水稻抗稻瘟病分子機制研究進展

程新杰，岳洪亮，張夢龍，施 偉，朱國永，代金英

（江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所，江蘇 鹽城 224000）

稻瘟病被稱為水稻“癌癥”[1]，是由稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）引起的真菌性病害，是最為嚴重的水稻病害之一，且稻瘟病的危害面積和危害程度較大，發(fā)病時會影響糧食產(chǎn)量甚至造成絕收[2]。全球每年由稻瘟病導致的經(jīng)濟損失約為660億美元[3]。因發(fā)病時期和部位不同，稻瘟病被分為苗瘟、葉瘟、節(jié)瘟和穗頸瘟等，其中尤以穗頸瘟對水稻生產(chǎn)的危害最大[4]。根據(jù)稻瘟病的發(fā)病條件，主要有以下防治方法：掌握防治適期，噴施相應的藥劑；處理帶病稻草和種子消毒，減少菌源；稀疏播種，培育無病壯秧苗；種植不過于密集；合理施肥、灌水，適時烤田；選用抗病良種等。在稻瘟病發(fā)病時，化學防治是最為快速有效的方法，但該方法對于環(huán)境危害巨大，不符合當今生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展目標。

目前在水稻新品種審定中，稻瘟病抗性是不可或缺的評定標準。由于稻瘟病的生理小種具有高度變異的潛力，其新基因型的產(chǎn)生不可避免地降低對水稻中抗性基因的敏感度[5]，同時，稻瘟病菌會產(chǎn)生抗藥性，進而使得化學農(nóng)藥的防治效果不斷降低，這也是優(yōu)良抗性品種在種植3～5年后抗性會逐漸喪失的原因[6]。因此，目前防治稻瘟病最安全有效且對環(huán)境友好的措施是挖掘新的抗稻瘟病基因，用來選育新的抗稻瘟病品種[7]?；谒镜疚敛〉难芯楷F(xiàn)狀與成果，本文主要總結(jié)了近年來水稻稻瘟病抗病機制的研究進展，對該領域的研究熱點和難點進行討論，并對未來的防控方向提供一定的思路，為今后的抗病育種工作提供一定的理論基礎。

1 水稻稻瘟病菌的侵染與防御機制

1.1 水稻稻瘟病菌侵染機制

隨著科技的進步，科研人員對稻瘟病菌侵染過程的了解更為深入，侵染路徑也已被解析[8]。稻瘟病菌是半活體的營養(yǎng)型真菌，其侵染過程有2個階段：在侵染水稻的初期處于活體營養(yǎng)階段，在這一時期主要是抑制寄主的免疫反應，進而定植在寄主細胞內(nèi)；接著進入死體營養(yǎng)階段，在這一時期會導致寄主細胞壞死。

1.2 水稻稻瘟病防御機制

在協(xié)同進化過程中，水稻也同樣進化出復雜的防衛(wèi)機制來應對稻瘟病菌的侵染，其主要有2層先天免疫系統(tǒng)，分別是病原菌相關模式分子誘發(fā)的免疫機制（PAMP-triggered immunity，PTI）與病原菌效應分子誘發(fā)的免疫機制（effector-triggered immunity，ETI）[9]。這2種免疫系統(tǒng)均能夠誘導水稻產(chǎn)生稻瘟病抗病性，且這一免疫過程又被細分為3個步驟：首先是信號感知，病原菌中的PAMPs（pathogenassociated molecular patterns）或效應分子被各種受體識別；第2階段是通過G蛋白、Ca2+流等將信號傳遞并放大之后，能夠進一步激活絲裂原活化蛋白激酶和NADPH（還原性輔酶Ⅱ）氧化酶，進而釋放活性氧；第3階段是誘導防衛(wèi)基因表達，并且積累抗病原物的次級代謝產(chǎn)物，使得細胞壁加厚，最終導致侵入位點的細胞程序性死亡等[10-12]。

1.2.1 稻瘟病PTI天然免疫系統(tǒng)。PTI天然免疫系統(tǒng)又被稱為基礎抗性[13]，稻瘟病菌分泌的PAMPs主要是被水稻細胞表面的模式識別受體（patternrecognition receptors，PRRs）識別。目前在擬南芥中，對于PTI防御機制已經(jīng)有了較為系統(tǒng)的研究。近年來研究人員對于水稻PTI機制的研究也取得了極大的突破。如flg22與flg22的受體OsFLS2，包括其介導的內(nèi)部信號通路等方面的研究均有所突破。flg22是一種細菌鞭毛蛋白，它的蛋白終端是由22個氨基酸組成的保守多肽，這一肽段具有很強的抗菌性，是鞭毛蛋白誘導植物產(chǎn)生抗性的重要結(jié)構(gòu)[14]。flg22與其受體OsFLS2結(jié)合之后，能夠有效地激活抗病結(jié)構(gòu)，這不僅提高了水稻的抗病性，同樣也能夠從根本上減少水稻稻瘟病的發(fā)生[15]。

