植物免疫学ppt课件.ppt

1 植物免疫学 PLANTIMMUNOLOGY WENCaiyi PLANTPROTECTIONCOLLEGE 2 3 4 5 6 一 什么是植物免疫学植物免疫学是研究植物病原物致病性及其遗传和变异规律 植物抗病性的分类 机制 遗传和变异规律以及病原物与寄主植物之间相互作用和应用方法的科学 二 植物免疫学研究内容与研究方法1 研究内容 1 病原物致病性及其遗传和变异规律 2 植物抗病性类型 机制及其遗传变异规律 3 寄主抗病性与病原物致病性之间的相互关系 4 植物抗病育种策略 5 保持和提高植物抗病性的途径和方法 6 植物抗病性鉴定的方法和原理 7 2 研究方法植物免疫学是一门应用基础学科 必须借助与之密切相关的学科如植物生理学 作物栽培学 植物生物化学 遗传学 植物病理学 分子植物病理学 分子生物学 分子遗传学等的研究方法 三 植物免疫学的发展简史1 萌芽时期 19世纪中期 20世纪初期 19世纪中期 植物病害 病原学说 1863年 Liebig发现增施磷肥可提高马铃薯对晚疫病的抗性 而偏施氮肥可加重发病 1880年 JClark用马铃薯 早玫瑰 品种与 英国胜利 杂交育成抗晚疫病品种 1874年 1894年 Shrodter Eriksson先后发现梨锈病菌 Pucciniacaricis 和禾谷类杆锈菌 Pucciniagraminis 有寄主专化现象 8 2 学科形成时期 20世纪初期 1900年 孟德尔遗传规律的发现为植物抗病性的研究和利用提供了理论基础 NAOrton用栽培品种西瓜Eden与饲料西瓜Citon杂交 育出了抗萎蔫病食用西瓜品种 胜利者 对病原菌生理小种分化现象的认识为专化性抗病育种奠定了基础 对病原菌致病性的遗传 变异规律有了一定的认识 1904年Blackeslee发现毛霉菌有异宗配合现象 GHGiegie 1927 发现杆锈菌也有异宗配合现象 20世纪30年代 许多学者进行了有性杂交试验 证明小种内 小种间 专化型间均可通过有性杂交产生新的致病类型 有关植物免疫机制的学说 毒素与抗毒素学说 Ward 1902 酸度学说 Comes 1910 渗透压学说 Dougal 1910 抗体 拟抗体学说 Kp 1916 9 3 发展阶段 20世纪中期 Flor 1956 gene forgenehypothesis 为在基因水平和从寄主与病原物之间的互作方面研究植物的抗病性提供了理论依据 Pontecorvo 1953 发现病菌可通过准性生殖产生变异 在植物抗病性的遗传变化规律和寄主与病原物相互关系方面开展了许多研究 开始了物理 化学和人工免疫研究 在植物抗病机制方面做了大量研究工作 提出了许多新假设 一批新的关于植物免疫的理论专著先后出版 植物侵染性病害原理 Gaumann 1951 植物病害原理 Stakman Harrar 1957 植物免疫生理学 苏霍鲁柯夫 1959 植物免疫生理与生化 鲁宾 1960 植物免疫学 林传光 1961 10 4 完善与快速发展阶段 20世纪70年代以后 广度方面 开始应用生态系统观点 群体遗传学观点和系统工程学研究方法进一步揭示了在不同病原物的致病性和植物抗病性及其相互关系的规律 提出了综合运用专化性抗性与一般抗性 稳定病菌群体毒性变异 延长品种使用年限的新策略 深度方面 开始应用分子生物学 分子遗传学等学科的先进理论与技术及其有关的现代化手段和设备在细胞 亚细胞和分子水平上进一步揭示了病原物致病性和品种抗病性及其相互关系的机制 并且在诱导抗病性研究和运用各种生物技术选育抗病品种方面取得了一些突破性进展 最新研究进展 11 四 我国植物免疫学的发展概况从20世纪30年代才开始这方面的研究 俞大绂 1928 小麦品种对杆黑粉病的抗性 沈其益 1934 小麦抗杆黑粉病的遗传 涂治 1934 小麦杆锈菌的生理小种 尹莘芸 1947 小麦条锈菌的生理小种 方中达 1944 小麦叶锈菌的生理小种 凌立 1945 小麦杆锈菌转主寄主的作用 西北农林大学 李振歧院士沈阳农业大学 农业部北方农作物病害免疫重点开放实验室云南农业大学 朱有勇中国农业大学 曾士迈 思考题1 试述植物抗病性的研究和利用在植物病害防治中的作用 2 简述植物免疫学的产生和发展 12 第一节概论1845年 马铃薯晚疫病流行导致爱尔兰饥荒1870年 咖啡锈病流行导致斯里兰卡咖啡毁产1942年 水稻胡麻斑病导致孟加拉饥荒1950年 小麦条锈病流行致我国小麦减产120亿斤1970年 1971年 美国玉米小斑病流行植物抗病性的利用是植物病害防治的基本策略 13 第二节植物抗病性的概念一 对植物抗病性的一般认识1 植物抗病性的普遍性 2 抗病性是植物的常态 病害是异常状态 3 植物抗病性是相对的 二 植物抗病性的进化观植物抗病性是植物适应环境的一种表现 是进化的产物 单源进化假设 14 多元进化假设 Vanderplank 1978 Biotrophy和Necrotrophy是两种并存的现象 在病程中 Necrotrophy可以逐步取代Biotrophy 抗病性与植物的其他性状有所不同 抗病性是在病原物积极参与下逐渐发展而成的 病原物的侵染会激发植物的某些反应 寄主的反应又会激发病原物的反应 在进化过程中 双方不断变异 相互选择 从而形成了抗病性 病害体系 三 