這次分享的文章是近期由，中科院何祖華研究員和美國俄亥俄州立大學/中國農業科學院植物保護研究所王國梁教授受邀在 Annual Review of Plant Biology 撰寫題為 “Exploiting Broad-Spectrum Disease Resistance in Crops: From Molecular Dissection to Breeding” 的綜述論文。文章分為兩大部分，第壹大部分1-3小節，主要是論述分子層面的抗病過程，第二大部分是4-5小節，提出了如何將BSR應用到育種過程中去，我主要關註的是第壹大部分，後面的部分僅作了解。
Broad-spectrum resistance(BSR)是壹個優良的性狀因為它可以對超過壹種病原菌或同壹病原菌的大多數病原小種產生抗性。本文報道了不同物種BSR基因的鑒定和功能解析工作，並討論了BSR在分子育種中的應用。
作物面臨的病害有真菌，卵菌，細菌，病毒和線蟲。
Broad-spectrum resistance(BSR): 植物能抵抗兩種病原菌或對同壹病原菌的多個病原小種產生抗性的。
Resistance(R) genes: 對病原菌產生抗性的基因，如編碼表面受體(receptor-like kinases)的基因和細胞內受體NLRs(能直接或間接地檢測同源的病原菌效應子)
Quantitative trait locus(QTL): 壹段特定的染色體區域或負責生物體群體表型中數量性狀變異的遺傳位點。
Species-nonspecific broad-spectrum resistance(SNS BSR): 植物對多於壹種病原菌產生抗性。
Race-nonspecific broad-spectrum resistance(RNS BSR): 植物對同壹病原菌的多個小種產生抗性。
育種家早先使用單顯性或隱性的R基因，因為它們效應強且容易選擇。大多數基因具有對單壹或少數病原菌的特異小種產生抗性;然而，致病菌種群的突變和毒力的轉移使這些抗特異小種的R基因有效性很短，而由QTLs控制的部分抗病性通常沒有小種特異性。盡管在同壹遺傳背景結合單壹R基因和QTLs對抗病性是有效的，但是技術上是有難度的並且耗時長。因此，選擇BSR就被提上了日程。
PTI和ETI。
PAMPs通常對於病原菌的生存是至關重要的並且進化上是保守的。植物的PRRs是膜定位的RLKs或RLPs。來自擬南芥，水稻和馬鈴薯的五個PRRs被報道是SNS BSR(T1)。擬南芥第壹個RLK-PRR是FLS2，對包括假單胞菌在內的具有鞭毛蛋白細菌都有SNS BSR；在其他物種中異源表達FLS2增強了其對壹些細菌的抗性。細菌的另壹種PAMP，elf18，是EF-TU N端的抗原表位，被EFR識別，也作為壹種SNS BSR蛋白來調節擬南芥對細菌病害的抗性。Xa21是作物中第壹個RLK-PRR R基因，對Xoo和Xoc的大多數小種都有抗性。在柑橘、擬南芥、香蕉中異源表達Xa21增強了對多種細菌病害的抗性。水稻中包含Lysin motif的蛋白LYP4和LYP6是雙功能PRRs，可以感知細菌肽聚糖和真菌幾丁質，激活對細菌和真菌的抗性。擬南芥中RLP-PRR RLP23與LRR受體激酶SOBIR1和BAK1形成三聚體來調節微生物蛋白壞死和乙烯誘導(Necrosis and ethylene-inducing peptide 1-like protein,NLP)的免疫反應。因此可以說明，識別廣泛的微生物模式的PRRs可能特別適合於設計作物免疫。
首次鑒定的SNS-BSR NLR蛋白是與擬南芥抗性相關的RRS1(RESISTANCE TO RALSTONIA SOLANACEARUM1)與RPS4(RESISTANCE TO PSEUDOMONAS SYRINGAE4)，它們作為雙重的R基因系統，對細菌和真菌都產生抗性。RPS4與RRS1成對工作，觸發超敏反應(HR)，對含有AvrRps4的丁香假單胞菌產生抗性。除了AvrRps4, RRS1/RPS4還能識別來自青枯菌的效應蛋白PopP2。此外，RRS1和RPS4都是抵抗真菌病原菌炭疽病所必需的，可能是通過識別壹種未知的效應子。
