蘇培森

聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東聊城252000

小麥作為世界上第三大糧食作物，是人類能量和蛋白質(zhì)的主要來源，小麥的生產(chǎn)對確保我國和全球糧食安全具有重要的意義。然而，小麥在生長發(fā)育過程中，往往會(huì)遭受來自外界各種病原菌的侵染，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的降低，嚴(yán)重影響小麥的生產(chǎn)和糧食安全。小麥赤霉病是一種嚴(yán)重的小麥穗部真菌病害，主要由禾谷鐮孢菌(俗稱禾谷鐮刀菌，F(xiàn)usarium graminearum)引起，被稱為小麥“癌癥”，會(huì)造成小麥大幅度減產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2019年，全世界范圍內(nèi)，由于赤霉病引起的減產(chǎn)僅次于小麥銹病[1]。我國作為小麥赤霉病常年發(fā)生和局部地區(qū)常年流行的國家之一，在2000—2018年間，由于赤霉病引起的小麥年均產(chǎn)量損失超過341萬t[2-3]。近年來，隨著氣候變化以及耕作制度的改變，我國小麥赤霉病常發(fā)及重發(fā)區(qū)域也從長江中下游麥區(qū)擴(kuò)展到黃淮麥區(qū)。2012年，小麥赤霉病在全國大面積爆發(fā)，發(fā)病面積達(dá)到994.91萬hm2[4]。在隨后的2016年，小麥赤霉病的發(fā)病面積達(dá)到了174.0萬hm2[5-6]。小麥赤霉病防治工作已經(jīng)刻不容緩。目前生產(chǎn)上，防治小麥赤霉病有效的策略是化學(xué)防治，然而，農(nóng)藥的大量使用對環(huán)境具有破壞作用。長遠(yuǎn)來看，篩選小麥抗赤霉病種質(zhì)資源，挖掘抗性基因，培育抗赤霉病品種是最經(jīng)濟(jì)、綠色、環(huán)保有效的方式。

小麥赤霉病抗性是數(shù)量遺傳性狀，受遺傳和環(huán)境雙重因素的影響，其抗性機(jī)制復(fù)雜。目前小麥赤霉病的抗性機(jī)制已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，關(guān)于小麥赤霉病抗性的QTL已經(jīng)被報(bào)道了數(shù)百個(gè)，分布在小麥所有的染色體上[7]。然而，迄今為止，只有7個(gè)赤霉病抗病位點(diǎn)被正式命名為小麥抗赤霉 病基因，即Fhb1～Fhb7。其中，僅有Fhb1和Fhb7基因被克隆。Rawat等[8]首次從小麥赤霉病抗性品種蘇麥3號中克隆到了Fhb1基因，并指出其為編碼一種帶有凝集素結(jié)構(gòu)域以及類毒素成孔結(jié)構(gòu)域的嵌合凝集素(pore-forming toxin-like,PFT)基因，通過基因沉默、Tilling突變體等手段證明了其在小麥赤霉病中的功能。隨后，Su等[9]和Li等[10]同時(shí)克隆到了Fhb1基因，并指出其為富含組氨酸的鈣結(jié)合蛋白基因（histidine-rich calcium-binding-protein gene，簡稱His或HRC）。但是，兩項(xiàng)研究的結(jié)論卻截然不同:即一個(gè)認(rèn)為是感病基因喪失功能引起抗病，另一個(gè)認(rèn)為His基因部分序列缺失導(dǎo)致赤霉病抗性單倍型產(chǎn)生，從而獲得抗病功能。雖然Fhb1基因的抗性機(jī)制還存在爭議，但是我們不可否認(rèn)Fhb1在小麥抗赤霉病育種中的作用，其創(chuàng)制的不同品系及小麥品種對赤霉病均展現(xiàn)出了非常好的抗性。Wang等[11]克隆了來自小麥近緣植物長穗偃麥草中的抗赤霉病基因Fhb7，該基因編碼一種谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶，對多種單端孢霉烯族毒素具有解毒作用。此外，田間試驗(yàn)表明導(dǎo)入攜帶Fhb7基因染色質(zhì)片段的不同背景小麥對產(chǎn)量均沒有顯著的負(fù)面影響。這兩個(gè)基因的克隆為小麥抗赤霉病遺傳改良提供了優(yōu)異的抗病基因資源，在未來小麥抗赤霉病種質(zhì)資源創(chuàng)新及分子輔助育種中具有非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