植物抗病性的生理观抗病性是在病原物侵染时才表现出来的性状 而且有一个过程 从分子间的相互作用 生理生化的相互作用 到细胞组织的变化 最后到肉眼可见的组织形态的抗病性 因此 抗病性不是一个简单性状的表达 而是寄主 病原物间十分细致复杂的相互作用的过程 最后观察到的抗病性是现象 分子间相互作用和生理生化过程为其内在机制 15 四 植物抗病性的遗传观抗病性是遗传决定的潜能 遇病原物侵染后才得以表现 抗病性的表现实际上是寄主 病原物的结合体 aegricorpus 的表型 是两者基因型结合后才能给出的 两者未结合时无表现型可见 Leogering 1974 寄主的抗病基因型和病原物的致病基因型是相互选择的进化产物 因而有其对应性 16 五 植物抗病性概念的适用范畴植物抗病性概念具有弹性 模糊性 使用范围广泛 但是在不同场合 其概念和实际所指的内容又常常有所不同 第三节植物抗病性的类别一 寄主抗病性和非寄主抗病性远缘杂交育种中所用的抗病亲本多半是该寄生物的寄主范围以外的植物 许多抗病品种的抗病性基因都是来自非寄主植物的基因 因此 人们很早就注意利用非寄主抗病性 二 基因抗病性和生理抗病性抗病育种利用的是遗传 基因 抗病性 栽培免疫 化学免疫利用的是生理抗病性 17 三 避病 diseaseescaping 抗病 耐病 diseasetolerance 和抗再侵染 resistancetore infection 避病 又称抗接触 由于植株形态 发育特性等使寄主在时间上或空间上逃避了与病原物的接触 从而不生病或少生病 抗病 寄主与病原物接触后 对病原物侵染的抗性 耐病 又称抗损害 虽然正常发病但是寄主通过生理补偿而受害减轻 减产较少 抗再侵染 植株或器官遭受一次侵染而发病后 寄主的生理抗性提高 以后再受侵染时发病较轻较少 又称inducedresistance acquiredimmunity 四 被动抗病性和主动抗病性被动抗病性为preformedcharacter 主动抗病性又称为defencereaction 18 五 主效基因抗病性 majorgeneresistance 和微效基因抗病性 minorgeneresistance 主效基因抗病性 又称oligogenicresistance 可以是单个基因 也可以是几个独立的主效基因共存与一个基因型 还可以是两个或两个以上主效基因之间的种种互作 微效基因抗病性 又称polygenicresistance 其单个基因不能独立表现表型效应 必需有多个基因共同作用才能表现出抗病性 六 小种专化性抗病性 race specificresistance 和非小种专化性抗病性 non race specificresistance 是一种流行学分类 基于寄主 病原物相互作用的群体遗传学分类 小种专化性抗病性垂直抗病性非小种专化性抗病性水平抗病性 19 七 广谱抗病性 wide spectrumresistance 和持久抗病性 durableresistance SHOu 1972 在探索水稻抗稻瘟病的水平抗病性时提出的概念 并认为广谱抗病性即为持久抗病性 现在研究表明 这只是一种特例 JohnsonR 1975 某品种大面积生产考验其抗病性仍然持久不变即为持久抗病性 修订后人为 某品种在小种易变异地区多年大面积推广 当该地区和年代已有数批品种丧失了抗病性后 该品种的抗病性始终保持不变 则这一抗病性称为持久抗病性 八 个体抗病性 individualresistance 和群体抗病性 colonyresistance 个体抗病性是在病程中研究的问题 而群体抗病性除侵染过程外 还要在流行过程中进行研究 20 第一节致病性的概念一 致病性是病原物所具有的破坏寄主而引起植物病害的能力 致病性是一个种或一个属的病原物所固有的属性 如有的产生叶斑 有的产生枯萎 有的产生畸形等 一种寄生物能否成为某种植物的病原物 pathogene 首先必须通过对该植物的适应 即克服植物的抗病性 如能克服 即发生亲和反应 compatiblereaction 寄主表现为感病 如不能克服 即发生不亲和反应 incompatiblereaction 寄主植物表现为抗病 因此 致病性是指病原物在种的水平上对寄主植物的专化性致病能力 21 二 毒性 virulence 是病原物在小种 品种水平上的致病力 一种病原物小种对寄主植物的一定品种是否有毒力主要取决于该小种的毒性基因 virulencegene 能否克服该品种的抗病基因 resistancegene 因此 毒性是指病原物小种对寄主植物品种的专化性致病能力 即病原菌小种的毒性基因克服寄主植物品种抗病基因的能力 三 侵袭力 aggressiveness 如果不同小种在同一品种上的发病强度相同 而在孢子萌发速度 侵入后定殖速度 产孢速度等方面不同 则需要用侵袭力表示 第二节植物病原物的侵袭方式 自学 22 第三节植物病原物的寄生专化性一 概念病原物对寄主植物的一定属 种或品种的寄生选择性 又称为生理专化性 physiologicspecialization 变种 variety 和专化型 formaespecialization 变种之间在形态学上有一定差异 对不同属的寄主植物致病力不同 专化型在形态学上无明显差异 但对不同种寄主植物的致病力不同 生理小种 physiologicrace 种 