古典与现代的策略来增强植物抗病性对Fungi-A审查

文摘

致病真菌与毁灭性的植物病害世纪以来,历史上造成大流行。植物病原真菌已经成功运用多种策略包括化学防治、生物防治、有机管理等。尽管,快速意味着提供一个有效的控制,化学管理危险对人类健康和环境的影响。真菌病原体可以由使用转基因技术,分子技术和其他方法针对遗传操作。基因工程技术已被广泛的研究在最近的时代,许多转基因植物与真菌病原体抵抗潜在的显著发展。转基因植物的优点是环境友好的。转基因技术已经为许多抗真菌基因的表达工程包括发病机制相关(PR)蛋白质,植物抗毒素,水解酶、抗菌肽和阻力(R)基因。这些抗真菌基因的表达被成功的进入植物通过转基因技术导致显著抵抗真菌病原体。另一种方法包括RNA沉默的“关掉”特定基因的表达通过引入双链RNA是获得巨大的重要性自去年十年。许多真菌基因编码致病性因素已经成功测序。RNA沉默对抗真菌病原体的应用仍然是有限的。综述目前为止所有策略已被雇用来增强抵抗真菌将简单地加以讨论。

关键字

转基因,RNA沉默,水解酶,PR-proteins, r基因

介绍

植物病原真菌构成持续威胁全球多种农作物。真菌是主要农作物大量的损失负责。这些剧烈的病原体导致超过70%的所有主要作物疾病和实质性损害作物生产(1]。在过去,传统的方法已经被用来减少作物损失从植物的真菌感染,包括增强植物的自然抵抗。育种程序被广泛用于引入定性或定量抵抗特定病原体在不同作物。植物自然现有的电阻(R)基因对抗无毒性(Avr)基因产物产生的病原体入侵的事件期间,可以提供完整的抵抗真菌病原体。由于这个原因R基因已经被用于常规育种计划提高电阻在以前易感品种(2]。繁殖的比赛比电阻引入天然R基因提供了卓越的抵抗许多真菌病原体(3]。一些抗病品种或品种开发但这些品种成为过时的在很短的时间跨度由于进化的新种族的病原体毒性,更富活力的能力克服阻力的回应。植物可以激活各种防御机制作为响应病原体攻击感染部位的包括程序性细胞死亡(过敏的反应),组织强化和抗生素的生产(4]。这些反应触发系统获得抗病性植物对多种病原体(5,6]。这些基因程序的防御反应,激活只在入侵植物的病原体(7]。的理解基因控制的防御反应和产品(酶或蛋白质)的遗传基础防御操作期间产生了植物病害分子研究的新风景。实现有效控制植物病害的主要生物技术专家的兴趣。在这方面最重要的贡献是有转基因品种发展抵抗真菌通过基因隔离和遗传转化技术。显著的基因工程有可能克服许多限制与常规育种计划和提供电阻或公差对毁灭性的真菌病原体(8)对土壤微生物区系与至少影响。本文将讨论古典与现代方法被利用来提高植物抵抗真菌从传统育种到转基因植物表达r基因,抗菌基因,发病机制相关的蛋白质(PR),增强结构障碍,破坏病原体的毒力因子和RNAi介导阻力(包括从RNA核糖核酸类家庭)。现代方法和经典方法的有益协会提供抵抗植物将加强可持续农业实践。

基因工程为抵抗真菌病原体

基因工程技术为抵抗真菌尚未广泛采用。但有一些进步在这一领域表现出积极的结果(9]。许多转基因植物表现出显著的抗多种真菌已经开发成功。保持视图机制采用植物赋予抵抗真菌病原体转基因植物已经开发使用后国防相关的分子。

PR-proteins(发病机制相关的蛋白质)

蛋白质基因编码(PR)相关的发病机制提供了一个有前途的抗真菌病原体的来源。有几种蛋白在宿主植物被激活在真菌感染,这些蛋白质的特点和用于提供重要的抵抗许多真菌病原体(10]。PR-proteins有明显的作用,植物的自然防御系统,因为他们被激活在过敏的反应(HR)和系统获得抗病性(SAR)。PR-proteins包括osmotin或奇异果甜蛋白和抗真菌活性蛋白质(TLP)被引入植物通过基因工程技术。17 PR-proteins组成蛋白质的家庭从PR1-PR17 [10基于其结构,氨基酸组成和生化反应。PR-5蛋白质特别是与真菌细胞的质膜和生产真菌细胞的跨膜孔和随后的泄漏(11]。Osmotin或奇异果甜蛋白的蛋白质也被发现在体外抗真菌活性(12)对镰刀菌素、丝核菌、葡萄孢属和菌核病(13]。其他PR-proteins包括thionins和凝集素(14]。两个pathogenesis-related蛋白质基因纳入中国白杨树Populas tomentosa卡尔。)组成的益母草脂质转运蛋白(LJAMP2)和白僵菌几丁质酶(Bbchit1)表现出显著的更高的减少感染主产(15]。PR-5家族蛋白(ObTLP1)Oscimum basilicum描述的功能,及其在转基因拟南芥植物异位表达增强葡萄孢菌和宽容吗菌核病sclerotiorum感染(16]。

