植物與病原體在漫長的共存中，共同進化出了復雜的“軍備競賽”。傳統(tǒng)的Zig-Zag模型描述了由胞外病原體識別觸發(fā)的基礎免疫（PTI）和由病原體分泌效應子激活的細胞內(nèi)免疫（ETI）之間的互動。然而，該模型常忽略了易感性基因（S基因）的作用。新興的“冰山模型”則將抗病性重新定義為一種數(shù)量性狀，其中S基因是植物免疫網(wǎng)絡中不可或缺的組成部分。在該框架下，PTI和ETI被視為重疊的信號網(wǎng)絡，而非離散的階段。研究者假設R基因更像“監(jiān)控攝像頭”，監(jiān)視著S基因或其蛋白等潛在的效應子靶標。因此，表現(xiàn)型上可見的結(jié)果（如過敏反應）只是“冰山一角”，而大部分的分子相互作用仍隱藏在表象之下。

盡管在宿主-病原體互作中角色相反，但R基因和S基因都與病原體共同進化。R基因通常通過“基因?qū)�基因”的識別模式賦予特異性抗性，但其保護譜窄、持久性差，且對某些病原（如壞死營養(yǎng)型病原體）無效。相反，病原體利用宿主的S基因來促進侵染和引發(fā)病害。與R基因的識別機制不同，源自S基因的抗性通常源于這些必需靶標的功能喪失。例如，MLO基因的功能喪失突變能賦予對白粉病的廣譜抗性。然而，操縱S基因因其在基礎通路中扮演多種細胞和生理功能的重要角色，可能會帶來嚴重的多效性后果，其影響從幾乎無效應（如DMR6）到嚴重的多效性效應（如StDND1）不等。但值得注意的是，由于S基因在物種間進化功能保守，操縱它們可以在多種物種中產(chǎn)生對病原體持久且廣譜的抗性。

S基因分布于不同的基因家族，在植物中具有多樣的初級功能。它們的生理作用大多已被揭示，其跨植物物種的功能是保守的。S基因在初生和次生細胞壁形成、生物和非生物脅迫響應以及營養(yǎng)代謝中扮演核心角色。除了生理功能外，它們還能被病原體“劫持”，以促進病原體進入、抑制宿主防御反應以及加速病原體所需的營養(yǎng)動員。為執(zhí)行這些功能，S基因遵循多種機制，例如實現(xiàn)病原體復制、抑制基礎/誘導防御、被病原體效應子利用、改變防御激素平衡、促進對病原體有益的程序性細胞死亡（PCD）、削弱物理屏障、參與囊泡運輸、促進病原體營養(yǎng)獲取以及為限制防御信號傳導而維持氧化還原穩(wěn)態(tài)。如圖表所示，一個特定的S基因（如MLO）可能涉及不止一種機制和病原體群。

擬南芥作為一個二倍體模式物種，已被廣泛用于提高我們對幾種二倍體和多倍體作物（如小麥）基本植物特異性過程的理解。盡管研究表明，相同的基因家族在擬南芥和小麥中都參與相似的過程，但在像六倍體小麥這樣的多倍體物種中，基因網(wǎng)絡和調(diào)控可能相當不同且更為復雜。這是由于小麥中的同源基因可能保留、分化或進化出新的功能。將S基因從模式植物轉(zhuǎn)移到作物物種并非總是成功。例如，G蛋白β亞基突變體即使在相同分支的物種間也顯示出完全不同的表型。為了進一步理解將S基因從模式植物轉(zhuǎn)移到作物物種的挑戰(zhàn)，本文總結(jié)了擬南芥和小麥中針對不同病原體類群的S基因。

S基因在支持植物發(fā)育和病原體感染與增殖方面扮演著相反的角色。研究表明，在擬南芥和小麥中，大部分S基因涉及抑制宿主防御，其次是病原體進入與維持以及營養(yǎng)獲取。然而，S基因在病原體類群中的分布在這兩個物種間有所不同。在小麥中，大多數(shù)S基因針對真菌病原體（占90%，其中82%為活體營養(yǎng)型，8%為壞死營養(yǎng)型）；而細菌、昆蟲和線蟲也占一定比例。相比之下，在擬南芥中，S基因在病原體類群中的分布更為均勻。有趣的是，在這兩個物種中，大多數(shù)針對活體營養(yǎng)型真菌的S基因要么參與防御抑制，要么參與營養(yǎng)獲取，而針對壞死營養(yǎng)型真菌的S基因（除一個例外）則專門參與病原體進入與維持。通過Sankey圖可以直觀地看到兩個物種中已識別的S基因與相應病原體、病原體生活方式以及S基因蛋白功能之間的關(guān)聯(lián)路徑。