变种或专化型内由生物型或生物型群组成的群体 菌体在形态上无差异 对不同寄主植物品种的致病力不同 生物型 biotype 生理小种内由遗传一致的个体所组成的群体 23 24 二 植物病原菌生理小种的鉴定1 生理小种鉴定的意义2 生理小种的鉴定方法2 1应用国际鉴别寄主 internationaldifferentialhosts 鉴别寄主 1 对致病小种敏感 抗病与感病界限清楚 2 稳定性好 在不同条件下鉴定结果均稳定 3 品种为纯系 4 代表性强 2 2在国际鉴别寄主的基础上增加辅助鉴别品种 supplementaryvarieties 和筛选品种 screeningvarieties 辅助鉴别品种是指正在推广的抗病品种和抗病亲本 筛选品种是指后备抗源材料 2 3采用变动鉴别寄主 dynamicdifferentialhosts 根据各国生产品种和抗源品种的抗病性变化情况选定鉴别寄主 目前国际上鉴定小麦条锈菌生理小种多采用此法 25 2 4采用已知基因或单基因品种为鉴别品种Blacks etal 1953 马铃薯晚疫病菌生理小种 Martens etal 1979 燕麦杆锈菌生理小种 该方法既可克服国际鉴别寄主的局限性又可弥补用变动寄主难以相互交流的缺点 还能在基因水平了解病菌群体中的毒性变异动态和小种与品种间的相互关系 2 5其它方法利用生理生化 血清学 分子生物学等 3 2毒性公式命名法用对该小种有效的抗病基因作分子 无效的抗病基因作分母写成公式 即无毒力 R 有毒力 S 26 3 3分段加数命名法 1 加感法 将9个鉴别寄主分成3段 按照顺序分别给定代表数码1 2 4 10 20 40 100 200 400 将所鉴定的小种感染的鉴别寄主的数码加起来所得的数码即为该小种的代号 2 加抗法 根据其在鉴别寄主顺序中分群品种的感病性划分 如用7个鉴别寄主 按照其抗性程度依次以A B C D E F G字母表示 若某一鉴定的小种在A群品种上显示感病反应 则不考虑其在其它品种上的反应 将其划入A群 若在A群上显示抗病反应 而在B群上显示感病反应 则不考虑在余下品种上的反应 将其划入B群 依此类推 若在7个品种上都显示抗病反应 则划分为H群 在7个鉴别寄主上能鉴别出的最大小种数 27 量为27 128个 其中A群内26 64 B群内25 32 G群内20 1 加上H群中1个 小种号的推算采用加抗法 即以鉴别品种所能有的各群小种的最大数值为代码 根据待测小种在各品种的反应 将分群品种以下显示抗病反应的各品种的代码相加 再加上1即为小种号 如某一小种在7个鉴别品种上的抗感反应为RRSRSRS 则小种为C群 编号为8 2 1 11 记为ZC11 4 生理小种的鉴定程序 样本采集和登记 保存 样本的繁殖 致病性鉴定和结果分析 专性寄生物的样本采集后即可进行记载和保存 兼性寄生物的样本采集后需做分离培养 然后进行其它步骤 三 毒力频率和联合致病性分析毒力频率 virulencefrequency 一种病原物群体中的对一定抗病品种有毒力的菌株出现的频率 28 如果被测品种的基因型不明 所测结果可表示被测病原物种内一系列菌株对一定品种的毒力 如用小麦叶锈菌100个不同的菌株分别接种一个被测小麦品种 有50 的菌株对它有毒力 其毒力频率为50 联合致病性 pathogenicityassociation 一种病原物的群体中对2个以上被测品种有毒力的菌株出现的频率 第四节植物病原物致病性的遗传由于技术上的困难 加上有的缺乏有性世代 这方面的研究相对薄弱 目前研究较多的是真菌的毒性遗传 研究结果表明 病原真菌毒性遗传多为单基因隐性独立遗传 少数有互作 个别有连锁现象 很少有复等位现象 小麦锈菌的毒性遗传Newton etal 1930 创立了对小麦杆锈菌生理小种进行杂交和自交的技术 为研究锈菌的毒性遗传提供了方法 29 特点 1 杂合性 2 无毒基因多为显性基因 3 毒力基因没有复等位现象 4 基因互作 毒力基因间以及毒力基因与遗传背景间的相互作用 如小麦杆锈菌的某些小种对Sr9d的毒性有两个互补的显性基因控制 此外还有累加 掩盖和上位等效应 5 与抗病基因的对应关系 一般表现为一一对应关系 仅发现锈菌的2个基因与小麦的一个基因对应的情况 这种关系是基因对基因关系中的一个例外 还是该抗病基因的位点是由两个紧密相连锁的基因组成尚需要进一步证实 30 第五节植物病原物致病性的变异病原物致病性的变异是导致品种抗性丧失的主要原因 掌握病原物致病性变异规律才能制定科学的控制品种抗病性丧失 延长品种使用年限的策略和措施 为解决抗药性问题提供依据 一 变异类型毒性变异 variationinvirulence 病原物小种的一定毒性基因与品种的一定抗性基因互作后的毒力 性 的变化 侵袭力的变异 variationinaggressiveness 病原物小种在孢子萌发率 侵染率 潜育期 产孢量等方面的变异 致病谱的改变 指病原物寄主植物种类的增加或减少 二 变异途径1 有性杂交 sexualhybridization 包括4种方式即小种内自交 小种间杂交 专化型间杂交和属间种间杂交 2 突变 mutation 是新的毒性基因产生的惟一条件 31 3 异核现象 heterokaryosis 在病原真菌的一个细胞或孢子中存在2个以上遗传性质不同的核的现象 