水解酶

真菌病原体有细胞壁由几丁质和葡聚糖分子修剪的几丁质酶和葡聚糖酶酶降解产生的真菌感染。这些降解葡聚糖酶和几丁质导致真菌细胞壁的瓦解。这种现象被广泛用于转基因植物诱导基因的超表达编码裂解酶(17,18]。几丁质酶和葡聚糖酶belongig的PR-proteins广泛中提供抗真菌活性在体外(19,20.]。超表达这些PR-proteins植物被认为导致溶菌作用的真菌菌丝,抑制真菌生长21]。由于经常表达这些酶耐药以及敏感的组织,因此在非转基因植物抵抗他们的特定的角色是很难证明的。

此外,这些酶的表达也可以激活压力,我生长条件。e、植物衰老和环境诱因22]。介绍了转基因植物几丁质酶基因生产评估在活的有机体内表现出降低真菌感染率增长或导致抗病性(23,24]。在水稻和烟草植物几丁质酶基因的表达增加真菌耐药性(25]。几丁质酶和葡聚糖酶的协同效应在转基因烟草,胡萝卜和西红柿阻止许多真菌病原体的发展(26,27]。它可以得出结论,转基因的表达多个水解酶相结合可以提供更广泛的电阻比单一酶的表达(24,28,29日]。米钢筋混凝土₂₄几丁质酶基因被引入小麦赋予抵抗小麦锈菌f . sp。tritici(30.]。转基因水稻几丁质酶的表达class-Ӏ基因(读出校验₁₀在百合增加了抵抗感染的葡萄孢菌(31日]。

植物抗毒素

植物抗毒素是低分子量次生代谢物具有抗菌素耐药性对许多真菌病原体。植物抗毒素生产由于病原体的攻击,他们已经表示transgenically提供抵抗许多真菌病原体(32]。植物抗毒素的合成经历一个复杂的生化过程(33),包括莽草酸途径。实现遗传操纵这些途径来抑制或增强植物抗毒素生产是很困难的。同样,在水解酶的情况下,一直很难精确解释植物抗毒素的参与增强抗病性对许多真菌病原体。一个拟南芥突变是缺乏生产indole-type植物抗毒素camalexin表现出对感染的易感性链格孢属brassicicola相比葡萄孢菌(34]。与超表达转基因植物的基因编码植物抗毒素展览减少疾病的发展。植物抗毒素白藜芦醇编码基因pcr成立于拟南芥从蓼属植物cuspidatum增强抵抗炭疽菌higginsianum(35]。理解复杂的生化途径参与植物抗毒素的生产有开明的新方法为遗传工程师在工程有效地利用植物抗毒素的表达在植物抗性反应。

r基因的抗性

最初的理解植物抗性机制的假说是由福罗在1955年[36]谁给了基因的基因概念,指出,对每一种耐药基因(r基因)在植物有一个相应的无毒性(Avr-gene)病原体的基因。Avr的病原体的基因触发/激活r基因在植物,如果这两个基因之间的交互是不兼容的结果在植物抗性反应系统称为eit效应引起的免疫力。以防如果兼容它导致敏感响应的交互称为效应引发的易感性(ETS) (37]。可以得出的结论是,植物发展免疫力病原体通过r基因对特定目标Avr的基因。r基因作为跨膜核苷酸编码因素结合肽与富亮氨酸重复(NB-LRR)为特定的识别(38]。NB-LRR识别Avr产品等病原体和触发多个响应基因的抑制代谢产物积累,水杨酸(SA)导致系统获得抗病性(SAR),公关感应和其他化合物,如活性氧,最终导致超敏反应或程序性细胞死亡(39,40]。

