植病流行的遺傳學(xué)基礎(chǔ)

關(guān)于植病流行的遺傳學(xué)基礎(chǔ)Flor對(duì)亞麻銹病菌致病性遺傳進(jìn)行了十多年的研究，發(fā)現(xiàn)了抗病性與致病性之間的對(duì)立關(guān)系，于1954年提出基因?qū)蚣僬f。一、Flor的基因?qū)蚣僬f第2頁,共40頁，2024年2月25日，星期天認(rèn)為在寄主植物中控制抗病性或感病性的基因與在病原菌中控制無毒性或毒性的基因是相對(duì)應(yīng)的，針對(duì)寄主植物的每一個(gè)抗病基因，病原菌中遲早也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)應(yīng)的毒性基因。一、Flor的基因?qū)蚣僬f第3頁,共40頁，2024年2月25日，星期天在自然生態(tài)系統(tǒng)中，寄主植物和病原物在生長期的協(xié)同進(jìn)化過程中相互選擇、相互適應(yīng)，達(dá)到相互依存的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，表現(xiàn)為病害經(jīng)常存在，寄主與病原物共存，病害水平不高，偶爾爆發(fā)流行但局限于一定時(shí)間和空間中，經(jīng)過一定時(shí)間的自動(dòng)調(diào)節(jié)，病害又回復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。

二、自然生態(tài)系統(tǒng)中植物群體的遺傳防御第4頁,共40頁，2024年2月25日，星期天從遺傳學(xué)觀點(diǎn)來說，在平衡狀態(tài)下寄主植物對(duì)于病原物的侵染是具備了一套防御機(jī)制，理解這套防御機(jī)制可以為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中建立病害管理系統(tǒng)提供依據(jù)和模板。第5頁,共40頁，2024年2月25日，星期天1、寄主植物和寄生物協(xié)同進(jìn)化協(xié)同進(jìn)化是一個(gè)基因調(diào)節(jié)的過程，寄主植物和病原物在相互選擇壓力下，各自調(diào)節(jié)有利于防御病原物侵襲（寄主）和有利于侵染寄主（病原物）的基因頻率，相互適應(yīng)，結(jié)果各自形成由這些基因所控制并在一定環(huán)境下表現(xiàn)出來的性狀，即寄主植物的抗病性和病原物的致病性。

第6頁,共40頁，2024年2月25日，星期天1、寄主植物和寄生物協(xié)同進(jìn)化抗病性和致病性均是由基因控制的表現(xiàn)性狀，控制這些性狀的基因分別稱為抗性基因(Resistantgene)和毒性基因(Virulentgene)。第7頁,共40頁，2024年2月25日，星期天基因通過重組和突變，經(jīng)常發(fā)生變異。在一個(gè)生物群體中，哪些基因保留下來，哪些基因在進(jìn)化過程中消失了或者說它們?cè)谌后w中出現(xiàn)的頻率下降了，這是由許多內(nèi)外因素決定的復(fù)雜的問題。

第8頁,共40頁，2024年2月25日，星期天在一個(gè)寄主和寄生物協(xié)同進(jìn)化的系統(tǒng)，如果其它條件不變，兩個(gè)種群的遺傳組成在很大程度上決定于相互施加的選擇壓力，并通過遺傳反饋，各自進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，結(jié)果導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中種群和群落的穩(wěn)定。第9頁,共40頁，2024年2月25日，星期天2、植物抗病性的遺傳學(xué)類型和流行學(xué)類型遺傳學(xué)工作者在研究植物抗病性時(shí)，采用寡基因抗性和多基因抗性、主效基因抗性和微效基因抗性、小種?；剐院托》N非專化抗性等，這些都可以區(qū)分為專化抗性和一般抗性。（1）遺傳學(xué)類型

第10頁,共40頁，2024年2月25日，星期天2、植物抗病性的遺傳學(xué)類型和流行學(xué)類型1963年Vanderplank提出垂直抗性和水平抗性。（2）流行學(xué)類型第11頁,共40頁，2024年2月25日，星期天通常?；剐员憩F(xiàn)明顯抗性程度高，遺傳簡單，容易培育利用，但抗性不持久，容易被病原物的新小種所克服而喪失抗性。一般抗性則相反，抗性程度較低，因大都是多基因遺傳的，分析培育比較困難，但抗性持久，不易喪失。第12頁,共40頁，2024年2月25日，星期天植物抗病性是一種復(fù)合性狀，專化抗性和一般抗是結(jié)合存在的。一般抗性是普通存在的，一個(gè)品種只要有抗性就必然有一般抗性。第13頁,共40頁，2024年2月25日，星期天微效基因：對(duì)于同一性狀的表型來講，幾個(gè)非等位基因中的每一個(gè)都只有部分的影響，這樣的幾個(gè)基因稱為累加基因或多基因。在累加基因中每一個(gè)基因只有較小的一部分表型效應(yīng)，所以又稱為微效基因。主效基因：相對(duì)于微效基因來講，由單個(gè)基因決定某一性狀的基因稱為主效基因。

