水稻抗稻瘟病遺傳與基因克隆研究進(jìn)展

敖俊杰，胡慧，李俊凱，張陳玲

邢家寶，唐靜，江廣帥 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州434025

杜斌，邱先進(jìn) 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州434025； 主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 荊州434025

徐建龍 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州434025；主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 荊州434025；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京100081

邢丹英，楊隆維 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州434025； 主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 荊州434025

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，是世界一半以上人口的主食［1，2］。稻瘟病是由稻瘟病菌（Magnaporthe grisea）引起的一種真菌性病害，是水稻的三大病害之一，對世界水稻產(chǎn)量造成了非常大的影響，每年因為稻瘟病造成的水稻產(chǎn)量損失達(dá)到11%～13%，而中國每年稻瘟病發(fā)病面積達(dá)到380萬hm2以上，稻谷損失達(dá)到數(shù)億千克［3］，對我國糧食安全造成了巨大威脅。我國南方是稻瘟病流行的重災(zāi)區(qū)，流行年份一般造成產(chǎn)量損失達(dá)20%，嚴(yán)重年份可達(dá)40%以上［4］。此外，稻瘟病還能導(dǎo)致水稻品質(zhì)下降［5］。因此，如何防治稻瘟病的發(fā)生，將稻瘟病的損失降到最低，是世界各國水稻生產(chǎn)的重要任務(wù)。目前，化學(xué)防治和培育抗病品質(zhì)是防治稻瘟病的主要方式。其中，培育抗稻瘟病的水稻品種是控制稻瘟病最經(jīng)濟、最有效的方法［6］。因此，發(fā)掘和鑒定抗稻瘟病基因，研究其遺傳機理，并應(yīng)用到分子育種中培育抗稻瘟病的水稻品種具有重要意義。筆者綜述了水稻稻瘟病的發(fā)病機理、遺傳基礎(chǔ)、QTL定位和基因克隆的研究進(jìn)展，以期為分子育種培育抗稻瘟病的水稻新品種提供參考。

1 稻瘟病的發(fā)病機理

稻瘟病的發(fā)病是一個非常復(fù)雜的過程，包括稻瘟病菌分生孢子的產(chǎn)生和萌發(fā)、附著胞形成、侵染釘分化和侵染性菌絲擴展等。稻瘟病菌主要以分生孢子和菌絲的形式在病稻和稻谷上越冬。第二年，當(dāng)達(dá)到合適溫度和濕度 （通常20℃以上的陰雨天）時，稻瘟病菌產(chǎn)生大量的分生孢子，并借助風(fēng)力傳播。當(dāng)分生孢子接觸到宿主時，其尖端便釋放出粘膠和芽胞使其緊緊地吸附在宿主身上。接著分生孢子便萌發(fā)形成芽管，芽管繼而分化出附著胞，之后產(chǎn)生侵染栓穿透宿主組織的角質(zhì)層和表皮細(xì)胞壁，并在宿主細(xì)胞中生長，侵染臨近細(xì)胞并深入葉肉細(xì)胞［7～11］。一般稻瘟病侵染水稻5～7d后才表現(xiàn)出癥狀，在侵染結(jié)束后，被侵染的細(xì)胞又能產(chǎn)生新的菌絲和分生孢子并從病斑處釋放出來，借助風(fēng)力再次傳播，造成重復(fù)侵染［12］。

根據(jù)稻瘟病菌侵染水稻的部位不同，稻瘟病又可以分為苗瘟、葉瘟、節(jié)瘟、穗頸瘟和谷粒瘟［13］。其中葉瘟和穗頸瘟發(fā)病最為常見，危害也最大，稻瘟病的評價體系中也最受重視。葉瘟主要發(fā)生在水稻三葉期到抽穗期，其中較為集中發(fā)病的時期是秧苗分蘗期至拔節(jié)期。而穗頸瘟主要發(fā)生在抽穗以后，造成水稻結(jié)實率下降，重者形成白穗。

2 稻瘟病抗性的遺傳基礎(chǔ)

稻瘟病抗性是一個典型的數(shù)量性狀，遺傳十分復(fù)雜。最早對稻瘟病抗性進(jìn)行遺傳研究的是日本學(xué)者［14］，但是進(jìn)展十分緩慢，直到20世紀(jì)60年代才有人系統(tǒng)地進(jìn)行稻瘟病性遺傳研究。中國的稻瘟病抗性研究開始于20世紀(jì)70年代，1976～1979年完成的全國稻瘟病菌生理小種鑒定為抗稻瘟病基因鑒定打下了很好的基礎(chǔ)［15］。一般認(rèn)為，稻瘟病抗性由1～2個抗性基因控制，有些由3個或更多主效基因控制，當(dāng)然有些也由一些隱性或不完全顯性抗病基因控制，不同抗病基因之間相互獨立或存在互作關(guān)系［16～17］。此外，還有些抗稻瘟病基因在染色體相近的位點存在連鎖現(xiàn)象，有些抗病基因還受修飾基因的影響。