基因工程法让我们有可能来自多个物种的r基因引入到新的宿主植物的意思是提供阻力。广泛的研究进行了介绍电阻在不同植物物种利用的潜力r基因通过基因工程技术。这些r基因的发现证明了基因工程的突破,因为这之后很多基因克隆对许多真菌病原体,有史以来第一次Avr基因克隆大约30年前(41]。第一个NB-LRR基因在拟南芥中被确定(42]。后来,许多r基因被确定主要形式拟南芥和番茄赋予优秀的抵抗许多真菌病原体(43,44]。后,r基因克隆形成水稻、烟草、玉米亚麻和其他一些植物物种。从玉米基因Hm1 r是克隆编码NADPH依赖还原酶有可能抑制产生的毒素Cochliobolus carbonum(45]。r基因的Medicago truncatula介绍了苜蓿提供抵抗炭疽菌trifolii(46),Rpiblb1从茄属植物bulbocastanumintrogressed在种植土豆提供持久抵抗5种导致马铃薯晚疫病[47]和一国茎秆锈病基因赋予抵抗疾病(48]。尽管很多优势有一定的局限性的阻力r基因在植物育种,因为这些基因可能提供抵抗只有一个病原体,病原体可能带来威胁的植物进化的一个替代Avr基因影响整体健康的植物49]。此外,很难预测成功的r基因转移在遥远的属间的物种,因为一些事件特定于特定r基因的转导途径可能不出现在遥远的物种。

克服,这个问题可以引入多个r基因的结合等植物抗真菌蛋白。r基因的完整功能域的理解是非常重要的在基因工程利用其潜在阻力提供广谱抗真菌病原体(50]。两个组件De智慧提出的策略是在1992年为广谱抗性的工程师。这种策略是基于r基因的表达只有在Avr病原体的基因的表达(51]。Avr的基因诱导植物防御反应,从而激活许多biotrophic抵抗病原体。电阻只有激活后Avr的病原体基因的表达与r基因的植物是不相容的,独立的种族特异性。面临的主要挑战是找到赞助者地区病原体感染后才会被激活。人力资源(过敏性反应)诱导子cryptogein已成功表达pathogen-inducible启动子的控制下hsr203J在烟草植物利用De机智的策略(52]。这种策略具有十分重要的意义,因为它可以提供抵抗各种真菌的病原体。这种策略的局限性是发起人地区应该完全不活动缺乏病原体(52]。r基因能够识别多种病原体种族的数量提供广谱抗性的特殊利益团体。隐性基因从大麦枣疯病了大量non-race-specific耐用抗白粉病[53]。抗性育种利用r基因的潜力能够诱导对多个分离的病原体的防御反应可以被证明是一个可靠的策略来增强抵抗真菌病原体。

RNA沉默

RNA介导的基因沉默是一种非常先进的方法引入抵抗真菌。这是反向遗传学的工具参与关闭特定基因的表达,针对特定的基因负责致病性真菌在植物54]。基因的表达是沉默即在转录和转录后水平。,epigenetic modification at transcriptional level and specific nucleotide sequences of mRNA are degraded by introducing dsRNA at post transcriptional level [55]。植物病原真菌与宿主植物发展直接连接通过一个专门的结构称为吸根作为一个接口,用于信号交换以及营养吸收(56]。它允许真菌吸收dsRNA或核的期间从有针对性的寄主植物养分吸收激活rna介导的基因沉默。基因沉默的介绍dsRNA已经成功地对多种真菌病原体,包括使用Magnaporthe oryzae、粗糙脉孢菌、黑星病菌inaqualis和曲霉属真菌nidulans(57- - - - - -60]。Nakayashiki等人沉默mpg1基因和酮化合物合酶基因(61年]。Mpg1基因hydrophobin基因作为触发附着胞的发展因此,扮演着一个重要的角色在致病性62年]。基于这些基因被成功地沉默p-Silent-1向量转化株高达90%。这个向量也成功地使用炭疽菌lagenarium沉默GFP记者蛋白质。这个概念的RNA介导的基因沉默最近观察到的大麦白粉病所致Blumeria茎(63年]。

结论

育种阻力经历了很多科学挑战和修改直到现在。目前,基因工程技术被最广泛和成功实现增强抵抗许多真菌疾病。基因工程与国防相关的基因包括PR蛋白、水解酶、抗菌肽、植物抗毒素提供了大量的抵抗真菌疾病。合并后的所有防御相关基因的表达作为一个了不起的阻力的来源。转基因技术结合传统育种已经变革了农业研究和打开新的远景研究增强抵抗和生产率在经济上重要的农作物。

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