目前通過正向遺傳學(xué)分離得到小麥抗赤霉病關(guān)鍵基因仍是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。隨著生物工程技術(shù)、測序技術(shù)以及基因操作技術(shù)的飛速發(fā)展，使得利用轉(zhuǎn)錄組、代謝組以及蛋白質(zhì)組等多組學(xué)分析手段闡明小麥赤霉病抗性機(jī)制成為可能，這也使得參與調(diào)控小麥赤霉病抗性的各個(gè)生物學(xué)過程被發(fā)現(xiàn)，像細(xì)胞壁防衛(wèi)反應(yīng)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路(激素信號通路、鈣離子信號通路、ROS信號通路)、次級代謝生物合成（黃酮合成路徑、酚胺合成路徑）、識別應(yīng)答、降低胞內(nèi)毒素轉(zhuǎn)化等，并可能通過調(diào)控這些路徑的相關(guān)基因，像ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、UDP-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶、轉(zhuǎn)錄因子、鋅指蛋白、病程相關(guān)蛋白、單體α-淀粉酶和二聚α-淀粉酶抑制劑、醛脫氫酶、烏頭酸水合酶和依賴NADP的蘋果酸酶等，抵御禾谷鐮孢菌的侵染[12-17]。隨著多組學(xué)研究技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，越來越多的赤霉病抗性相關(guān)基因和調(diào)控赤霉病抗性的分子網(wǎng)絡(luò)以及具有抗性功能的天然活性代謝物也將被進(jìn)一步挖掘和驗(yàn)證，這將逐步完善小麥抗赤霉病的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為我們通過生物技術(shù)手段改造小麥赤霉病抗性提供理論基礎(chǔ)，對于解決小麥赤霉病這一世界難題具有重要的意義。

1 赤霉病抗性機(jī)制

1.1 細(xì)胞壁防衛(wèi)與赤霉病抗性

細(xì)胞壁作為一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)，是寄主抵御病原菌的第一道防線。當(dāng)病原菌侵染植物時(shí)，首先附著和侵染的是寄主細(xì)胞壁。病原菌的侵染往往會(huì)引起細(xì)胞壁中沉淀酚類化合物、胼胝質(zhì)、木質(zhì)素等，從而引起細(xì)胞壁厚度和強(qiáng)度的增加[18]。有研究指出，細(xì)胞壁主要通過兩種方式參與對病原菌的防御反應(yīng)，一種是通過改變自身的結(jié)構(gòu)和成分來抑制病原菌降解酶對自身的降解，進(jìn)而延緩或阻止病原菌；另一方面則是通過調(diào)節(jié)植物抗性相關(guān)的基因來增強(qiáng)植物的系統(tǒng)抗性[19]。在擬南芥中，ERECTA（ER）類受體蛋白激酶可以影響細(xì)胞壁胼胝質(zhì)和糖醛酸含量，進(jìn)而影響擬南芥對病原菌Plectosphaerella cucumerina的抗性。此外，當(dāng)突變掉er基因后，發(fā)現(xiàn)er-1突變體在病原菌侵染后不能產(chǎn)生胼胝質(zhì)[20-21]。富含脯氨酸蛋白（proline-rich protein，PRR）是細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)蛋白的一個(gè)重要組成成分。有研究指出將小麥PRP基因TaPRP3轉(zhuǎn)化普通小麥揚(yáng)麥158可以提高轉(zhuǎn)基因株系的赤霉病抗性[22]。肌動(dòng)蛋白是構(gòu)成細(xì)胞骨架的重要成員之一，肌動(dòng)蛋白解聚因子（actin depolymerizing factor,ADF）則是作為肌動(dòng)蛋白表達(dá)的一個(gè)重要調(diào)節(jié)因子，在植物防衛(wèi)真菌侵染過程中有重要的作用。Geddes等[23]通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析了大麥赤霉病蛋白質(zhì)組分，發(fā)現(xiàn)ADF在大麥抵御赤霉病過程中發(fā)揮重要的作用。魏芳和馬鴻翔[24]在小麥中克隆到了一個(gè)ADF基因TaADF，表達(dá)模式分析發(fā)現(xiàn)其在接種禾谷鐮刀菌72 h以內(nèi)均上調(diào)表達(dá)，認(rèn)為其在小麥赤霉病發(fā)生過程中具有重要的作用。

