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李峰等
, 2011,
植物
NBS-LRR
类抗病基因的研究进展
,
分子植物育种
(online) Vol.9 No.108 pp.1784-1790 (doi: 10.5376/mpb. cn.2011.09.0108)
1785
子生物学与分子技术的不断进步，研究者已从众多
的植物中克隆得到了抗病基因，如番茄的
Pto
基因
(Martin et al., 1993)
，烟草的
N
基因
(Whitham et al.,
1994)
以及小麦
Lr10
基因
(Feuillet et al., 1997)
。
至今，分离与克隆抗病基因的方法已有多种，
如转座子标签法、图位克隆法、表型基因克隆法、
mRNA
差异显示技术等等。通过这些方法，克隆获
得约
50
多个植物的抗性
(resistance, R)
基因，其中，
NBS-LRR
类是最大的一类，
NBS
存在于真核生物
的许多蛋白中，
NBS
区域主要负责
ATP
的水解以
及释放信号。
LRR
是长度在
24
个氨基酸之内的多
重重复，它是蛋白质相互作用的平台，而且是蛋白
质活化作用的调控构件。通过分析，一些
R
基因产
物的氨基酸序列具有高度保守的区域。根据这些保
守区域设计引物来扩增基因组
DNA
或
cDNA
可获
得
RGA
，这为分离抗病基因或抗病相关序列提供了
一种新方法。
NBS-LRR
类基因的研究还可与分子
标记技术相联系，通过一些分子标记，可将一些
RGAs
定位在相应的遗传图谱上，从而逐步接近抗
病基因，这不仅有助于对抗病机制的分析与认识，
而且也能加速挖掘抗病基因的进程。我们对近年来
国内外有关
NBS-LRR
类基因的介绍做了一个较系
统的总结，以期为更好的利用
NBS-LRR
类基因来
克隆和分离抗病基因奠定基础。
1 R
基因
Flor
于
1971
年提出了著名的基因对基因假说
(Flor, 1971)
，他认为基因对基因相互作用的显著标
志是过敏性反应
(hypersensitive reaction, HR)
的诱
导，
HR
是植物抵抗病原菌的一种机制与植物抗病
性有直接关系。该假说成为了目前克隆植物抗病基
因的理论基础。
植物的抗病性是植物为了抵抗病原物的侵染、
扩展和危害而在形态结构和生理生化等方面在时间
和空间上的综合表现，其实质是抗病性基因表达的
结果，通过抗病基因的表达和相关基因的调控而实
现的。植物抗病性的强弱决定了抗病基因的表达强
度和速度
(
徐炎
, 2000,
西北农林科技大学
, pp.15-16)
。
植物的防御反应可以分为植物基本防御与
R
基因调
节防御两种类型，绝大多数
R
基因含有
NBS-LRR
区域，它是植物免疫系统的重要组份
(Shang et al.,
2009)
。
R
基因在植物的病害防御过程中起着非常重
要的作用，一旦病原菌侵入植物表皮将遇到
R
基因
和
avr
基因的互作，即植物的非寄主抗病性
(
孙文丽
等
, 2008)
。
2 RGA
与
R
基因
抗病基因同源序列
(resistance gene analog, RGA)
是一种存在于植物基因组中具有某些特定保守结
构域的
DNA
区段。抗病基因克隆对于培育抗病作
物新品种和研究病原物与寄主作物之间互作的分
子机制具有重要的意义。根据植物抗病基因保守序
列结构特点设计引物来扩增基因组
DNA
或
cDNA
可获得抗病基因同源序列，为筛选抗病基因或抗病
相关基因提供了一种有效手段
(
贺超英等
, 2001,
www.scichina.com)
。
RGA
与
R
基因之间的关系主要有三种
(
王华峰
,
2004)
。第一，
RGA
是
R
基因或假基因的一部分。
第二，
RGA
与
R
基因紧密连锁。第三，
RGA
与目
的抗病基因无关。连锁分析表明很多
RGA
与
R
基
因紧密连锁，甚至就是
R
基因的一部分，这为进一
步筛选克隆目的
R
基因奠定了重要的基础。因
RGA
结构域不同可分为
4
类，第一类是
NBS-LRR
类抗
病基因。这类基因的特点是在它们编码蛋白的近
N
端存在着
NBS
，而在它们的近
C
端则由
LRR
组成。
这一类蛋白一般存在于细胞质中，如烟草抗花叶病
毒基因
N
基因。第二类是
LRR-TM
类抗病基因，它
们的
N
端存在一个胞外
LRR
，而在
C
端具有由疏
水氨基酸组成的跨膜区
(TM)
，如番茄抗叶霉病不同
生理小种的基因
cf
-
2
，
cf
-
4
以及甜菜抗包囊线虫的
基因
Hs1
。第三类是
LRR-TM-STK
类抗病基因，它
含有与
cf
-
9
蛋白相似的胞外
LRR
受体结构域，又
含有与
Pto
蛋白相似的胞内
STK
结构域，在这两个
区域之间存在一个跨膜区
(TM)
，如水稻抗白叶枯病
基因
Xa21
。第四类是
STK
类抗病基因，它没有
LRR
结构域，如番茄
Pto
，
Fen
，
Lr10
基因。在这四类中
以
NBS
类抗病基因为主，
NBS
即核苷酸结合位点
(Nucleotide binding site)
，
LRR
为富含亮氨酸重复
(Leucine-rich repeats)
。
Meyers
等
(1999)
的研究结果
表明：双子叶植物中同时存在
TIR-NBS-LRR
和
non
TIR-NBS-LRR
两类抗病基因，并且
non TIR-NBS-
LRR
类抗病基因中的
Kinase
-
2
的共有序列可总结
为
(Y/V)(L/V)(L/I/V)V(L/V)DD(I/V)W
，最后一个氨
基酸为天冬氨酸
(D)
，而在
TIR-NBS-LRR
中
Kinase
-
2
的共有序列可总结为
(V/L/I)(L/I/V)(L/I/V)V(L/I/V)
DD(V/I)X
，最后一个氨基酸为任意氨基酸，通常为
色氨酸
(W)
。因此在
Kinase
-
2
末端中，当最后一个
氨基酸为色氨酸
(W)
时，该基因属于
non-TIR-NBS-