遗传性质不同的菌系之间通过核的交换和重组 可以使病菌的致病性发生变异 产生新小种 4 准性生殖 parasexualism 病原菌体细胞重组 染色体和基因间发生不规律的互换或重组 现已发现小麦杆 叶锈菌 玉米黑粉菌 棉花黄萎病菌 稻温菌 小麦根腐病菌 马铃薯晚疫病菌等病原菌有准性生殖 5 适应性变异 adaptivevariability 病原菌中由于适应寄主和环境所发生的毒性渐进变异 除此之外 还有转化 transformation 转导 transduction 和接合 conjugation 真菌 1 5种途径细菌 突变 接合 转化 转导病毒 突变及同一病株内不同病毒间的基因重组线虫 突变 杂交 32 3 准性繁殖 准性生殖 指异核体菌丝细胞中两个遗传物质不同的细胞核可以结合成杂合二倍体的细胞核 这种杂合体细胞核在有丝分裂过程中可以发生染色体交换和单倍体化 最后形成遗传物质重组的单倍体过程 准性生殖与有性生殖的主要区别在于有性生殖是通过减数分裂进行遗传物质重组和产生单倍体 准性生殖是通过二倍体细胞核有丝分裂交换进行遗传物质重组 并通过非整倍体分裂不断丢失染色体实现单倍体化 33 Theparasexualcycle geneticrecombinationwithoutmeiosis Stagesoftheparasexualcyclearenumberedasfollows 1 Hyphalconjugation plasmogamy 2 Heterokaryosis 3 Nuclearfusion karyogamy 4 Mitoticrecombinationandnondisjunction 5 Haploidizationandnuclearsegregationleadingtohomokaryosis 准性生殖与有性生殖的区别1 有性生殖是一个高度组织化的 精确而定期的过程 准性生殖是一个偶然发生的 特殊的不常见的过程 2 在有性生殖过程中核融合受遗传因子的控制 既有交配型基因控制 而且核融合发生在高度特化的结构中 在准性生殖中 核融合是一个独立的过程 不受交配型基因的控制 而且没有发现特殊的结构 3 在有性生殖的减数分裂中交换可以发生在每一对同源染色体上 普遍发生多次交换 在准性生殖中 交换仅发生在一条或少数几条染色体上 不发生多次交换 4 在有性生殖的减数分裂中 核分裂过程是以高度组织化的方式分离的 准性生殖过程中 体细胞单倍体化的发生是由于染色体逐步丢失 使得一个非整倍体核 2n 1 经过几次有丝分裂而成为一个单倍体 35 第一节植物的被动抗病性因素是植物与病原物接触前即已具备的性状所决定的抗病性 被动抗病性涉及到物理抗病因素和化学抗病因素 其作用是非专化性 多用以阐明一般抗病性或背景抗病性的机制 一 物理抗病性因素1 植物体表的形态和结构 waxlayer2 木栓化组织 suberin3 木质化组织 lignin4 其它物理抗病因素 36 二 化学抗病性因素1 天然抗菌物质 在受到病原物侵染之前 正常植物体内就含有许多抗菌物质如酚类物质 不饱和内脂 有机硫化物等 2 组织分泌物 小分子的有机物和无机物 3 葡聚糖酶和几丁质酶 4 酶抑制物质 5 含糖量和其他因素 植物组织中某些病原菌营养所必需的物质含量较少 可能成为抗扩展的因素 如番茄早疫病 Alternariasolani 为低糖病害 小麦锈病 Wheatrust 为高糖病害 水稻体内淀粉含量低 碳氮比低 容易感染稻瘟病 反之 抗稻瘟病抗性强 植物表皮细胞中细胞质含量与抗白粉病有一定的关系 37 第二节植物的主动抗病性因素是病原物侵染所诱发的抗病性 反映了病原物侵染诱发的植物代谢过程的变化 主动抗病反应又称为保卫反应 包括对病原物的识别和抗病性表达两个连续的过程 一 物理主动抗病性因素是病原物侵染引起植物代谢变化 导致亚细胞 细胞或组织水平的形态结构变化 1 细胞壁的改变 病原物侵染常导致植物细胞木质化 木栓化 发生酚类物质和钙离子沉积等多种抗病反应 2 细胞壁类似物质的产生 3 形成愈伤组织 离层 abscissionlayer 4 阻塞微管束 微管束阻塞的原因是产生胶质 果胶和半纤维素 和侵填体 tylose 二 化学主动抗病性因素1 过敏性坏死反应 necrotichypersentivereaction 38 过敏性坏死反应是指植物对非亲和病原物侵染表现高度敏感的现象 当植物受到病原物侵染时 受侵染细胞及其邻近细胞迅速死亡 病原物受到遏制或被杀死 封锁在枯死组织中 Ward 1902 最早发现雀麦草受到褐锈菌侵染后 细胞坏死和形成枯斑是抗病反应 Stakman 1915 首次提出hypersensitivity的概念 植物多种兼性寄生真菌引起的病害如马铃薯晚疫病 稻瘟病 烟草黑茎病 苹果黑星病等也有过敏性坏死反应的抗病性 植物的过敏性坏死反应是一系列细胞学 生理学和生物化学变化 真菌病害 富山宏平 日 1954年详细描述了马铃薯对非亲和晚疫病菌小种的过敏性坏死反应过程 细菌病害 病原细菌侵入后吸附在叶肉细胞壁上 细胞壁膨胀包裹细菌 细菌失去活动能力 随后聚集颗粒状物质 质膜脱离细胞壁 其间隙充满囊泡 随后细胞壁解体 细胞坏死 病毒病害 在发生坏死反应的同时产生新的蛋白质 39 2 植物保卫素 phytoalexin 1968年 