在病原菌侵染的早期，會(huì)釋放出多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase,PG），其可以通過降解細(xì)胞壁的主要成分果膠，引起細(xì)胞壁的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致病原菌的侵染[25-26]。與之對應(yīng)的是，寄主自身分泌的多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白（polygalacturonase inhabiting protein,PGIP）可以特異性識別并結(jié)合病原菌產(chǎn)生的PG，進(jìn)而抑制其分解細(xì)胞壁的能力，此外還能促進(jìn)多聚半乳糖醛酸的積累，從而更有效地激活植物自身的防衛(wèi)反應(yīng)[27]?？嫡裆萚28]結(jié)合細(xì)胞化學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)在禾谷鐮孢菌侵染和延展的過程中，會(huì)分泌大量的細(xì)胞壁降解酶（纖維素酶、木聚糖酶和果膠酶），引起寄主細(xì)胞壁分解，從而引起細(xì)胞壞死，最終導(dǎo)致寄主感病。有研究指出，擬南芥AtPGIP1和AtPGIP2基因均能提高轉(zhuǎn)基因植株對腐生型灰葡萄球菌侵染的抗性。此外還證明該基因可以抑制禾谷鐮孢菌PG蛋白，表現(xiàn)出較高的赤霉病抗性[29-30]。將大豆中的多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白基因GmPGIP3轉(zhuǎn)入普通小麥揚(yáng)麥18和揚(yáng)麥19中，可以提高小麥對赤霉病、紋枯病和根腐病等多種真菌性病害的抗性[31]。侯文倩[32]認(rèn)為TaPGIP在禾谷鐮孢菌侵染小麥過程中與分泌的PG結(jié)合，進(jìn)而抑制PG活性，阻止禾谷鐮孢菌的侵染。此外，還有一些其他細(xì)胞壁防衛(wèi)相關(guān)的物質(zhì)參與了植物抵抗病原菌的侵染，像多酚氧化酶（PPO）、活性氧（ROS）。李祥義等[33]指出麥穗中的PPO活性和小麥品種感染赤霉病的程度呈正相關(guān)。接種小麥抗赤霉病品種寧麥6號48 h，發(fā)現(xiàn)小穗中的PPO活性急劇升高，隨后還發(fā)現(xiàn)褐色的酚醌類物質(zhì)充滿了木質(zhì)部的導(dǎo)管和韌皮部。這說明在禾谷鐮孢菌侵染的過程中，小麥體內(nèi)的PPO酶被激活，并導(dǎo)致酚類等物質(zhì)的合成，從而破壞植物細(xì)胞和導(dǎo)致植物細(xì)胞死亡。

1.2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與赤霉病抗性

當(dāng)受到病原菌侵染時(shí)，植物會(huì)產(chǎn)生不同的信號分子，這些信號分子通過復(fù)雜的信號途徑激發(fā)抗病相關(guān)基因的表達(dá)，從而響應(yīng)病原菌的侵染。在這些信號路徑中，植物激素水楊酸（SA）、茉莉酸(JA)、生長素(IAA)、乙烯（ET）、脫落酸（ABA）等都參與了植物抵抗病原菌的侵染，而且有大量的報(bào)道指出，不同激素在調(diào)節(jié)植物抗病過程中存在著相互協(xié)同或相互抑制作用[34-35]。例如，在抗病過程中，SA與JA/ET表現(xiàn)出拮抗作用，SA可以通過調(diào)控通路關(guān)鍵基因NPR1、WRKY70和WRKY13抑制JA/ET通路。反之，JA/ET可以通過MAPK4和JIN2抑制SA信號路徑下游基因的表達(dá)[36-38]。Makandar[39]在研究中指出，在禾谷鐮孢菌感染早期JA信號抑制SA信號的激活，然而，在感染后期則可促進(jìn)植物耐病性。JA和ET信號途徑之間存在相互協(xié)同的作用，通過激活抗病相關(guān)基因的表達(dá)，以介導(dǎo)植物體對病原菌的抗性。JA信號路徑下游基因，像THI2.1、CHIB、PDF1.2和HEL的表達(dá)都需要EIN2的存在。通過對coi1和ein2突變體進(jìn)行組成型表達(dá)ERF1，發(fā)現(xiàn)其可以恢復(fù)突變體抗病表型，這說明ERF1是JA和ET信號途徑的共同轉(zhuǎn)錄因子[40]。ET在感染早期促進(jìn)了FHB抗性，但隨后ET與DON和活性氧(reactive oxygen species,ROS)一起促進(jìn)了穗部的衰老，最終引起病原菌在死亡宿主組織中定植[41-42]。在真菌侵染后，小麥生長素的生物合成被激活，但似乎與FHB易感性相關(guān)[41]。Su等[13]通過體外生長素處理，發(fā)現(xiàn)生長素在小麥抗赤霉病過程中扮演負(fù)調(diào)控的角色，進(jìn)一步研究證明沉默生長素受體基因TaTIR1可以顯著增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因小麥的赤霉病抗性。還有研究指出，IAA通過抑制SA，并促進(jìn)JA介導(dǎo)的防御反應(yīng)在植物抗病過程中發(fā)揮作用[43-44]。體外ABA處理也可以提高禾谷鐮孢菌的侵染能力。有趣的是，一些鐮孢菌病原體能夠自行產(chǎn)生ABA，從而促進(jìn)病害的發(fā)展[45]。

