《Current Plant Biology》：S genes for disease resistance in wheat using Arabidopsis as a model
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本文全面综述了植物-病原体互作中的易感性基因（S基因）功能，以模式植物拟南芥和重要作物小麦为研究对象。文章系统阐述了S基因在促进病原侵染中的核心作用机制（如抑制宿主防御、促进营养获取），并与传统抗病基因（R基因）进行对比，强调了其通过功能丧失获得更广谱、更持久抗性的独特优势。作者重点探讨了如何利用新基因组技术（NGTs，如CRISPR/Cas）精准编辑S基因，在规避其潜在多效性影响的同时，创制广谱、持久抗病的作物新品种。
植物免疫框架：从Zig-Zag模型到冰山模型
植物与病原体在漫长的共存中，共同进化出了复杂的“军备竞赛”。传统的Zig-Zag模型描述了由胞外病原体识别触发的基础免疫（PTI）和由病原体分泌效应子激活的细胞内免疫（ETI）之间的互动。然而，该模型常忽略了易感性基因（S基因）的作用。新兴的“冰山模型”则将抗病性重新定义为一种数量性状，其中S基因是植物免疫网络中不可或缺的组成部分。在该框架下，PTI和ETI被视为重叠的信号网络，而非离散的阶段。研究者假设R基因更像“监控摄像头”，监视着S基因或其蛋白等潜在的效应子靶标。因此，表现型上可见的结果（如过敏反应）只是“冰山一角”，而大部分的分子相互作用仍隐藏在表象之下。
R基因与S基因：对比与聚焦
尽管在宿主-病原体互作中角色相反，但R基因和S基因都与病原体共同进化。R基因通常通过“基因对基因”的识别模式赋予特异性抗性，但其保护谱窄、持久性差，且对某些病原（如坏死营养型病原体）无效。相反，病原体利用宿主的S基因来促进侵染和引发病害。与R基因的识别机制不同，源自S基因的抗性通常源于这些必需靶标的功能丧失。例如，MLO基因的功能丧失突变能赋予对白粉病的广谱抗性。然而，操纵S基因因其在基础通路中扮演多种细胞和生理功能的重要角色，可能会带来严重的多效性后果，其影响从几乎无效应（如DMR6）到严重的多效性效应（如StDND1）不等。但值得注意的是，由于S基因在物种间进化功能保守，操纵它们可以在多种物种中产生对病原体持久且广谱的抗性。
易感性基因：功能类别与多样性
S基因分布于不同的基因家族，在植物中具有多样的初级功能。它们的生理作用大多已被揭示，其跨植物物种的功能是保守的。S基因在初生和次生细胞壁形成、生物和非生物胁迫响应以及营养代谢中扮演核心角色。除了生理功能外，它们还能被病原体“劫持”，以促进病原体进入、抑制宿主防御反应以及加速病原体所需的营养动员。为执行这些功能，S基因遵循多种机制，例如实现病原体复制、抑制基础/诱导防御、被病原体效应子利用、改变防御激素平衡、促进对病原体有益的程序性细胞死亡（PCD）、削弱物理屏障、参与囊泡运输、促进病原体营养获取以及为限制防御信号传导而维持氧化还原稳态。如图表所示，一个特定的S基因（如MLO）可能涉及不止一种机制和病原体群。
从模式植物到作物：S基因初步审视
拟南芥作为一个二倍体模式物种，已被广泛用于提高我们对几种二倍体和多倍体作物（如小麦）基本植物特异性过程的理解。尽管研究表明，相同的基因家族在拟南芥和小麦中都参与相似的过程，但在像六倍体小麦这样的多倍体物种中，基因网络和调控可能相当不同且更为复杂。这是由于小麦中的同源基因可能保留、分化或进化出新的功能。将S基因从模式植物转移到作物物种并非总是成功。例如，G蛋白β亚基突变体即使在相同分支的物种间也显示出完全不同的表型。为了进一步理解将S基因从模式植物转移到作物物种的挑战，本文总结了拟南芥和小麦中针对不同病原体类群的S基因。
拟南芥和小麦中S基因的功能多样性