首次从由马铃薯晚疫病菌非亲和小种侵染的农林10号马铃薯中分离出了植物保卫素 并确定了其结构 命名为日齐素 rishitin 以豆科 茄科 锦葵科植物产生的植物保卫素最多 迄今已有100多种植物保卫素的化学结构被确定 主要包括类异黄酮和类萜化合物 植物保卫素是诱导产物 除病原物外 非生物因素也能激发植物产生植保素 研究表明 真菌细胞壁成分甚至菌丝细胞壁片段也有激发植物产生植保素的作用 植物保卫素与植物抗病性的相关性问题 解释P 53 54的试验证据 3 植物对病原菌毒素的解毒作用植物的解毒作用是病原菌诱导的主动保卫反应 抑制病原菌在植物组织中的定殖和症状表达 因而与植物抗病性密切相关 40 三 植物抗病性的生化基础植物抗病性是指植物避免 终止或阻止病原物侵染 扩展 减轻发病和损伤程度的一类特性 抗病性是植物普遍存在的 相对的性状 所有植物都有不同程度的抗病性 表现为从免疫 高抗到高感的变化 抗病性强即是感病性弱 抗病性弱便是抗病性强 植物抗病性依赖于各种抗病因子作用 包括结构性因子和生化因子 1 病程相关蛋白 pathogenesis relatedprotein PRP 2 植物保卫素3 富羟糖蛋白4 木质素四 植物抗病性的分子机制1 细胞程序化死亡与植物过敏性细胞死亡2 植物抗病防卫基本信号传导途径3 交叉保护与基因沉默机制4 一氧化碳与活性氧介导的抗病反应5 植物抗病反应的几种可能的分子途径 41 第三节植物避病和耐病机制植物避病和耐病构成了植物保卫系统的最初和最终两道防线 与栽培措施 环境条件和病原物状态有密切关系 一 避病机制时间避病 植物易受侵染的生育阶段与病原物有效接种体大量散布时期是否相遇 是决定病程的重要因素之一 对于只能在幼芽和幼苗期侵入的病害 种子发芽势强 幼芽生长和幼苗组织硬化快则缩短了病原菌的侵入期 避病效果明显有些病害越冬菌量很少 春季流行时 需要有一个菌量积累过程 只有菌量积累到一定程度 才会严重发病减产 对这类病害 早熟品种有避病作用 空间避病 与植物形态和机能特点有关 二 耐病机制1 病叶上侵染点之间绿色组织光合速率增高能部分补偿病原物消耗 42 1 病叶上侵染点之间绿色组织光合速率增高能部分补偿病原物的消耗 2 营养器官中储藏物质的利用加强 输入籽粒中的氮 磷和碳水化合物几乎不变 3 植物对根部病害的耐病性可能是发根能力强 第四节植物诱导抗病性及其机制一 诱导抗病性1 局部诱导抗病性 localinducedresistance 43 2 系统诱导抗病性 systemicinducedresistance 3 诱导抗病性的特点 时序性 持久性 需要一定的温度和光照 非专化性二 诱导抗病性的作用机制1 占位效应2 生理生化变化3 基因表达调控机理 思考题 1 过敏性坏死反应与植物病害的坏死现象有何不同 2 诱导抗病性的概念 类型和利用途径 44 45 第二节寄主植物抗病性的遗传概况Biffen 1905 1912 首次开展植物抗病性遗传研究工作 基本研究模式 经典遗传学研究方法1 在全部抗病性中主效基因抗病性和微效基因抗病性哪一类更为普遍的问题 2 抗感病界定上的不确定性和主观性对试验统计结果影响的问题 一 主效基因抗病性1 显隐性 一般为单基因显性遗传 对病毒的抗性多为隐性 单基因隐性 显隐性关系因环境条件而异 存在剂量效应 因遗传背景不同而异 2 主效基因的表型效应 一般主效抗病基因决定着高度抗病或免疫的表现型 且同一植物的各个抗病基因的表型效应相同 同一种植物的不同主效基因决定抗病程度不同的表型 有些主效基因仅控制一定阶段的抗病性 46 3 复等位性 multiplealleles 4 不同位点的抗病基因之间的互作 上位 互补 抑制 修饰 5 连锁 linkage 一般情况下 对不同病害的抗病基因连锁在一起有利于选育兼抗多种病害的抗病品种 如小麦1BL 1RS染色体短臂上有Yr9 Lr26 Sr31 Pm8四个抗病基因 二 微效基因抗病性微效基因的抗病性程度多为中等抗性 表现为部分抗病性 相对抗病性 田间抗病性或成株抗病性 且其表现易受环境影响而波动 在温室和幼苗期不容易鉴别 其遗传较为复杂 杂交后代筛选和稳定都较难 但是它为水平抗性 不易丧失 生产上尚未找到主效抗病基因的作物病害如棉花枯萎病 小麦赤霉病 始终进行的是微效基因抗病性育种 有些病害虽然已经鉴定出很多垂直抗病性基因 但抗病育种和生产中用的仍然是微效基因抗性如玉米锈病 玉米小斑病 47 1 连续变异 2 遗传力 heritability 加性方差占总表型方差的比率 遗传力是表现型受到遗传性影响的程度的一个度量值 并不是一个常数 而只是表示在一个特定群体中在某个时间由加性基因效应差异而引起的方差占总方差的比率 因此可以通过对表型的选择而改变 3 超亲遗传 杂交后代中出现抗病性或感病性超过亲本抗病性或感病性的现象 4 抗病性选择的遗传进度 在发病均匀而充分的条件下 对微效基因抗病性杂种后代连续几代进行筛选 能够提高选系的抗性程度 5 复合杂交和随机多交 三 细胞质遗传最新发现于玉米对小斑病菌T小种的抗病性 小斑病菌T小种是专化于T型细胞质雄性不育系 TMS 的特殊小种 凡细胞质为T型细胞质的自交系和杂交种对它都高度敏感 具有正常细胞质的自交系和杂交种对它都有一定的抗性 狭义 48 第三节寄主植物抗病性的变异一 抗病性基因的表型变异1 