马铃薯(Solanum tuberosum L.)原产自南美洲安第斯山脉一带,是世界上第四大重要粮食作物。马铃薯在人类消费和工业用途(主要是淀粉产业)都起着重要作用。然而,马铃薯容易受到各种病害感染,每年都会造成巨大经济损失。导致爱尔兰马铃薯大饥荒的元凶Phytophthora infestans所引起的晚疫病是其中最具毁坏性的病害之一。在过去的几十年间,许多抗病(R)基因已经被克隆,其中有些R基因通过有性杂交的方式渗入到一些马铃薯栽培种中。然而人们发现这些渗入R基因的马铃薯栽培种的抗性不能持续很久。有时新品种还没来得及得到商业推广,抗性就已经被快速进化的晚疫病病原菌攻破。所以我们不能只依靠单个的R基因,寻找更有效地提供持久抗性的方法迫在眉睫。尽管许多克隆的R基因已经被晚疫病菌克服,但并不是各地都已发现毒性生理小种。由于R基因的抗性更强,适当利用已知R基因以及快速克隆新的Rpi基因对抗性育种会起到一定帮助作用。由于传统抗性育种周期长效率不高,育成的品种很容易被快速进化的晚疫病菌克服。令人鼓舞的是,效应子组学近来被证明在认识和获得晚疫病抗性方面是一种很成功的策略。在第二章里,我们以"Do’s and Don’ts"两种形式在应用效应子组学方面提出了一些建议。简要来说,我们在“Do’s”里总结了效应子组学的7个优势,而在“Don’ts”里提出了3个在应用效应子组学时应注意的方面。农杆菌注射和PVX病毒侵染是应用效应子组学的两种常规方法。在第三章里,我们阐述了这两种方法在马铃薯和在本氏烟草上应用的操作方法。操作方法本身并不复杂,而对结果的分析需要更多实践经验。我们分享了在长期实践中的一些经验总结,也讨论了这两种方法在应用效应子组学时的优势和劣势。抗性相关基因在下游信号途径上,不直接和病原物互作。因此这类基因引起的抗性对晚疫病菌不会产生太大选择压力,抗性很有可能更为持久一些。为了鉴定马铃薯晚疫病重要的抗性相关基因,我们在本氏烟草和马铃薯上借助病毒介导的基因沉默的方法(virus-induced gene silencing, VIGS)对63个候选基因进行瞬时沉默,紧接着取基因沉默后的叶片离体接种晚疫病病原菌进行抗性鉴定(见第四章)。结果表明其中有两个基因可能在调控晚疫病数量抗性上发挥功能,它们分别编码一种脂氧合酶(EC1.13.11.12)和一种栓化作用相关的阴离子过氧化物酶。植物一般依靠两层免疫反应来抵抗病原菌。除了被病原菌克服的胞内的R基因,在细胞膜上还有另外一层免疫机制。由于细胞膜受体能识别保守的病原分泌物(PAMPs),这类受体产生的抗性被认为会更持久。在马铃薯和晚疫病病原菌互作系统中,这层抗性还没有被研究过,主要因为PAMP诱导免疫反应产生的数量抗性表型妨碍了用图位克隆法去克隆细胞膜受体。而利用效应子组学的方法,我们可以得到elicitin被识别的很清楚的表型。Elicitin是由晚疫病病原菌分泌的一类蛋白家族,被认为是卵菌的相关分子模式。近期一个类受体蛋白ELR被成功地从一个马铃薯野生种Solanum microdontum中克隆得到,我们通过ELR研究了第一层免疫机制。在第5章里,我们对马铃薯栽培种Desiree的ELR转基因植株进行了超过3次的晚疫病抗性鉴定,可靠结果表明超量表达ELR能增强马铃薯对晚疫病的抗性。此外,我们发现ELR的转基因植株能识别许多种疫霉属病原菌分泌的elicitin产生免疫反应。在第6章,我们进一步研究了ELR在不同植物种类里的自然变异情况。在SolRgene网站的地图中,我们发现能识别INF1的马铃薯野生种分布在中美和南美洲一带。我们从这些野生种中成功克隆到7个直系同源基因,测序比对发现它们与ELR的氨基酸序列高度相似。通过对这8个ELR和不同elicitin免疫反应的分析,我们发现它们在茄属和烟草属中的免疫反应很保守。此外,我们也证明了INFl引起的过敏反应在马铃薯野生种Solanum hjertingii349-3能被AVR3aKI所抑制,此前这一抑制反应曾在烟草中被报道过。这些结果都暗示了elicitin的信号途径在茄属和烟草属中比较保守。这个发现会加速我们对马铃薯和其它作物中elicitin信号途径的认识,进而利用这层非原质体抗性。总的来说,我们的研究得到了以下结果：1)对利用效应子组学方面提出一些建议；2)鉴定出若干可能比较重要的抗性相关基因：3)证明了近期克隆的INF1的受体基因ELR能增强马铃薯晚疫病的抗性并能对不同卵菌分泌的elicitin产生免疫反应；4)发现elicitin信号途径在茄属和烟草属中比较保守。我们得到的这些知识对马铃薯抗性育种会很有价值。