在抵抗病原菌侵染過程中，水楊酸和茉莉酸處于相對核心的地位。大量的研究表明SA和JA均可以響應(yīng)禾谷鐮孢菌的侵染，相比SA在侵染前期的快速積累，JA的積累則發(fā)生在SA之后，這表明在抵御禾谷鐮孢菌侵染過程中，SA和JA之間可能存在拮抗關(guān)系[46-48]。SA和JA路徑基因也被證明參與小麥抗赤霉病的過程，像SA路徑基因PAL、EDS1、NPR1、Glu2可以快速響應(yīng)禾谷鐮孢菌的侵染，過表達(dá)TaNPR3、TaICS、TaTGA2均可以顯著增加轉(zhuǎn)基因小麥的赤霉病抗性。沉默JA合成路徑基因TaAOC、TaAOS和TaOPR3可以顯著提高小麥赤霉病的感病性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)TaNPR1也受到禾谷鐮孢菌正向調(diào)控，但與雙子葉植物不同的是，其表達(dá)受JA路徑調(diào)控而不受SA路徑調(diào)控[15]。一些基因，像EDS1、NPR1、BIK1、ERF1、RGAs，被報(bào)道參與植物激素之間交叉調(diào)控病原菌侵染的信號通路[40,46,49-53]。雖然關(guān)于植物激素在小麥赤霉病抗性中的作用已經(jīng)有了一個(gè)相對清晰的認(rèn)識，并且一些關(guān)鍵的抗性基因已經(jīng)被挖掘，然而相比雙子葉植物，在抵御病原菌侵染過程中，單子葉植物小麥中似乎存在更為復(fù)雜的激素調(diào)控機(jī)制。在小麥抵抗禾谷鐮孢菌侵染過程中，各激素之間通過相互協(xié)同或拮抗作用調(diào)節(jié)植物抗病的機(jī)制也將是接下來一個(gè)重點(diǎn)的研究方向。

植物細(xì)胞第二信使包括鈣離子（Ca2+）、過氧化氫（H2O2）、磷脂酸（PA）等，其可以把信號分子傳遞到細(xì)胞內(nèi)的特定部位及代謝系統(tǒng)，從而引起特定的細(xì)胞效應(yīng)。在植物中，鈣離子信號通路已經(jīng)被確認(rèn)為是重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，其可以調(diào)控植物響應(yīng)多種外界刺激[54-55]。鈣調(diào)蛋白（CaM）被認(rèn)為是鈣離子信號受體中最重要的一種。有報(bào)道指出，小麥鈣調(diào)蛋白TaCaM4-1可以和TaCAMTA4互作參與抵抗葉銹病的過程，TdCaM1.3可以通過調(diào)節(jié)病程相關(guān)蛋白TdPR1.2起到抗菌的作用[56-57]，沉默小麥鈣調(diào)蛋白結(jié)合激酶TaCBRLK，可以降低小麥葉片對赤霉病的抗性[32]。ROS參與了植物木質(zhì)素的聚合過程，被認(rèn)為是激活和建立植物SA/JA信號所需要的[58]。H2O2則被認(rèn)為是SA下游信號的傳遞分子，可以和SA結(jié)合從而喪失催化活性。SA可以誘導(dǎo)植物組織中H2O2含量增加，導(dǎo)致細(xì)胞死亡，引起植物的過敏性反應(yīng)，從而抵抗病原菌的侵染[59]。小麥在受到DON毒素誘導(dǎo)時(shí)可以產(chǎn)生大量的H2O2,從而促進(jìn)細(xì)胞死亡[60]。此外，磷脂酸合成途徑的關(guān)鍵酶甘油二酯激酶（DGK）同樣可以被SA類似物BTH誘導(dǎo)表達(dá)，進(jìn)而激發(fā)活性氧爆發(fā)和超敏反應(yīng)[61]。由此可見，植物細(xì)胞信號路徑調(diào)控小麥赤霉病抗性是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。到目前為止，關(guān)于小麥第二信使在抗赤霉病方面的作用機(jī)制研究相對較少，仍需進(jìn)一步深入研究。