因病原物致病性基因型不同而致2 因病原物数量 接种势能不同而致3 因环境条件不同而致主效抗病性基因对温度敏感的最常见 如小麦杆锈病Sr6基因是一个温敏型基因 当纯合体在20 以下时表现抗病 25 时则表现感病 二 抗病性基因的遗传性变异1 主效基因抗病性的变异从群体来看 主效基因抗病性变异速度很慢 甚至很难觉察 对生产和病害防治影响不大 49 2 微效基因抗病性的变异从群体看 微效基因抗病性的变异较主效基因更快 更明显些 在生产和病害防治中更重要些 1 对微效基因而言 生产上使用的品种很少是绝对的同质结合的纯系 pureline 2 微效基因抗病性涉及的基因数量很多 自发突变又是不断随机发生的 因而突变涉及到微效基因抗病性的机会也较多 思考题1 设抗感杂交子二代分离比为抗 中 感 8 7 1 试推测该抗性有几对基因 何种互作决定的 2 有一小麦品种能抗某种病害 欲知其为主效基因抗病性还是微效基因抗病性 试设计一个实验方案 50 51 第一节基因对基因学说一 基因对基因学说的内容植物对某种病原菌的特异性抗病性取决于它是否具有抗病基因 而同时病原菌专一性致病性取决于它是否具有毒性基因 即寄主植物分别含有抗病基因 R 和感病基因 r 病原物分别含有无毒基因 A 和毒性基因 v 只有当含有相应抗病基因的植物与含有相应无毒基因的病原物相遇时 才能激发植物的抗病反应 其他情况两者结表现为亲和反应即寄主感病 因对基因关系是生物间相互关系中普遍规律之一 不仅真菌病害 而且细菌 病毒 线虫乃至高等寄生性植物病害中也存在 目前在植物对抗霜霉菌 锈菌 黑粉菌和一些细菌病害中都发现了隐性抗病基因 二 基因对基因学说的作用和意义1 小种鉴定中鉴别寄主的选用和改进2 新小种的预测 52 3 寄主品种抗病基因型和病原物毒性基因型的鉴定 4 植物抗病机制及寄主植物 病原物互作的研究 5 寄主植物与病原物共进化的理论研究基础 第二节抗病性基因与致病性基因的相互作用一 寄主 病原物间的专化性和识别1 专化性 specificity 2 寄主 病原物识别 recoginition 寄主 病原物识别主要表现在互作过程早期发生在细胞表面的特定反应 对寄主植物的病理过程和对病原物的致病过程起着不同程度的促进和阻碍作用 1 识别类型根据病理过程分为接触识别和接触后识别 根据寄主互作的性质分为亲和性识别和非亲和性识别 根据识别分子与互补基因的关系分为一般性识别和特异性识别 53 2 识别机制 1 分子 细胞识别病原物产生的配体分子 ligand 与寄主细胞表面的受体分子 receptor 发生结构互补的特异性结合 病原物酶诱导合成过程中的分子识别如对病原细菌果胶酶合成起诱导作用的物质 是起始水平果胶酶降解植物果胶类化合物所产生的低糖分子 植物保卫素诱导合成过程中的分子识别在菌物 寄主互作体系中 寄主植物的植物保卫素是由病原菌物具扩散性的激发子 elicitor Keen 1975 诱导合成的 如大豆素 glyceollin 是大豆受大豆疫霉菌侵染后合成的一种植物保卫素 由病菌细胞壁表面的糖蛋白专一性诱导 病原物寄主专化性毒素的作用中的分子识别寄主专化性毒素在病原菌物与寄主接触的初期产生 扩散到细胞上的作用部位 与相应的毒素受体结合位点结合后引发寄主的细胞学反应 如活性氧爆发 oxidativeburst 细胞膜结构和透性变化等 54 2 细胞 细胞识别识别双方以分子识别实现细胞间特异性结合 并引发一方或双方细胞学专化反应的过程 即配体与受体间的分子识别导致细胞识别的发生 而细胞识别表现为细胞水平的二级反应是通过分子识别对细胞生理生化功能的活化实现的 菌物 植物接触识别菌物在侵染过程中有三个阶段必须与寄主表面接触 孢子附着 芽管产生 芽管或侵入丝穿过气孔下室 详见 普通植物病理学 谢联辉主编 P307 细菌 植物接触识别在细菌 寄主互作体系中 植物表面以受体形式出现称为植物识别子 congor 细菌表面以配体形式起作用称为细菌识别子 congon Congor多以特定构型分布在植物细胞壁上 而Congon或由细胞表面扩散出来 或联接在细菌表面congon的载体上 作为congor的物质与作为congon的物质在体外测定中能产生特异性免疫反应 55 植物识别子 果胶化合物 主要存在双子叶植物与根癌菌互作过程中 植物外源凝集素 lectin 为蛋白或糖蛋白 由载体联接在植物细胞壁上 具有一定专化性或高度专化性的菌体凝集活性和半抗原抑制效应 多见于根瘤菌 豆科植物体系和烟草等双双子叶植物对青枯假单孢菌非亲和菌株的接触识别过程中 植物细菌凝集素 agglutinin 植物表面可作为识别子起作用的物质的总称 是叶斑型植物细菌性病害和其它某些病害系统中的植物识别子 细菌识别子 主要包括胞外多糖 LPS 荚膜多糖 CPS 和脂多糖 EPS Keen Bruegger 1977 提出了如下假设1 在基因对基因病害中 病原物无毒基因决定病原物产生特异性激发子 specificelicitor 2 寄主抗病基因决定寄主植物细胞膜上存在特异接受子 3 接受子与激发子结合 导致植保素的产生 表现抗病反应 56 二 寄主 病原物互作的基因调控模型 Avirulencegene Sensorgene Integratorgene Receptivegene Producegene Av1 Av2 Av3 