水稻已克隆抗稻瘟病基因的研究與應(yīng)用

王小剛，蘇思榮，李曉蓉，張銀霞

（寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，銀川 750021）

稻瘟病不僅會(huì)導(dǎo)致水稻產(chǎn)量顯著下降，病害發(fā)生嚴(yán)重的情況下甚至是顆粒無(wú)收，而且還會(huì)影響稻米品質(zhì)[1]。因此，防治稻瘟病，降低稻瘟病發(fā)病率對(duì)世界糧食安全具有重要意義。抗稻瘟病水稻新品種不斷地選育與合理種植可以有效地阻礙稻瘟病的發(fā)生，且持續(xù)對(duì)抗稻瘟病基因進(jìn)行挖掘和利用對(duì)水稻抗稻瘟病育種具有非常重要的意義。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已有大約超過(guò)30個(gè)抗性基因被成功克隆[2]。本文通過(guò)整理已克隆的水稻抗稻瘟病基因，分析其在染色體上的分布，歸納其基因的分類(lèi)，闡述其遺傳特性、抗病機(jī)制及抗病效果。最后對(duì)已克隆的水稻抗稻瘟病基因在水稻抗性育種中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，以期為水稻抗稻瘟病育種提供理論依據(jù)。

1 水稻已克隆抗稻瘟病基因在染色體上的分布

從目前整理的已克隆基因結(jié)果來(lái)看，有30個(gè)屬于NBS－LRR蛋白，就是典型的Pi-b基因，且是第一個(gè)克隆出來(lái)的主效抗稻瘟病基因，其位于2號(hào)染色體上。Pi-9是第一個(gè)被克隆出來(lái)的廣譜抗稻瘟病基因。Pi-21是第一個(gè)被克隆出來(lái)的部分抗性基因。Bsr-d1為MYB轉(zhuǎn)錄因子，是在廣譜持久抗病材料地谷中發(fā)現(xiàn)并克隆出來(lái)的部分抗性基因。這些基因不均勻地分布在各條染色體上（圖1）。其中第11號(hào)、第6號(hào)染色體上分布較多，第5號(hào)、第7號(hào)染色體上暫時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)已克隆的抗稻瘟病基因。由圖可知，在6號(hào)、9號(hào)、11號(hào)和12號(hào)染色體上，形成已克隆抗稻瘟病基因簇。

圖1 已克隆水稻抗稻瘟病基因在染色體上的分布

2 已克隆水稻抗稻瘟病基因的分類(lèi)研究

已克隆抗稻瘟病基因由于編碼的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特征不同，其作用機(jī)理相應(yīng)也不同，為了更清楚地研究抗性機(jī)理，本文對(duì)水稻抗稻瘟病基因進(jìn)行了分類(lèi)和分析。

根據(jù)不同的基因編碼蛋白將其分類(lèi)。

2.1 核苷酸結(jié)合位點(diǎn)-富含亮氨酸重復(fù)序列蛋白（NBS-LRR）

Pi-b的NBS區(qū)包含3個(gè)保守結(jié)構(gòu)、17個(gè)LRR區(qū)和8個(gè)半胱氨酸殘基，其呈簇狀分布。Pi-b可以通過(guò)溫度、光照和其他環(huán)境變化來(lái)誘導(dǎo)和調(diào)節(jié)；Pi-ta是第二個(gè)被克隆的抗稻瘟病基因，含有2個(gè)外顯子和1個(gè)1 463 bp的內(nèi)含子，其與效應(yīng)蛋白質(zhì)AVR-Pita直接識(shí)別；Pi-9有17個(gè)不完整的富含亮氨酸重復(fù)，該基因在植株中組成型表達(dá)，不受稻瘟病侵染誘導(dǎo)。

2.2 受體蛋白激酶（RLK）

Pi-d2有825個(gè)氨基酸，其蛋白質(zhì)與細(xì)胞外區(qū)特殊的膜外凝集素相互作用。23個(gè)疏水氨基酸組成跨膜螺旋結(jié)構(gòu)，絲氨酸/蘇氨酸激酶構(gòu)成細(xì)胞質(zhì)區(qū)域。

2.3 富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域蛋白（PCP）

Pi-21由266個(gè)氨基酸組成，其C端包含富含脯氨酸域，N端具有蛋白互作結(jié)構(gòu)域，參與水稻防衛(wèi)反應(yīng)，介導(dǎo)水稻的全生育期抗性。