3 稻瘟病抗性QTL定位

在分子標(biāo)記技術(shù)發(fā)展之前，人們一般利用遺傳群體結(jié)合經(jīng)典的數(shù)量遺傳學(xué)方法對稻瘟病抗性進(jìn)行遺傳研究，這種方法是將影響稻瘟病的基因作為整體來進(jìn)行的，無法將多個基因分解為單個孟德爾因子進(jìn)行剖析。近年來，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，國內(nèi)外研究者都利用分子標(biāo)記技術(shù) （特別是SSR分子標(biāo)記技術(shù)）構(gòu)建了許多不同類型的遺傳群體，將控制稻瘟病抗性的基因定位到了染色體比較精細(xì)的位置。

稻瘟病抗性基因的來源十分豐富，這給研究者們提供了很好的研究材料。其中，供體親本有各地最常見的主栽品種，如特青［18］、三黃占2號［19］等，此外還有一些野生稻和農(nóng)家品種。徐吉臣等［20］利用“ZYQ7”和 “JX17”構(gòu)建的雙單倍體群體，共鑒定出控制稻瘟病20個生理小種抗性的124個抗性QTL，分布于全部12條染色體上的72個區(qū)域。楊小林等［21］利用農(nóng)家品種 “魔王谷”和粳稻品種 “鄂晚8號”構(gòu)建的雙單倍體群體，共定位到3個影響稻瘟病5個鑒別菌株抗性的主效QTL，這3個QTL均位于水稻第6染色體RM541附近，說明該區(qū)域可能存在一個廣譜抗稻瘟病的主效QTL。另外，不同的研究者還構(gòu)建了許多其他類型的群體，例如F2群體、重組自交系群體、高世代回交群體和染色體片段代換系群體等，都對稻瘟病抗性QTL基因型了分析［22～30］。據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前為止不同的研究者利用不同的研究群體定位了超過86個影響水稻稻瘟病的主效QTL，另外還定位了超過350個微效QTL［31～33］。何秀英等［31］對已經(jīng)定位到的這86個主效QTL的相關(guān)信息進(jìn)行了整理，這些已定位的稻瘟病抗性主效QTL分布于除第3染色體外的所有染色體上，其中大部分分布于第6、11和12染色體，這3條染色體上都存在著一個很大的QTL簇，能夠為分子育種改良稻瘟病抗性提供抗源。

4 稻瘟病抗性基因克隆

20世紀(jì)50年代DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)以后，基因組學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展日新月異。隨著新技術(shù)的不斷發(fā)明，研究者有機會克隆稻瘟病抗性基因，并探明這些基因的功能。迄今為止，水稻中共鑒定和克隆了21個稻瘟病抗性基因。

Pib基因是第一個克隆的水稻稻瘟病抗性基因，它位于第2染色體長臂末端，編碼一個含有1251個氨基酸的蛋白質(zhì)，對大部分日本稻瘟病生理小種都具有抗性［25］。后來克隆的稻瘟病抗性基因大部分也都分布于第6和11染色體，這與稻瘟病抗性QTL的分布一致。

第6染色體上克隆的稻瘟病抗性基因有Pi9、Pi2、Piz-t、Pi-d2、Pid3和Pi25。Pi9編碼的蛋白含有1032個氨基酸，該蛋白質(zhì)含有1個NBS-LRR結(jié)構(gòu)域，在水稻中呈現(xiàn)組成型表達(dá)，對稻瘟病具有廣譜抗性［34］。Pi2編碼蛋白含有1032個氨基酸的蛋白質(zhì)，與Piz-t編碼的蛋白質(zhì)只有8個氨基酸的差異，不過也就是這8個氨基酸的差異造成了2個基因抗性?；牟顒e［35］。Pi-d2編碼1個凝集素類受體蛋白，全長825個氨基酸，抗病基因編碼蛋白的第441個氨基酸由甲硫氨酸變?yōu)楫惲涟彼岷螅摶蚣词タ共√匦远D(zhuǎn)變成為感病基因［36］。第11染色體上克隆的稻瘟病抗性基因有Pik-m、Pik-p、Pik、Pi1、Pik-h／Pi54、Pb1和Pia，其中只有Pik-m是通過圖位克隆的方法克隆到的。Pik-m 由2個緊密連鎖并具有獨立功能的NBS-LRR類基因組成，這2個基因分別編碼1141和1021個氨基酸組成的蛋白質(zhì)［37］。

5 展望

稻瘟病抗性是水稻中最重要的性狀之一，它關(guān)系到水稻最終產(chǎn)量的形成，對保障糧食安全具有重要意義。通過克隆影響稻瘟病抗性的基因，揭示其分子機理和遺傳基礎(chǔ)，再建立適合的分子標(biāo)記育種體系，將不同的稻瘟病抗性基因聚合在一起，能夠不斷提高水稻的稻瘟病抗性，延長水稻品種的生產(chǎn)壽命。雖然研究者們克隆了一些影響水稻稻瘟病抗性的基因，但是不同基因之間的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還未建立，抗性基因的分子機理還未完全揭示。隨著水稻分子生物學(xué)和功能基因組的不斷發(fā)展，相信在不久的將來，人們一定能克隆更多影響稻瘟病抗性的基因，弄清稻瘟病抗性的遺傳基礎(chǔ)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計相應(yīng)的分子標(biāo)記，通過分子設(shè)計育種培育出抗稻瘟病的高產(chǎn)水稻新品種。

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