R1ABC IAIBIC Host Parasite R2AB R3AC IAIB IAIC RSPA RA RBPB RCRS PC Non specificinductor Secondaryinductor SIACDEF IS Othereffects ActivatorRNA ActivatorRNA 57 第三节生物间遗传学一 基本概念1 结合体 aegricorpus Loegering 1971 就抗病性和致病性而言 寄主和病原物都只有基因型而没有表现型 结合体才有表现型 限定性表现型 由特定基因对基因组合成的复合基因型才能决定的表现型称为限定性表现型 非限定性表现型 复合基因型中特异性基因仅一方存在或双方都不存在时所给出的表现型 2 逻辑代数的应用 1代表限定性表型 0代表非限定性表型 二 方法要点 型互作 P85 86 型互作 两个基因对如决定的侵染型不同时 低侵染型呈上位 P86 58 三 应用1 推测基因型 AB XY 抗感感抗 限定型为抗病 AB XY 1001 AB1p10p1 1h10h1 1000 错 推理 A1p10p2 X1h10h2 1a10a21 Y0h11h2 0a10a20 0a10a20 0a11a21 B0p11p2 结论正确 推理 小麦杆锈菌A B两个菌系接种于X Y两个品种 得到如上结果 试推测其基因型 59 第四节植物病害体系一 水平体系与垂直体系Vanderplank 1963 将 水平 垂直 用于植物抗病性流行学标准的分类 Robinson 1976 将其应用于植物抗虫性 有害生物抗药性 抗病性 基因 和致病性 基因 甚至用于寄主 病原物植物病害系统 从客观群体看 寄主由多种抗病性类群 pathodeme 组成 病原物由多种致病性类群组成 各种不同的抗病性类群 或品种 与各种不同的致病性类群 或菌系 相遇时 其相互关系可分为两类 一类是系统中存在着特异的互作或分化性互作 即垂直体系 一类则出现抗病和致病表现的恒定等级 即水平体系 P87 Fig 6 7 在垂直体系中 寄主抗性差异是垂直抗性差异 病原物致病性差异是毒性的差异 垂直致病性 在水平体系中 寄主抗性差异是水平抗性差异 病原物致病性差异是侵袭力的差异 水平致病性 60 垂直体系 抗病总体效应较高 但难以持久稳定 除非 1 寄主为异质群体 2 寄主群体在时间空间上不连续分布 3 寄主 病原物双方的遗传弹性对比 水平体系 抗病总体效应 一般 但较为持久稳定 在自然生态系统中 水平体系较为稳定 垂直体系也处于动态平衡之中 其中 垂直抗病基因多种并存 寄主群体中的遗传多样性以及时空分布的连续都使得病原物各种致病性类群大体均衡并存 难以区分优势小种 只有当人们选用单一垂直抗性基因并大面积单一化推广后才发生强的定向选择造成优势小种形成 进而导致寄主植物抗病性丧失 61 二 两类致病性和两类抗病性1毒性和侵袭力毒性是专化于品种的 只能克服特定抗病基因 而对其它抗病基因无效 又称为专化性致病性 侵袭力是非专化性致病性 具有不同的程度表现 且其表现不因品种而异 在低级的寄生菌中 菌系间大多只有侵袭力强弱不同 而无毒性表现 如小麦赤霉病菌 棉花枯黄萎病菌等 在高级寄生菌和专性寄生菌中 菌系之间可以既有毒性差别又有侵袭力差别 同一菌系既有毒性方面又有侵袭力方面的遗传特性 62 2垂直抗 病 性和水平抗 病 性垂直抗性 质量性状 决定小种的定性反应 抗感因所遇小种而异 水平抗性 数量性状 决定各种强弱程度的抗病能力 不因小种和菌系而异 垂直抗性和水平抗性并不是相互排斥的 可共存于一体 一个品种同一植株可以同时兼具有两类抗性 根据垂直抗性和水平抗性的特点 品种可以分为四种类型 1 水平抗性很弱又没有垂直抗性 感病品种 2 水平抗性很弱但有垂直抗性 高抗或免疫品种 3 水平抗性很强 而尚未发现垂直抗性 4 水平抗性强而又有垂直抗性 垂水综合抗性品种 三 定向选择和稳定化选择定向选择 directionalselection 垂直抗病性品种大面积推广以后 相应的毒性小种便能在其上顺利发展 连年种植该品种 相应的毒性小种就会愈繁殖愈多 63 稳定化选择 stabilizingselection 抗病品种面积减少 感病品种面积增加时 使毒性小种的频率降低而无毒性小种的频率上升的选择压力 四 微梯弗利亚效应和水平抗病性育种微梯弗利亚效应 Vertifoliaeffect 垂直抗病性育种过程中 水平抗病性的人为丧失的现象 Robinson 1987 认为 抗病育种应以水平抗病性为基础 垂直抗病性或者为不得已而两者并用 或者是锦上添花 因为水平抗病性是普遍存在的且能持久 水平抗病性的略微加强也能使其它防治负担大大减轻 水平抗病性是寄主抗病性管理的首要目标 即使要利用垂直抗病性 也必须在保持水平抗病性强度的基础上进行 五 植病系统稳定性的其它假设1 抗病基因的品位 quality Eentink 1976 认为 高品位的抗病基因可能是较为复杂的基因 具有特殊的核苷酸序列 或是几个紧密连锁的基因共同组成 高品位的抗病 64 基因只能被高品位的致病基因克服 病原菌为克服新抗病基因所需的致病基因越复杂 则相应的抗病基因越能持久 因此 不论单基因还是多基因遗传的抗病性都有可能是稳定的 其结果取决于抗感基因双方的互作情况和基因品位 2 