許多植物相關(guān)細菌是病原體，它們部署各種效應子來操縱宿主S基因，以有效抑制宿主防御反應。細菌靶向S基因在整個病害發(fā)展的每個階段都創(chuàng)造了相容的細菌-植物互作。與真菌和卵菌不同，細菌缺乏類似附著胞的結(jié)構(gòu)來穿透植物細胞壁。因此，在效應子轉(zhuǎn)運和誘導病害之前，細菌需要氣孔、排水孔或傷口等開口作為進入宿主的通道。例如，受體樣激酶（RLKs）如BIK1和LecRK介導氣孔免疫，是細菌效應子的靶標，其突變可提高對病原細菌的抗性。致病細菌還分泌效應子進入宿主細胞，以調(diào)節(jié)目標S基因功能，主要用于抑制宿主防御。例如，轉(zhuǎn)錄因子AtWRKY38和AtWRKY62作為植物基礎防御的負調(diào)控因子，其突變體通過改善水楊酸（SA）調(diào)控的PR1基因表達來增強對病原細菌的抗性。此外，病原細菌還靶向纖維素合酶（CESAs）以修飾宿主細胞壁完整性，或通過調(diào)控脫落酸（ABA）等激素通路和活性氧（ROS）產(chǎn)生來誘導宿主感病性。

真菌是造成全球糧食安全重大破壞的一類重要植物病原體。根據(jù)其與宿主互作獲取營養(yǎng)的方式，真菌病原體有不同的生活方式。活體營養(yǎng)型真菌以活的植物細胞為食，而死體營養(yǎng)型真菌則從死亡的植物細胞中獲取營養(yǎng)。

在小麥中，泛素相關(guān)修飾蛋白酶TaS3的過表達增加了對白粉病菌（Bgt）的感病性，而其抑制則使病原菌穿透率降低了19%。Bgt靶向兩個角質(zhì)蠟生物合成基因TaECR和TaKCS以啟動分生孢子形成。沉默TaECR或TaKCS6可分別顯著增加未萌發(fā)的分生孢子數(shù)量或削弱Bgt的分生孢子形成。NAC和WRKY轉(zhuǎn)錄因子構(gòu)成了主要的S基因家族，參與對抗活體營養(yǎng)型真菌的免疫抑制。例如，沉默TaNAC2或TaNAC30會早期提高H₂O₂水平，從而限制病原菌生長。MLO基因參與多種生物和非生物脅迫響應、生長和發(fā)育過程。在小麥中，三個同源等位基因TaMLOs的功能喪失突變賦予了對白粉病的抗性。然而，MLO介導的抗性通常伴隨著多效性代價。此外，將MLO介導的抗性從一種植物物種轉(zhuǎn)移到另一種植物物種常常具有挑戰(zhàn)性。

在擬南芥和小麥中，與壞死營養(yǎng)型真菌相關(guān)的S基因調(diào)控要么是抑制宿主防御，要么是病原體進入與維持。防御抑制可能具有誤導性，因為對壞死營養(yǎng)型病原體的一般假設是促進PCD并以死組織為食。與活體營養(yǎng)型真菌類似，壞死營養(yǎng)型真菌也涉及CESA4/7/8通過激素調(diào)節(jié)在感染期間抑制宿主防御反應。壞死營養(yǎng)型真菌利用宿主轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)ROS產(chǎn)生并誘導PCD。例如，AtMYB46協(xié)調(diào)不同細胞壁相關(guān)防御基因的蛋白表達，其敲除上調(diào)了III型過氧化物酶Ep5C的表達，增強了對灰霉病菌（B. cinerea）的抗性。

植物寄生線蟲（PPNs）是專性活體營養(yǎng)生物，完全依賴于活細胞。在擬南芥中，全基因組關(guān)聯(lián)分析和轉(zhuǎn)錄組研究已鑒定出HIPP27和BZR1是抗線蟲的S基因。CRISPR/Cas9介導的HIPP27敲除可減少線蟲感染，且無生長異常。此外，氨基酸通透酶AAP6與胞囊線蟲的感病性相關(guān)。AtAAP6的敲除降低了發(fā)育中的雌蟲數(shù)量和大小。不同的植物激素通路可能根據(jù)病原體的生活方式和感染模式而被激活。脫落酸（ABA）信號轉(zhuǎn)導和代謝基因在擬南芥中被線蟲感染后表現(xiàn)出不同的表達模式，其中一些基因的單個敲除提高了對線蟲的抗性。堿性螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄因子（bHLH）以及miRNA（如miR396a/b、miR858、miR827和miR159）也被發(fā)現(xiàn)在調(diào)控線蟲寄生中扮演重要角色。