S基因在支持植物发育和病原体感染与增殖方面扮演着相反的角色。研究表明，在拟南芥和小麦中，大部分S基因涉及抑制宿主防御，其次是病原体进入与维持以及营养获取。然而，S基因在病原体类群中的分布在这两个物种间有所不同。在小麦中，大多数S基因针对真菌病原体（占90%，其中82%为活体营养型，8%为坏死营养型）；而细菌、昆虫和线虫也占一定比例。相比之下，在拟南芥中，S基因在病原体类群中的分布更为均匀。有趣的是，在这两个物种中，大多数针对活体营养型真菌的S基因要么参与防御抑制，要么参与营养获取，而针对坏死营养型真菌的S基因（除一个例外）则专门参与病原体进入与维持。通过Sankey图可以直观地看到两个物种中已识别的S基因与相应病原体、病原体生活方式以及S基因蛋白功能之间的关联路径。
不同病原体生活方式下的S基因：拟南芥 vs 小麦
细菌病原体
许多植物相关细菌是病原体，它们部署各种效应子来操纵宿主S基因，以有效抑制宿主防御反应。细菌靶向S基因在整个病害发展的每个阶段都创造了相容的细菌-植物互作。与真菌和卵菌不同，细菌缺乏类似附着胞的结构来穿透植物细胞壁。因此，在效应子转运和诱导病害之前，细菌需要气孔、排水孔或伤口等开口作为进入宿主的通道。例如，受体样激酶（RLKs）如BIK1和LecRK介导气孔免疫，是细菌效应子的靶标，其突变可提高对病原细菌的抗性。致病细菌还分泌效应子进入宿主细胞，以调节目标S基因功能，主要用于抑制宿主防御。例如，转录因子AtWRKY38和AtWRKY62作为植物基础防御的负调控因子，其突变体通过改善水杨酸（SA）调控的PR1基因表达来增强对病原细菌的抗性。此外，病原细菌还靶向纤维素合酶（CESAs）以修饰宿主细胞壁完整性，或通过调控脱落酸（ABA）等激素通路和活性氧（ROS）产生来诱导宿主感病性。
真菌病原体
真菌是造成全球粮食安全重大破坏的一类重要植物病原体。根据其与宿主互作获取营养的方式，真菌病原体有不同的生活方式。活体营养型真菌以活的植物细胞为食，而死体营养型真菌则从死亡的植物细胞中获取营养。
活体营养型真菌
在小麦中，泛素相关修饰蛋白酶TaS3的过表达增加了对白粉病菌（Bgt）的感病性，而其抑制则使病原菌穿透率降低了19%。Bgt靶向两个角质蜡生物合成基因TaECR和TaKCS以启动分生孢子形成。沉默TaECR或TaKCS6可分别显著增加未萌发的分生孢子数量或削弱Bgt的分生孢子形成。NAC和WRKY转录因子构成了主要的S基因家族，参与对抗活体营养型真菌的免疫抑制。例如，沉默TaNAC2或TaNAC30会早期提高H2O2水平，从而限制病原菌生长。MLO基因参与多种生物和非生物胁迫响应、生长和发育过程。在小麦中，三个同源等位基因TaMLOs的功能丧失突变赋予了对白粉病的抗性。然而，MLO介导的抗性通常伴随着多效性代价。此外，将MLO介导的抗性从一种植物物种转移到另一种植物物种常常具有挑战性。
坏死营养型真菌
在拟南芥和小麦中，与坏死营养型真菌相关的S基因调控要么是抑制宿主防御，要么是病原体进入与维持。防御抑制可能具有误导性，因为对坏死营养型病原体的一般假设是促进PCD并以死组织为食。与活体营养型真菌类似，坏死营养型真菌也涉及CESA4/7/8通过激素调节在感染期间抑制宿主防御反应。坏死营养型真菌利用宿主转录因子调节ROS产生并诱导PCD。例如，AtMYB46协调不同细胞壁相关防御基因的蛋白表达，其敲除上调了III型过氧化物酶Ep5C的表达，增强了对灰霉病菌（B. cinerea）的抗性。
植食性生物
线虫
植物寄生线虫（PPNs）是专性活体营养生物，完全依赖于活细胞。在拟南芥中，全基因组关联分析和转录组研究已鉴定出HIPP27和BZR1是抗线虫的S基因。CRISPR/Cas9介导的HIPP27敲除可减少线虫感染，且无生长异常。此外，氨基酸通透酶AAP6与胞囊线虫的感病性相关。AtAAP6的敲除降低了发育中的雌虫数量和大小。不同的植物激素通路可能根据病原体的生活方式和感染模式而被激活。脱落酸（ABA）信号转导和代谢基因在拟南芥中被线虫感染后表现出不同的表达模式，其中一些基因的单个敲除提高了对线虫的抗性。碱性螺旋-环-螺旋转录因子（bHLH）以及miRNA（如miR396a/b、miR858、miR827和miR159）也被发现在调控线虫寄生中扮演重要角色。
昆虫