微效基因中的基因对基因关系Parlevliet Zadoks认为 寄主群体中全部抗病基因和病原菌群体中全部致病基因共同组成一个综合的系统 双方主效基因和微效基因之间分别都可能存在基因对基因关系 及特异性或分化性互作关系 当只有少数主效基因起作用时 特异性或分化性互作极为明显 表现为垂直抗病性 当若干个微效基因共同决定着抗病性或致病性时 则特异性或分化性互作很小 表现为水平抗病性 Nelson 1975 认为 垂直抗病性和水平抗病性基因是同一类基因 单独地起决定作用时即为主效基因 集体累加起来才能引起一定表型效应的即为微效基因 同一基因在不同遗传背景上可能呈主效或微效 65 第五节寄主 病原物相互关系的群体遗传一 品种组成和小种组成的相互作用在农田生态系统中 寄主群体抗病性遗传结构由人为控制 病原物群体的致病性遗传结构则主要由寄主抗病性遗传结构决定 为了更好地控制病原物的种群数量和小种组成 必须研究品种组成的影响 通过寄主群体的基因管理来控制病原物 二 小种寄生适合度寄生适合度 parasiticfitness 由寄主抗病性和病原物致病性共同决定的该小种的侵染繁殖能力 当有多个品种 小种组合居于同一环境条件下时 不同组合间侵染和繁殖程度的差异决定于品种抗病性和小种致病性 三 新小种的流行规律变异类型的形成 对栽培植物来说 遗传来源很重要 定向选择有人为作保证 对病原物来说 变异来源广泛 但定向选择的条件和强度成为更重要的因素 66 新小种建立和流行主要取决于毒性基因或毒性基因型的遗传来源 形成新小种的可能性 以及定向选择的条件和强度 新小种能否建立互作关系和发展的速度 强度 1 变异速度2 病菌群体大小3 病菌发育循环和病害流行规律4 寄主品种的组成和布局5 影响菌量积累的气候条件和栽培条件6 适合度思考题1 名词解释 基因对基因假说 结合体 限定性表现型 非限定性表现型 水平体系 垂直体系 毒性 侵袭力 水平抗病性 垂直抗病性定向选择 稳定化选择 微梯弗利亚效应 寄生适合度2 新小种建立和流行的速度取决于那些条件 3 P97 第3题4 P98 第4 6题 67 1 了解植物抗病育种的进展和存在的问题2 了解植物抗病育种的策略和育种技术的进展3 了解植物抗病育种的途径 思考题1 试述植物抗病性鉴定的基本方法 2 试述植物抗病性育种方法和技术的应用和进展情况 3 试述选育多抗性且抗性持久作物品种策略和方法 68 抗病育种在小麦锈病病综合治理中的应用及存在的问题 小麦锈菌的生理小种 1 小麦条锈菌的生理小种我国于1944年开始进行小麦条锈菌生理小种鉴定 1957年开始由中国农科院植保所主持 与全国有关省区协作 采取开放式鉴别寄主 进行系统鉴定 迄今共鉴定出31个生理小种 命名为条中1号 条中31号 CY1 31 其中与生产关系密切的有CY1 8 10 13 17 18 19 22 23 25 26 27 28 29 30 31等16个 另外 还鉴定出40多个不同的致病新类型 69 2 小麦秆锈菌的生理小种1932年开始进行初步鉴定 1949 1956年开始对全国小麦秆锈菌的生理小种进行鉴定 查明以21号小种最多 其次为34号 此外还鉴定出有42 16和14号 1956年以后 由沈阳农业大学主持进行系统鉴定 改进了鉴别寄主和方法 共鉴定出17个生理小种 其中以21号类群最多 其次为34号类群 自1990年开始探索用单基因系鉴定小种及其毒力频率 并且查明当前对小麦秆锈菌的有效抗锈基因为Sr5 9e 11 21 26 30 31 33 35 37 38等11个 3 小麦叶锈菌的生理小种上世纪40年代开始进行初步鉴定 1974年和1976年先后由中国农科院植保所和河北农大主持开展全国协作鉴定 统一了鉴别寄主 改进了命名方法 截止1996年共鉴定出48个生理小种 命名为叶中1号 叶中48号 其中以叶中1号 2号和3号出现频率最高 70 小麦条锈菌的毒性变异研究西北农林科技大学等单位 自上世纪60年代开始系统研究了我国小麦条锈菌生理小种的毒性变异途径 影响因素和控制对策 明确突变和异核作用为我国小麦条锈菌毒性变异的主要途径 发现陇南和川西北等地为小麦条锈菌新小种的主要策源地 并且研究了其成为易变区原因 建立了小麦条锈菌分子遗传标记体系 在DNA分子水平对陇南等地区成为易变区原因及其与周边地区的关系进行了进一步揭示 首次提供了我国小麦条锈菌基因漂移的证据 并且发现病菌有毒性渐进变异现象 河北农业大学应用生物学和细胞学方法研究了我国小麦叶锈菌的异核作用 证明小麦叶锈菌通过异核作用可以产生新小种 并且产生频率较高 说明在无性阶段 通过异核作用发生毒性变异 是叶锈菌致病力变异的重要机制之一 71 沈阳农业大学研究了我国小麦秆锈菌小种相对稳定原因 初步认为主要是由下列4种因素所致 1 我国小麦秆锈菌新小种相对生存能力弱 2 秆锈菌有性世代基本上不起作用 3 秆锈菌无性世代夏孢子异核率极低 4 我国小麦秆锈病东线传播区抗秆锈品种布局较为合理 此外 通过中国科学院 吉林农科院和河北农业大学等单位多年的研究 证明我国小麦秆锈菌和叶锈菌的转主寄主在自然条件下在侵染循环中不起作用 小麦品种的抗锈性小麦锈菌是一种严格寄生菌 与寄主植物相互作用时间很长 病菌致病性分化复杂 变异性大 1 低反应型抗条锈性 也称专化抗条锈性或垂直抗条锈性 由主效基因控制 抗性明显 对环境影响比较稳定 小麦