氧化为苯醌，后者参与植物抵抗昆虫和微生物的防御反应。将马铃薯编码多酚氧化酶的DNA导入番茄，转基因蕃茄对丁香假单胞菌Pseudomonas syringae的抗性显著提高（Li et al., 2002）。硫堇富含半胱氨酸，它能和细菌细胞膜的磷脂产生静电作用导致膜穿孔，从而杀死病原菌。Iwai 等（2002）从燕麦Avena sativa中克隆编码硫堇的基因，将其转入水稻，转基因水稻幼苗在细胞壁上积累了过量的燕麦硫堇，人工接种植物伯克霍尔德氏菌Burkholderia plantarii和荚壳伯克霍尔德氏菌B. glumae后病原菌被限制在气孔表面，表明燕麦硫堇可使水稻有效地抵御病原细菌地侵袭。

S-硝基谷胱甘肽还原酶（GSNOR）控制着细胞S-硝基化的程度，而S-硝基化是转译后修饰氧化还原的一个重要影响因子。拟南芥Arabidopsis thaliana GSNOR，AtGSNOR1发生突变，调节细胞S-硝基化形成。AtGSNOR1功能丧失提高了SNO水平，使涉及抗性（R）基因亚纲