昆虫在田间和储藏中均造成显著的产量损失。控制昆虫害虫的主要遗传抗性来源依赖于R基因。尽管利用S基因控制其他病原体的兴趣日益增加，但针对昆虫害虫的S基因发现进展远远落后。针对小麦害虫麦瘿蚊（Mayetiola destructor），已鉴定出热休克蛋白Mds-1作为S基因。沉默Mds-1赋予了对所有麦瘿蚊生物型的抗性。另一个重要的小麦害虫是俄罗斯麦蚜（Diuraphis noxia）。沉默小麦中的（1,3;1,4）-β-葡聚糖酶降低了蚜虫的每日繁殖率。在拟南芥中，内质网定位的转运蛋白PIN5通过严格调控生长素有利于蚜虫侵染。敲除PIN5以及其他S基因（如MIOX4、SQP2等）显著影响了不同蚜虫物种的表现。这表明，同一组S基因可能无法普遍有效地控制同一病原体内的不同物种。
NGTs可解锁S基因在抗性育种中的潜力
新基因组技术（NGTs）是能够在生物体基因组中进行靶向修饰的分子技术。CRISPR/Cas系统经历了多次修改以提高其活性和特异性，包括开发切口酶、与VirD2松弛酶融合以促进同源定向修复、具有宽松PAM要求的变体（如SpRY）以及碱基编辑和引物编辑系统。这些工具使得能够对S基因进行靶向修饰，并最小化与完全敲除相关的副作用。例如，多重CRISPR/Cas9可同时消除多个SWEET基因启动子内的潜在TALE效应子结合位点，从而在不影响农艺性状的情况下成功提高水稻对白叶枯病的广谱抗性。同样，可以修饰S基因中的miRNA结合位点以废除miRNA结合。有时，同时敲除多个等位基因和权衡基因可以提高多倍体基因组中的抗性。
克服多效性影响：如何解决S基因应用的障碍
更常见的是，S基因的敲除会导致不可预测的表型，因为这些基因参与多种生理过程。S基因突变的后果包括适应性代价、对有益微生物的影响或对其他病原体的易感性增加。因此，为了将S基因纳入抗性育种，应避免或最小化与其失活相关的多效性效应。NGTs能够对S基因进行靶向修饰，从而显著减少完全敲除带来的副作用。例如，通过选择病原体特异性等位基因、修饰效应子结合区域、或调整miRNA结合位点，可以在保持基因基本功能的同时，阻断病原体的操纵。然而，S基因突变有时可能对有益微生物有害，或增加对其他病原体的感染。因此，在选择和修饰相关S基因时，必须考虑其在主要宿主植物中的表达、其基因网络以及病原体在宿主中的生命周期，以特异性地调控目标S基因的表达，实现对特定病原体物种/基因型的抗性。
克服易感性：生成新的免疫性状
在合理设计任何S基因的敲除或修饰之前，至关重要的是要确定其生理作用、调控模式、相互作用的权衡基因以及相互作用的病原体分子。近年来，计算方法与能力（机器学习和大型语言模型）以及蛋白质结构分析（AlphaFold）的进步，极大地提高了我们对S基因和蛋白质调控与功能的理解，以及验证宿主-病原体相互作用的能力。对于在每个物种中创造新的免疫性状，一种直接的方法是将已描述的S基因介导的抗性从一个物种转移到另一个物种。或者，可以精确修饰S基因中的效应子结合区域以提高宿主抗性。NGTs有助于精确修饰蛋白质，阻断S基因中的效应子和miRNA结合/相互作用，从而创制更具抗性的品种。修饰S基因产物可用于阻断效应子或赋予感病性的相互作用宿主蛋白的结合位点，同时保持蛋白质功能。总体而言，新的基因组学、转录组学、蛋白质组学和计算工具的发展为在多倍体物种中鉴定和功能验证更多针对各种植物病原体的S基因提供了极好的平台。
利用S基因改良小麦的障碍与前景
鉴定新的S基因具有挑战性，但对于开发抗病作物和改善全球粮食安全至关重要。大规模比较基因组学研究表明，二倍体和多倍体物种具有不同的基因复制和成簇率，导致显著的遗传变异，从而增加了功能多样性。将拟南芥中的发现转化为多倍体小麦面临许多挑战，例如功能冗余、复杂的调控网络以及潜在的脱靶效应。然而，随着NGTs的不断进步和对S基因功能更深入的理解，我们有潜力克服这些障碍。通过利用这些工具，育种者可以精确设计S基因，在最小化对植物健康和生产力的不利影响的同时，赋予对多种病原体的广谱和持久抗性。这为开发新一代气候智能型、可持续和抗病的作物品种铺平了道路，对于未来保障全球粮食供应至关重要。