第14頁,共40頁，2024年2月25日，星期天垂直抗性(verticalresistance)：一個(gè)作物品種是抵抗一種病原物的某些小種而不抵抗其它小種，我們稱它的抗性是垂直抗性。水平抗性(horizontolresistance)：一個(gè)作物品種的抗性是普遍一致地對(duì)病原物的所有小種的，我們稱它是水平抗性。第15頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

專化抗性一般抗性

單基因抗性多基因抗性寡基因抗生復(fù)基因抗性主效基因抗性微效基因抗性小種?；剐苑切》N專化抗性真正抗性田間抗性質(zhì)的抗性量的抗性幼苗抗性成株抗性一些表達(dá)抗病性的遺傳學(xué)類型的名稱第16頁,共40頁，2024年2月25日，星期天1980年Mackenzie提出“野生植物群體一般兼具有主效和微效基因系統(tǒng)”的保護(hù)，并提出可以把主效基因想象成寄主植物的第一道防線，病原物能否突破這道防線，決定于病原物小種是否具有與寄主起親和反應(yīng)的基因；而病原物群體中各個(gè)體間的親和性差別是小種的差別（毒性）。3、野生寄主與植物群體對(duì)于病害的遺傳防御第17頁,共40頁，2024年2月25日，星期天第二道防線是水平抗性，是對(duì)突破第一道防線之后的所有小種起作用，它決定著寄主-寄生物的感受性。病原物群體中與寄主水平抗性相當(dāng)?shù)母惺苄圆顒e稱為侵襲力。第18頁,共40頁，2024年2月25日，星期天三、植病流行與寄主-病原物的遺傳關(guān)系從寄主植物群體對(duì)于病害的遺傳防御角度來看，病害所以會(huì)成為流行狀態(tài)，主要有三種原因：未曾有協(xié)同進(jìn)化關(guān)系的寄主植物與病原物遭遇；寄主植物的遺傳防御機(jī)制脆弱，遭受毒性強(qiáng)的病原物小種侵襲而造成流行；寄主植物的抗性喪失，造成定向選擇，促進(jìn)病原物毒性小種大量增殖發(fā)展。第19頁,共40頁，2024年2月25日，星期天農(nóng)作物的遺傳一致性與病害流行

歷史上的食用植物不少于3000種，但現(xiàn)在主要為15種糧食作物，種內(nèi)品種數(shù)目也愈來愈集中。隨著栽培作物種類和品種的減少，它們的遺傳基礎(chǔ)愈來愈狹窄。在大面積上連片種植的農(nóng)作物出現(xiàn)遺傳一致性，容易遭受病蟲等不利環(huán)境的損害，這種狀態(tài)稱為遺傳性脆弱或遺傳脆弱性。第20頁,共40頁，2024年2月25日，星期天第十一章植病流行的分子生物學(xué)基礎(chǔ)第21頁,共40頁，2024年2月25日，星期天主要內(nèi)容：第一節(jié)植物病害流行學(xué)與分子生物學(xué)技術(shù)第二節(jié)與病害流行相關(guān)的分子生物學(xué)技術(shù)第三節(jié)分子生物學(xué)技術(shù)在植物病害流行研究中的應(yīng)用第四節(jié)植物病害分子流行學(xué)展望第22頁,共40頁，2024年2月25日，星期天分子流行學(xué)的優(yōu)勢(shì)：能夠提供更快速、經(jīng)濟(jì)、簡便和易行的方法；有可能解決傳統(tǒng)流行學(xué)無法解決的疑難問題。第23頁,共40頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)植物病害流行學(xué)與分子生物學(xué)技術(shù)宏觀研究手段：GIS、GPS、RS和衛(wèi)星監(jiān)測等。微觀研究手段：分子生物學(xué)技術(shù)一、宏觀與微觀宏觀與微觀方法的結(jié)合是植物病害流行學(xué)研究的必然趨勢(shì)！二、微觀技術(shù)為宏觀研究服務(wù)第24頁,共40頁，2024年2月25日，星期天在分子水平上研究病原菌群體遺傳結(jié)構(gòu)與發(fā)展動(dòng)態(tài)，能有效分析導(dǎo)致病害流行的諸多因素和機(jī)制；針對(duì)病原物群體遺傳的變化，分析病害區(qū)域性流行的規(guī)律和內(nèi)在因素，以及病害流行中病原菌進(jìn)化的機(jī)制。三、分子生物學(xué)技術(shù)用于植物病害