2.4 富含ARM重復(fù)序列蛋白

Ptr是一個(gè)非典型的廣譜抗性蛋白，有4個(gè)Armadillo重復(fù)區(qū)，抗病性與Pi-ta有關(guān)，是單子葉植物所特有的基因。

2.5 富含四肽重復(fù)序列蛋白（TPRs）

新近發(fā)現(xiàn)并克隆的水稻稻瘟病抗性基因Bsr-k1是一個(gè)對(duì)稻瘟病和白葉枯病都具有廣譜抗性的隱性基因。Bsr-k1蛋白能與免疫應(yīng)答相關(guān)的OsPAL基因家族的大部分mRNA結(jié)合，木質(zhì)素合成增多，增強(qiáng)了水稻對(duì)稻瘟病菌的抗性。

3 水稻已克隆抗稻瘟病基因的遺傳特性

3.1 水稻已克隆抗稻瘟病基因的顯隱性

已克隆的抗稻瘟病基因大部分為顯性基因，例如Piz-t、Pi-z、Pi-2、Pi-9、Pig-m等均為顯性抗病基因[3]。極少數(shù)為隱性基因，例如Bsr-k1。隱性抗病基因結(jié)構(gòu)保守及其作用機(jī)制的識(shí)別將有助于進(jìn)一步了解抗病機(jī)理。

3.2 水稻已克隆抗稻瘟病基因的專(zhuān)化性

已克隆的抗稻瘟病基因大多表現(xiàn)小種專(zhuān)化，如Pid2對(duì)稻瘟病菌株ZB15表現(xiàn)為專(zhuān)一抗性；Pi-37對(duì)菌株CHL1340和CHL1159具有專(zhuān)化抗性。少數(shù)表現(xiàn)非小種專(zhuān)化，如Pi-21基因的近等位基因系A(chǔ)A-pi21對(duì)10種稻瘟病菌具有中等抗病性，屬于功能喪失性突變。

3.3 水稻已克隆抗稻瘟病基因的廣譜性

水稻廣譜抗稻瘟病基因大部分以基因簇的形式呈現(xiàn)。如第6號(hào)染色體上有抗性基因Pi-9、Pi-2等形成基因簇。其中，來(lái)自13個(gè)國(guó)家/地區(qū)的43個(gè)菌株，在四倍體小粒野生稻（Oryza minuta）中鑒定出的Pi-9基因都對(duì)其產(chǎn)生抗性?？沟疚敛』騊i-54/Pik-h、Pi-1、Pi-49在第11號(hào)染色體長(zhǎng)臂上以基因簇分布所呈現(xiàn)。在魔王谷中鑒定的Pi-49對(duì)153個(gè)稻瘟菌株有抗性?？沟疚敛』騊i-tb、Pi-39、Pi-ta在第12號(hào)染色體短臂上以基因簇分布所呈現(xiàn)。Pi-ta對(duì)大部分來(lái)自歐洲的稻瘟病菌株有抗性。為了能夠縮短抗稻瘟病育種周期，也為了拓寬抗病基因的應(yīng)用領(lǐng)域，就要不斷挖掘廣譜抗病基因。

4 水稻已克隆抗稻瘟病基因的抗性機(jī)制研究

水稻稻瘟病菌免疫機(jī)制的研究促進(jìn)了水稻稻瘟病抗病機(jī)理的深入探討。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)水稻抗稻瘟病基因的抗病機(jī)制可以分為5類(lèi)。

（1）R基因介導(dǎo)的稻瘟病完全抗性機(jī)制。不同的R基因表現(xiàn)出的抗稻瘟病特性有差異，部分R基因具有廣譜抗稻瘟病性；有些R基因抗譜相對(duì)較窄，對(duì)某些生理小種具有專(zhuān)化性。

（2）轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控的稻瘟病部分抗性機(jī)制。目前，植物所特有的WRKY型轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)轉(zhuǎn)錄激活或轉(zhuǎn)錄抑制，調(diào)控水稻抗性相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控稻瘟病抗性。