Wall-associated kinases(WAKs): 植物的壹類受體激酶，包含胞外的聚半乳糖醛酸結合結構域，跨膜結構域和胞內的Ser/Thr激酶結構域。
Defense-signaling genes: 在信號轉導通路中發揮功能的基因，與病原菌的識別和防衛激活聯系起來。
Pathogenesis-related(PR) genes: 在防衛響應下遊的基因，負責抗菌類物質的產生。
NHR(Nonhost resistance): 植物對所有非適應性病原菌的抗病性;植物對大多數可能致病的微生物表現出的最常見的抗病性。
總***42個防衛信號基因被認為參與到SNS BSR抗性中(Supplemental Table1)。
MAPKs是眾所周知的防禦信號蛋白，它將防禦信號從免疫受體傳遞到下遊蛋白;例如，OsMAPK5負向調節水稻對細菌性病原菌 細菌性古枯病和真菌稻瘟病的抗性。OsMPK15負調控PR基因表達和ROS積累，osmpk15敲除突變體增強了對Xoo和多個稻瘟病小種的SNS BSR。
除了MAPKs，其他的激酶，如RLKs和RLCKs，也在SNS-BSR中發揮功能。兩個水稻的WAKs，OsWAK25和OsWAK91，對於SNS BSR抗稻瘟病和白葉枯是重要的。
蛋白質泛素化介導的降解也在SNS BSR中發揮重要作用。水稻U-box E3基因Spl11(SPOTTED LEAF11)編碼了細胞死亡的負調控因子，而spl11突變體增加了對稻瘟病和Xoo的SNS BSR。敲除SPIN6(SPL11-interacting Protein 6)也增強了植物對這兩種病原菌的抗性。另壹個多亞基E3泛素連接酶OsCUL3a (Cullin3a)通過靶向和降解OsNPR1(NONEXPRESSER OF PATHOGENESIS-RELATED 1)負調節細胞死亡和對稻瘟病和白葉枯的SNS BSR。OsBAG4是人BAG(Bcl2-associated athanogene)在水稻中的同系物，它與RING結構域的E3泛素連接酶EBR1(Enhanced Blight and blast)形成壹個模塊，控制程序性細胞死亡和SNS BSR對稻瘟病和白葉枯的抗性。
表觀調控SNS BSR。如水稻中沈默HDT701(HISTONE H4 DEACETYLASE GENE 701)增強了對稻瘟病和白葉枯的抗性。
轉錄因子是植物免疫信號中關鍵的成分，在調控防衛基因表達中發揮重要的作用。如WRKY類轉錄因子，過表達OsWRKY45-1 or OsWRKY45-2激活了對稻瘟病的抗性但是抑制了對紋枯病的抗性，此外這兩個轉錄因子在調控水稻對細菌的抗性中發揮相反的作用：OsWRKY45-1負調控水稻對Xoo和Xoc的抗性，而OsWRKY45-2正調控水稻對Xoo和Xoc的抗性。在擬南芥中，過表達NPR1增強了對細菌病原菌丁香假單胞菌和卵菌的SNS BSR，且這種抗性是有劑量效應的。值得註意的是，NPR1過表達會導致自發免疫和多效表型。
抗菌物質(保衛酶，防衛素，次級代謝物如植物抗毒素，ROS，胼胝質的沈積，細胞壁修飾和程序性細胞死亡)的產生通常受PR基因調控的，這在植物中是唯壹的，並且對多種病原菌都有效。
這些PR基因的SNS BSR通常由過表達來實現，如在擬南芥中過表達CaAMP1(Capsicum annuum ANTIMICROBIAL PROTEIN1)增強了其對多種病原菌的抗性。
植物激素合成相關的蛋白也在BSR中發揮重要作用，如OsACS2(乙烯合成酶) 。過表達OsACS2增強了乙烯的產生，防衛基因表達，和對紋枯和大多數稻瘟病小種的抗性；但過表達OsACS2對農藝性狀沒有影響。