流行學(xué)研究的特點(diǎn)第25頁,共40頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)與病害流行相關(guān)的分子生物學(xué)技術(shù)定量測定初始病原菌：設(shè)計(jì)專化性引物；研究病原群體的結(jié)構(gòu)變化和遺傳相關(guān)性：分子標(biāo)記；研究病原菌群體的進(jìn)化和病害流行的關(guān)系：選擇有代表性的群體結(jié)構(gòu)特征。一、確定問題和方法第26頁,共40頁，2024年2月25日，星期天等位酶（allozyme）限制性片段長度多態(tài)性（RFLP）隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA標(biāo)記（RAPD）擴(kuò)增片段長度多態(tài)性DNA標(biāo)記（AFLP）簡單序列重復(fù)標(biāo)記（SSR）DNA序列分析（ITS、IGS、16sRNA）二、常見的分子生物學(xué)技術(shù)第27頁,共40頁，2024年2月25日，星期天三、定量測定：real-timePCR實(shí)時(shí)定量PCR(real-timequantitativePCR)是指在PCR指數(shù)擴(kuò)增期間通過連續(xù)監(jiān)測熒光信號(hào)強(qiáng)弱的變化來即時(shí)測定特異性產(chǎn)物的量，并據(jù)此推斷目的基因的初始量，不需要取出PCR產(chǎn)物進(jìn)行分離。實(shí)現(xiàn)了PCR從定性到定量的飛躍；與常規(guī)PCR相比，它具有特異性更強(qiáng)、有效解決PCR污染問題、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。第28頁,共40頁，2024年2月25日，星期天四、與病害流行學(xué)相關(guān)的群體遺傳學(xué)方法研究群體人工進(jìn)化、動(dòng)態(tài)變化，以及這些變化所導(dǎo)致的植物病害的流行。主要方法：研究基因流、基因漂變、突變及頻率與機(jī)制、選擇作用等。具體分析內(nèi)容：基因和基因型頻率以及它們的多樣性；比較兩個(gè)以上群體的遺傳距離并推測基因或基因型交流的可能性，以及病原物群體的遠(yuǎn)距離傳播。第29頁,共40頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)分子生物學(xué)技術(shù)在植物病害

流行研究中的應(yīng)用PCR鑒定技術(shù)步驟：（1）尋找靶標(biāo)病原菌（種/小種/生物型）特異的DNA片段，對(duì)其序列進(jìn)行分析。（2）根據(jù)DNA序列，設(shè)計(jì)對(duì)靶標(biāo)病原菌特異的PCR引物。（3）測定PCR引物的特異性和敏感性。（4）開發(fā)經(jīng)濟(jì)、簡便的DNA提取方法用于病原菌的分子鑒定。一、病原菌診斷第30頁,共40頁，2024年2月25日，星期天二、初始菌量的定量分析1）確定病原菌繁殖速率、病害流行速率及環(huán)境影響。

巢式PCR、實(shí)時(shí)PCR

2）用于病害指標(biāo)（普遍率、嚴(yán)重度等）的測定。

RFLP等三、病原菌群體的時(shí)間動(dòng)態(tài)分析病原菌群體遺傳結(jié)構(gòu)、病原群體遺傳相似性。第31頁,共40頁，2024年2月25日，星期天四、病原菌群體的空間動(dòng)態(tài)研究病原菌群體結(jié)構(gòu)在空間上的分布及其變化、病原菌空間分布與群體結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)系。

RFLP、AFLP第32頁,共40頁，2024年2月25日，星期天五、病原菌的遠(yuǎn)距離傳播用特定的分子標(biāo)記研究不同地理區(qū)域之間病菌群體遺傳結(jié)構(gòu)的關(guān)系；用研究基因漂流的方法探求病原菌可能的傳播途徑；用系統(tǒng)發(fā)育分析方法研究地理遠(yuǎn)距離區(qū)間的基因流動(dòng)的群體遺傳學(xué)。第33頁,共40頁，2024年2月25日，星期天無性生殖的群體內(nèi)個(gè)體之間不存在基因重組，故無性繁殖的群體的系統(tǒng)發(fā)育樹的長度要明顯短于有性重組繁殖群體的系統(tǒng)發(fā)育樹的長度。

AFLP六、病原菌的繁殖方式第34頁,共40頁，2024年2月25日，星期天ITS序列分析電泳圖第35頁,共40頁，2024年2