1.3 識別應(yīng)答與赤霉病抗性

植物在與病原菌長期共同進(jìn)化的過程中，也逐步形成了一系列復(fù)雜而精密的防衛(wèi)機(jī)制來抵御病原菌的侵染。植物的防衛(wèi)機(jī)制主要通過兩種識別策略來抵御病原體的侵染。第一種識別發(fā)生在宿主細(xì)胞的外表面，被稱為病原相關(guān)分子模式(pathogen associated molecular pattern，PAMPs)。它主要通過細(xì)胞表面的模式識別受體PRRs（pattern recognition receptor）識別病原菌或微生物相關(guān)分子或者是因病原菌侵染而釋放的自我信號，如損傷相關(guān)分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）進(jìn)而引發(fā)模式識別受體免疫反應(yīng)（PRR-triggered immunity,PTI）。第二種識別則是植物自身進(jìn)化出了一些抗性蛋白以識別病原菌分泌到宿主細(xì)胞內(nèi)的毒性效應(yīng)因子，從而引發(fā)了效應(yīng)因子激發(fā)免疫（effector-triggered immunity，ETI）。在植物中，模式識別受體分為兩類：一類是類受體激酶（receptor-like kinases，RLKs）；另一類是類受體蛋白（receptor-like proteins，RLPs）。目前在植物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個(gè)模式識別受體，像BAK1（BRII-associated kinase1）[62]、BRI1（brassino steroid-insensitivel 1）[63]、FLS2（flagellin sensitive 2）[64]。這些受體蛋白已經(jīng)被報(bào)道在植物免疫反應(yīng)中扮演非常重要的功能，然而關(guān)于模式識別受體在小麥抗赤霉病方面的研究卻鮮有報(bào)道。Jiang等[65]首次發(fā)現(xiàn)并報(bào)道了禾谷鐮孢菌孤兒蛋白Osp24通過與小麥孤兒蛋白TaFROG競爭性結(jié)合激酶SnRK1，從而引起小麥感病的機(jī)制，這為我們了解小麥-禾谷鐮孢菌之間的識別機(jī)制提供了一個(gè)新的視角。未來，小麥-禾谷鐮孢菌模式識別受體的發(fā)現(xiàn)以及詳細(xì)的識別機(jī)制將是研究的重點(diǎn)，其對于靶向藥物研制以及防治小麥赤霉病具有非常重要的意義。

病程相關(guān)蛋白是植物應(yīng)對病原菌侵染的一類水溶性蛋白，其可攻擊病原物、降解細(xì)胞壁、降解毒素等，在植物的抗病過程中，發(fā)揮著重要的作用，像PR1（PR protein1）、PR2(endo-1,3-β-glucosidase)、PR3(chitinase)、PR4(hevein-like protein)、PR5(thaumatin-like protein)等。Pritsch等[66]發(fā) 現(xiàn)在禾谷鐮孢菌侵染6～12 h，病程相關(guān)基因PR1、PR2、PR3、PR4和PR5的表達(dá)量開始上升，在侵染36～48 h表達(dá)量達(dá)到最大。Cheng等[67]利用生防菌木霉幾丁質(zhì)酶基因ECH42構(gòu)建抗體融合蛋白基因ECH42-CWP2，并將其轉(zhuǎn)入小麥栽培品種鄭麥9023，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以顯著提高轉(zhuǎn)基因小麥赤霉病抗性。Shin等[68]將一個(gè)大麥幾丁質(zhì)酶基因轉(zhuǎn)入小麥，發(fā)現(xiàn)可以顯著提高轉(zhuǎn)基因小麥赤霉病抗性。Mackintosh等[69]將類甜蛋白基因tlp-1和β-1,3-葡聚糖酶基因?qū)胄←?，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株提高了對赤霉病的抗性。此外，像ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因（TaPDR7、TaABCC3）、抗菌蛋白類基因(lactofer-rin、TaLTP5)、抗 病 相 關(guān) 轉(zhuǎn) 錄 因 子(TaPIEP1、TaNACL-D1、TaWRKY45、TaWRKY70)等都參與了小麥響應(yīng)禾谷鐮孢菌的過程，并在這個(gè)過程中發(fā)揮著重要的作用[32,70-76]。