Susceptibility (S)gene： 促進感染過程或支持與病原菌感病性的任何植物基因。
S基因通常被病原菌靶向或誘導來負調控宿主抗病性。Xa5,編碼TF IIA的γ亞基 ,是水稻中鑒定的第壹個S基因和被發現負調節對Xoo和Xoc多個小種的SNS BSR。Xa13/OsSWEET11 編碼壹個糖運輸蛋白，促進了細菌和真菌侵染，失活後增強了對Xoo和紋枯的抗性。
在水稻中克隆了Bsr-k1(BROAD -SPECTRUMRESISTANCE KITAAKE-1)，發現其編碼了壹種肽重復結構域RNA結合蛋白，並且負調控SNS BSR。Bsr-k1敲除導致水稻苯丙氨酸解氨酶基因(OsPALs)表達上調，並且增強了水稻對稻瘟病和Xoo的抗性。
與主要的基因介導的抗性相比，QTLs控制的數量抗性通常被認為是非物種特異性的，且更持久。
Lr34/Yr18/Pm38編碼壹種ATP結合盒轉運蛋白，該蛋白能部分抵抗小麥的葉銹病、條銹病和白粉病。
NHR是植物對大多數潛在致病性微生物表現出的最常見的抗病形式。第壹個被分離的NHR基因是擬南芥的NHO1(NONHOST 1)，它正調節對幾種非宿主病原體的SNS BSR，如丁香假單胞菌和灰黴病菌。
水稻6號染色體上的Pi2/Pi9位點包含多個RNS-BSR基因，包括Pi2、Pi9、Pi50、piz-t和Pigm。
9個RNS-BSR R基因編碼非NLR蛋白(補充表2);例如，水稻基因Xa4編碼WAK蛋白，並在不影響糧食產量的情況下提供了對Xoo的持久的RNS BSR。在未接病的植物中，XA4激活纖維素合成酶基因CesA的轉錄，促進纖維素生物合成，抑制擴張素表達，增加植物細胞壁的機械強度，抑制Xoo侵染。
泛素化介導的信號通路通過激活NLRs和下遊免疫信號從而在RNS BSR中發揮重要作用。水稻E3 OsBBI1(BLAST AND BTH-INDUCED 1)通過修改宿主細胞壁來對稻瘟病產生RNS BSR。過表達OsBBI1 增加了ROS，如H 2 O 2 的積累。水稻中另壹種E3 OsPUB15與水稻稻瘟病的R蛋白Pid2互作，從而正調控細胞死亡和基礎抗性，因此對稻瘟病有RNS BSR。
蛋白激酶類基因也參與RNS BSR。OsBRR1正調對稻瘟病的抗性；六倍體小麥克隆到的LecRK-V(L-type lectin receptor kinase V),在苗期和成熟期產生對白粉病的抗性。
Pyramiding: 通過遺傳策略把兩個或兩個以上的基因結合起來形成優良品系或品種的過程。
Marker-assisted selection (MAS): 這是傳統育種的壹個補充工具，其中個體的選擇取決於多態分子標記和性狀之間的聯系。
目前為止已鑒定五種S基因來傳遞 RNS BSR。Mlo是大麥中鑒定的第壹個S基因，後來發現在幾乎所有高等植物中都存在。MLO定位在膜上，包含保守的跨膜結構域和C端的鈣調蛋白結合結構域。
水稻中的S基因，Pi21(QTL)編碼富含脯氨酸的蛋白，有壹個重金屬結合結構域和蛋白互作結構域。pi21的隱性等位基因(在富含脯氨酸的motif上發生突變)對壹些稻瘟病小種有RNS BSR。另壹個水稻RNS-BSR S基因 Bsr-d1(Broad-spectrum resistance Digu 1) 編碼C2H2類TF，在Bsr-d1啟動子區壹個單核苷酸的突變增強了與MYB轉錄因子 MYBS1的結合，抑制了Bsr-d1的表達，增強了對多個稻瘟病小種的抗性。壹些S基因也在rice-Xoo的病理系統中起作用，包括Xa25/OsSWEET13和Xa41(t)/OsSWEET14，它們編碼促進細菌侵染的糖轉運蛋白，減少了對Xoo的RNS BSR
三個RNS-BSR QTL已在小麥、玉米和馬鈴薯中被克隆。小麥中的Fbb1，玉米中的ZmWAK-RLK，馬鈴薯的R8.