昆蟲在田間和儲藏中均造成顯著的產(chǎn)量損失。控制昆蟲害蟲的主要遺傳抗性來源依賴于R基因。盡管利用S基因控制其他病原體的興趣日益增加，但針對昆蟲害蟲的S基因發(fā)現(xiàn)進展遠遠落后。針對小麥害蟲麥癭蚊（Mayetiola destructor），已鑒定出熱休克蛋白Mds-1作為S基因。沉默Mds-1賦予了對所有麥癭蚊生物型的抗性。另一個重要的小麥害蟲是俄羅斯麥蚜（Diuraphis noxia）。沉默小麥中的（1,3;1,4）-β-葡聚糖酶降低了蚜蟲的每日繁殖率。在擬南芥中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位的轉(zhuǎn)運蛋白PIN5通過嚴格調(diào)控生長素有利于蚜蟲侵染。敲除PIN5以及其他S基因（如MIOX4、SQP2等）顯著影響了不同蚜蟲物種的表現(xiàn)。這表明，同一組S基因可能無法普遍有效地控制同一病原體內(nèi)的不同物種。

新基因組技術(shù)（NGTs）是能夠在生物體基因組中進行靶向修飾的分子技術(shù)。CRISPR/Cas系統(tǒng)經(jīng)歷了多次修改以提高其活性和特異性，包括開發(fā)切口酶、與VirD2松弛酶融合以促進同源定向修復、具有寬松PAM要求的變體（如SpRY）以及堿基編輯和引物編輯系統(tǒng)。這些工具使得能夠?qū)�S基因進行靶向修飾，并最小化與完全敲除相關(guān)的副作用。例如，多重CRISPR/Cas9可同時消除多個SWEET基因啟動子內(nèi)的潛在TALE效應子結(jié)合位點，從而在不影響農(nóng)藝性狀的情況下成功提高水稻對白葉枯病的廣譜抗性。同樣，可以修飾S基因中的miRNA結(jié)合位點以廢除miRNA結(jié)合。有時，同時敲除多個等位基因和權(quán)衡基因可以提高多倍體基因組中的抗性。

更常見的是，S基因的敲除會導致不可預測的表型，因為這些基因參與多種生理過程。S基因突變的后果包括適應性代價、對有益微生物的影響或?qū)ζ渌�病原體的易感性增加。因此，為了將S基因納入抗性育種，應避免或最小化與其失活相關(guān)的多效性效應。NGTs能夠?qū)�S基因進行靶向修飾，從而顯著減少完全敲除帶來的副作用。例如，通過選擇病原體特異性等位基因、修飾效應子結(jié)合區(qū)域、或調(diào)整miRNA結(jié)合位點，可以在保持基因基本功能的同時，阻斷病原體的操縱。然而，S基因突變有時可能對有益微生物有害，或增加對其他病原體的感染。因此，在選擇和修飾相關(guān)S基因時，必須考慮其在主要宿主植物中的表達、其基因網(wǎng)絡以及病原體在宿主中的生命周期，以特異性地調(diào)控目標S基因的表達，實現(xiàn)對特定病原體物種/基因型的抗性。

在合理設計任何S基因的敲除或修飾之前，至關(guān)重要的是要確定其生理作用、調(diào)控模式、相互作用的權(quán)衡基因以及相互作用的病原體分子。近年來，計算方法與能力（機器學習和大型語言模型）以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析（AlphaFold）的進步，極大地提高了我們對S基因和蛋白質(zhì)調(diào)控與功能的理解，以及驗證宿主-病原體相互作用的能力。對于在每個物種中創(chuàng)造新的免疫性狀，一種直接的方法是將已描述的S基因介導的抗性從一個物種轉(zhuǎn)移到另一個物種。或者，可以精確修飾S基因中的效應子結(jié)合區(qū)域以提高宿主抗性。NGTs有助于精確修飾蛋白質(zhì)，阻斷S基因中的效應子和miRNA結(jié)合/相互作用，從而創(chuàng)制更具抗性的品種。修飾S基因產(chǎn)物可用于阻斷效應子或賦予感病性的相互作用宿主蛋白的結(jié)合位點，同時保持蛋白質(zhì)功能。總體而言，新的基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學和計算工具的發(fā)展為在多倍體物種中鑒定和功能驗證更多針對各種植物病原體的S基因提供了極好的平臺。

鑒定新的S基因具有挑戰(zhàn)性，但對于開發(fā)抗病作物和改善全球糧食安全至關(guān)重要。大規(guī)模比較基因組學研究表明，二倍體和多倍體物種具有不同的基因復制和成簇率，導致顯著的遺傳變異，從而增加了功能多樣性。將擬南芥中的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為多倍體小麥面臨許多挑戰(zhàn)，例如功能冗余、復雜的調(diào)控網(wǎng)絡以及潛在的脫靶效應。然而，隨著NGTs的不斷進步和對S基因功能更深入的理解，我們有潛力克服這些障礙。通過利用這些工具，育種者可以精確設計S基因，在最小化對植物健康和生產(chǎn)力的不利影響的同時，賦予對多種病原體的廣譜和持久抗性。這為開發(fā)新一代氣候智能型、可持續(xù)和抗病的作物品種鋪平了道路，對于未來保障全球糧食供應至關(guān)重要。