（3）泛素連接酶參與調(diào)控的稻瘟病部分抗性機(jī)制。泛素連接酶可以直接與AVR蛋白互作，如APIP6，APIP10。當(dāng)效應(yīng)蛋白Avr-Piz-t進(jìn)入水稻細(xì)胞后，會(huì)立即被APIP6和APIP10識(shí)別，促進(jìn)Avr-Piz-t降解并阻止病原菌的侵入。

（4）磷酸激酶參與調(diào)控的稻瘟病部分抗性機(jī)制。調(diào)控蛋白的磷酸化狀態(tài)是稻瘟病菌侵染水稻免疫信號(hào)激活的關(guān)鍵。SDS2是RLK蛋白，其通過(guò)RLCK118將磷酸化修飾信號(hào)傳遞給NADPH氧化酶OsRbohB，促進(jìn)植物細(xì)胞內(nèi)ROS的迸發(fā)，加強(qiáng)了水稻抵御稻瘟病菌侵染的能力。

（5）其他非R基因參與調(diào)控的稻瘟病部分抗性機(jī)制。與植物激素合成相關(guān)蛋白，如合成酶OsACS2等。提高OsACS2的表達(dá)量，促進(jìn)PR基因表達(dá)，提高水稻對(duì)多種稻瘟病菌生理小種的抗性，在抗病育種中具有較好的應(yīng)用潛力[4]。

R基因介導(dǎo)的稻瘟病完全抗性已廣泛應(yīng)用于水稻育種和生產(chǎn)中。雖然非R基因介導(dǎo)的部分抗性相對(duì)較弱，但其抗性廣譜，抗性持久穩(wěn)定。

5 水稻已克隆抗稻瘟病基因的應(yīng)用研究

近年來(lái)，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)多基因聚合有助于提高水稻品種抗性的持久性和廣譜性[5]。劉士平等[6]研究發(fā)現(xiàn)，多個(gè)抗稻瘟病基因聚合后，相關(guān)性極顯著的抗性基因均有互相作用的表現(xiàn)，這樣的表現(xiàn)結(jié)果能夠抵抗單個(gè)抗病基因不能抵抗的生理小種。目前，已報(bào)道的利用抗稻瘟病基因聚合提高其抗性的研究見(jiàn)表1。其中，陳志偉等[7-8]將Pi-1、Pi-9和Pi-kh基因?qū)氲礁；?73和N175中，分別選育出10個(gè)?；?73的近等基因系和16個(gè)N175的近等基因系。用?；?73近等基因系Line9配組的雜交稻新組合兩優(yōu)7283和金泰優(yōu)683在區(qū)試中均表現(xiàn)出產(chǎn)量高、抗病強(qiáng)及生育期適宜等特點(diǎn)。姚姝等[9]將Pi-ta、Pi-b和Wx-mq基因聚合一體，最終選育出了一個(gè)水稻新品種“南粳0051”，其不僅高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，而且還表現(xiàn)為抗稻瘟病。馬作斌等[10]利用水稻聚合雜交的方法，在后代材料中鑒定出了一個(gè)穩(wěn)定株系A(chǔ)-3，而且發(fā)現(xiàn)該株系同時(shí)含有Pi-ta和Pi-b 2個(gè)抗性基因，后被遼寧省品種審定委員會(huì)審定且命名為“鐵粳16”。

表1 水稻已克隆抗稻瘟病基因的應(yīng)用

6 結(jié)束語(yǔ)

以上研究表明，稻瘟病菌和稻瘟病抗性基因共同進(jìn)化，然而含有單個(gè)抗性基因的材料經(jīng)過(guò)多年種植后其抗性逐年下降，但是聚合多個(gè)已克隆且廣譜稻瘟病抗性基因的品種，在大規(guī)模應(yīng)用推廣以后，抗性表現(xiàn)明顯提高，而且延伸了抗病的時(shí)效性；但是，還可能產(chǎn)生針對(duì)多個(gè)抗性基因的超級(jí)稻瘟病小種。因此，注重調(diào)查當(dāng)?shù)氐牡疚敛【鷥?yōu)勢(shì)生理小種，及時(shí)發(fā)出稻瘟病菌流行預(yù)報(bào)，改種或者輪種含有新的已克隆抗稻瘟病基因的水稻品種，避免水稻品種的稻瘟病抗性迅速喪失，延長(zhǎng)稻瘟病抗性基因的水稻品種使用壽命。