1.4 次生代謝物合成與赤霉病抗性

植物次級代謝是植物合成生命非必需物質(zhì)的過程。次級代謝產(chǎn)物種類繁多，像酚類、萜類及含氮化合物等。次級代謝物在植物的生命活動(dòng)中扮演著非常重要的作用，如抵抗逆境脅迫、抵御病原菌侵染以及調(diào)控生長發(fā)育等。在禾谷鐮孢菌侵染小麥的過程中，雙方都會(huì)產(chǎn)生一系列的次級代謝產(chǎn)物，如單端孢霉烯類毒素、黃酮類代謝物、膽堿類物質(zhì)、酚胺類代謝物、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶等，進(jìn)而影響小麥赤霉病的發(fā)生和發(fā)展[11,13]。

單端孢霉烯類毒素是禾谷鐮孢菌在侵染小麥過程中產(chǎn)生的一種次級代謝物，可以促進(jìn)禾谷鐮孢菌在小麥組織中的擴(kuò)展，加劇小麥赤霉病的發(fā)生。降低或減緩禾谷鐮孢菌侵染過程中DON毒素的產(chǎn)生水平和積累，可以幫助寄主有效阻止禾谷鐮孢菌在組織內(nèi)的延展。目前，與DON毒素積累相關(guān)的QTL已經(jīng)被大量報(bào)道，其主要分布在染色體1B、2B、2D、3B、3D、4B、5A、5B和6A[77-79]。一些參與抗或降解DON毒素的基因也被挖掘，其中主要為UDP-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶，像HvUGT13248、TaUGT4、Traes_2BS_14CA35D5D、Ta-UGT3、TaUGT5，可以顯著降低DON毒素的水平，解除DON毒素的毒害作用。此外，將DON毒素合成路徑中的乙酰基轉(zhuǎn)移酶FsTRI101轉(zhuǎn)入小麥，也可以提高小麥赤霉病抗性[80-87]。谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(glutathione S-transferase,GSTs）可以催化谷胱甘肽與有毒化合物或其氧化產(chǎn)物結(jié)合，從而引起有毒化合物毒性喪失。Wang等[11]從長穗偃麥草中克隆了抗赤霉病主效基因Fhb7，并揭示其編碼一種谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶，該酶不僅可以大大降低DON的毒性，對其他單端孢霉烯族毒素也具有廣譜的解毒作用。抗DON毒素積累、解毒基因的發(fā)現(xiàn)，以及其在生產(chǎn)上的應(yīng)用對于提高小麥赤霉病抗性和人類健康具有非常重要的意義。

此外，還有其他的次級代謝產(chǎn)物參與了小麥抵抗禾谷鐮孢菌的過程。Kong等[88]通過篩選小麥品種寧7840構(gòu)建額消減雜交文庫，發(fā)現(xiàn)幾丁質(zhì)酶、細(xì)胞色素P450等次級代謝物的表達(dá)水平受到誘導(dǎo)。馬璐琳[89]發(fā)現(xiàn)苯丙氨酸解氨酶（PAL）、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶等次生代謝物質(zhì)受到DON毒素的誘導(dǎo)。Su等[13]通過代謝物分析發(fā)現(xiàn)黃酮類、酚類以及膽堿類次生代謝物參與了小麥抵抗禾谷鐮孢菌的過程。Karre等[90]證明HvWRKY23可以通過調(diào)控黃酮和羥基肉桂酸酰胺(HCAA)生物合成基因影響赤霉病抗性。綜上，次級代謝產(chǎn)物在小麥赤霉病抗性過程中扮演著非常重要的角色，但是具有抗性的次級代謝產(chǎn)物及其抗性機(jī)制仍需進(jìn)一步的挖掘和研究。其抗性機(jī)制的揭示可為小麥抗赤霉病及抗毒素積累的分子育種提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)，并可能開辟出一條新的品種改良途徑。