包含多個R基因的水稻通常比包含單個R基因的水稻抗譜要廣。如，包含Pi2/Pi1, Pigm/Pi54，Pi2/Pi54, and Piz-t/Pi54對的水稻株系比只含單個R基因的抗性要好。使用MAS獲得的Xa4、Xa21、Xa7、Xa23和Xa27聚合的優良水稻品種比只有壹個基因的品系具有更廣的抗性譜和更高的抗性水平。
當植物不受病原體侵襲時，通常嚴格控制植物基因的表達以避免自身免疫;然而，少數R基因的過表達可以激活免疫反應，產生抗多種病原菌的BSR，而不會引起高水平的細胞死亡。如使用不同的啟動子，包括天然的WRKY13啟動子和玉米ubi啟動子，增加水稻R基因Xa3/Xa26的表達，可以增加對Xoo抗譜。過表達水稻PRRs OsLYP4和OsLYP6的使對Xoo和稻瘟病產生BSR。
利用防禦信號和PR基因來設計BSR是可能的，因為它們通常在免疫受體的下遊起作用。
使用TALEN/CRISPR靶向小麥的Mlo位點使得植物抗白粉病。番茄中，使用CRISPR敲除Mlo的同源基因SIMlo1導致抗白粉病。水稻中，CRISPR誘導的敲除Pi21的富含脯氨酸motif提供了對稻瘟病的RNS BSR，編輯三個SWEET基因的啟動子區導致了秈梗稻中對所有測試的Xoo株系的BSR。
在水稻中，在多個地點混合種植兩年的抗病和感病品種可以大大降低兩個品種稻瘟病的嚴重程度。
pigm，bsr-d1，IPA1。
免疫受體、防禦信號、PR和NHR基因等的過表達常常導致細胞死亡和侏儒表型。上遊的開放閱讀框，在5‘UTR區域，是翻譯過程和mRNA周轉強有力的順勢調控元件，在被子植物基因組中含量豐富。
BSR品種的廣泛和長期種植可能會增加病原菌的選擇壓力，增加耐藥群體的出現。建立用於評價不同品種抗病能力的自然病圃，也將有助於檢驗BSR基因的有效性。
將PRR和NLRs或QTLs結合，能夠增強抗性水平和轉基因的抗譜。
以前的研究表明，在壹個金字塔中，壹個R基因可能掩蓋了其他基因的影響，這樣壹些R基因組合比其他組合提供更少的抗病性。含piz5和Pita的水稻抗病性低於單獨含piz5的水稻。
活體性病原菌和死體性病原菌使用不同的策略:死體性病原體殺死宿主組織，因為它們在死細胞或垂死細胞的內容物上定植並茁壯成長，而活體性病原菌則依賴活的宿主細胞來完成它們的生命周期。在許多情況下，對活體性病原菌具有抗性的植物容易受到死體性病原菌的感染，反之亦然。
1.新品種BSR的選擇是作物育種中重要的目標。
2.BSR基因編碼PRRs，NLRs和其他的防衛相關蛋白。
3.以QTLs、感病性丟失、非宿主抗性為基礎的基因也涉及到BSR。
4.作物中長期的BSR能夠通過不同的育種策略來實現。
5.低成本的定位策略，如RenSeq，能夠應用到野生品種BSR基因的快速分離。
6.基因組編輯技術，如CRISPR，在BSR設計育種中發揮重要作用。
論文鏈接： https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-arplant-010720-022215