綜上所述，雖然對于小麥赤霉病抗性機(jī)制還沒有非常清晰的了解，然而，在小麥赤霉病研究工作者的努力下，也取得了非常多的進(jìn)展，挖掘到了一些關(guān)鍵的小麥赤霉病抗性基因及調(diào)控路徑，并培育了一些小麥抗赤霉病品種。我們對歷年來經(jīng)過驗(yàn)證的小麥抗赤霉病基因進(jìn)行了總結(jié)，具體見表1。在此基礎(chǔ)上，我們初步構(gòu)建了小麥抗赤霉病分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，具體見圖1。希望這可以為在小麥抗赤霉病遺傳改良過程中利用優(yōu)異抗赤霉病基因資源提供理論儲(chǔ)備，加深對小麥赤霉病機(jī)制的了解以及對未來的研究方向提供參考。

圖1 小麥抗赤霉病分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Molecular network for wheat resistance to FHB

表1 小麥抗赤霉病相關(guān)基因Table 1 The genes for wheat resistance to FHB

續(xù)表

4 展望

赤霉病不僅嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量，而且發(fā)病過程中，會(huì)產(chǎn)生多種霉菌毒素，嚴(yán)重影響小麥品質(zhì)。由于小麥赤霉病抗源稀缺，小麥基因組的龐大以及赤霉病抗性機(jī)制的復(fù)雜，使得小麥赤霉病抗性基因的挖掘相對困難。在過去的幾十年，小麥赤霉病研究工作者已經(jīng)挖掘到了大量與小麥赤霉病抗性相關(guān)的QTL位點(diǎn)，分布在小麥所有染色體上。然而，目前我們已經(jīng)明確的小麥赤霉病抗性基因只有7個(gè)（Fhb1～Fhb7）[7]，其中，僅有Fhb1和Fhb7基因被克隆。小麥基因組信息的不斷完善以及測序技術(shù)的飛速發(fā)展為圖位克隆和全基因組關(guān)聯(lián)分析方法開發(fā)抗赤霉病分子功能標(biāo)記以及主效QTL的精細(xì)定位、基因克隆提供了便利，這將極大豐富可用于抗赤霉病分子標(biāo)記輔助選擇育種的功能標(biāo)記，并對進(jìn)一步揭示小麥赤霉病抗性機(jī)制提供重要線索。與此同時(shí)，隨著多組學(xué)聯(lián)合分析、小麥遺傳轉(zhuǎn)化以及基因編輯等生物技術(shù)的發(fā)展，使得研究小麥赤霉病抗性機(jī)制可借助的手段越來越多。借助轉(zhuǎn)錄組及蛋白組分析，挖掘出響應(yīng)禾谷鐮孢菌侵染的多種代謝通路及調(diào)控基因；借助代謝組學(xué)技術(shù)，鑒定多種具有抗赤霉病功能的天然代謝產(chǎn)物；小麥遺傳轉(zhuǎn)化體系以及基因編輯技術(shù)的成熟，加快了小麥抗赤霉病關(guān)鍵基因的分子功能驗(yàn)證和優(yōu)異抗性基因在育種中的應(yīng)用。

綜上所述，在此基礎(chǔ)上，利用分子設(shè)計(jì)輔助育種策略對抗性基因以及代謝通路進(jìn)行改造，對于綠色、高效防治小麥赤霉病以及活性天然代謝產(chǎn)物的人工合成提供解決方案，并逐步形成小麥抗赤霉病基因的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。但是，目前我們對于小麥赤霉病抗性機(jī)制的了解還處于相對淺顯的層面，還有許多沒有深入研究的領(lǐng)域，例如，小麥-禾谷鐮孢菌受體模式識別及互作的機(jī)制[107]，調(diào)控小麥赤霉病抗性的miRNA的發(fā)現(xiàn)及作用機(jī)制，植物激素之間相互作用的協(xié)同或拮抗調(diào)控機(jī)制，ROS參與小麥赤霉病抗性機(jī)制等。未來這些方向的研究和探索將為我們進(jìn)一步揭示赤霉病抗性機(jī)制以及將其應(yīng)用于小麥抗赤霉病品種遺傳改良上提供非常重要的信息。