1.2.2 稻瘟病ETI天然免疫系統(tǒng)。這一系統(tǒng)被分為2個部分，一部分是稻瘟病抗性基因的有效克隆，另一部分是抗性基因R與無毒蛋白Avr作為介質(zhì)的ETI激活機制。將已克隆的抗性基因與無毒基因組合在一起后，能夠不斷調(diào)整ETI防御機制[16]，不僅能夠使得水稻稻瘟病防御機制更好地發(fā)生，還能有效減少病蟲害的發(fā)生，提高稻米產(chǎn)量。闡述稻瘟病抗性基因與其對應的無毒基因間的互作關系，是解析稻瘟病ETI防御機制的關鍵。

2 水稻稻瘟病抗性基因

近年來，國內(nèi)外研究人員通過對水稻稻瘟病抗性基因進行大量系統(tǒng)化的研究，使用分子標記等方法定位了100余個稻瘟病主效抗性基因，目前已經(jīng)被克隆的基因有36個，如表1所示。其中已克隆的稻瘟病抗性基因大部分位于第6和第11號染色體上，少量位于第1、第9、第12染色體上，同時第2、第4、第8號染色體上還各有1個抗性基因。第6號染色體上的抗性基因主要有Piz、Pi2、Pi9、Pizt、Pid2、Pid3、pigm、Pi5、Pi26等[17]，第11號染色體上的抗性基因主要有Pia、Pik、Pi1、Pikm、Pikp、Pb1等。

表1 已克隆的抗稻瘟病基因信息

這些抗性基因不僅表型特征不同，其來源與抗病地區(qū)也不同，不同的抗性基因抗性譜也不同。而稻瘟病菌的高度多樣性和變異性等特點，也是抗性基因多樣性的原因。Pigm是一個位于第6號染色體的廣譜性稻瘟病抗性基因，供體親本為谷梅4號，其與Pi2、Pi9、Piz-t、Pi26等基因同屬于一個基因家族或是互為復等位基因，但彼此之間的抗譜具有明顯差異。Pigm基因在粳稻中基本不存在，但對江蘇、安徽、湖北、廣東等地區(qū)的代表性稻瘟病菌種均有較好的抗性，統(tǒng)計表明，其對于來自世界各地的50余種菌株均表現(xiàn)出抗性[18]。Pi2抗菌譜也相當廣，對來自我國13個地區(qū)的790余種菌株均表現(xiàn)出抗性[19]。Pi9同樣也是一個稻瘟病廣譜抗性基因，對21個稻瘟病小種具有抗性[20]。

穗頸瘟對于水稻危害最為嚴重，而Pb1所介導的抗性是持久性的，并且是成株期抗性和穗頸瘟抗性[21]，這種抗性已被用于許多優(yōu)良品種中[22]。研究表明，在育種工作當中，可通過選擇合適的基因組合來更好地達到對稻瘟病的抗性作用，如Pita+Pia或Pita+Pi3/5/i雙基因聚合的水稻品種均有高抗病的特性[4]。

目前已克隆的36個稻瘟病抗性基因?qū)τ诘疚敛‘a(chǎn)生抗性的生物學過程各有不同，根據(jù)蛋白結(jié)構(gòu)的不同被細分為4類：一是NBS-LRR（nucleotidebinding site and leucin-rich repeat）類蛋白，如Pi1、Pib、Pi9等29個抗性基因；二是RLK（receptor like kinases）類蛋白，如Pid2，主要通過單個氨基酸差異來區(qū)別抗感病基因；三是富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域蛋白，如Pi21，主要通過蛋白功能的失活來產(chǎn)生抗性；四是富含ARM重復序列蛋白，如Ptr，其抗性與Pita相關，且是單子葉植物所特有的基因[23]。

3 水稻抗性蛋白與稻瘟病菌無毒蛋白間的互作機制

無毒基因作為一類能夠誘導植物產(chǎn)生抗病性的病原物遺傳因子，在稻瘟病菌與水稻植株產(chǎn)生相互作用的過程中，能夠轉(zhuǎn)錄翻譯成無毒蛋白，接著水稻中的R基因能夠識別相對應的無毒蛋白，進而產(chǎn)生抗性[45]。目前從稻瘟病菌中鑒定并克隆的無毒基因有12個，分別是AvrPita、PWL1、PWL2、ACE1、AvrPiz-t、Avr-Pik/km/kp、Avrpi9、Avr-Pii、Avr-Pia、Avr-Pib、AvrPi54、AvrPi-CO39。已被克隆的無毒基因中，除ACE1外都編碼分泌蛋白，而ACE1不分泌但編碼聚酮合成酶[46]。

目前已成對的抗性基因和無毒基因有Pi-ta/AVR-Pita[47]、Piz-t/AvrPiz-t、Pi9/Avrpi9、Pi-33/ACE1、Pia/Avr-Pia、Pib/Avr-Pib、Pii/Avr-Pii、Pik/km/kp/Avr-Pik/km/kp、Pi-CO39/AvrPi-CO39、Pi54/AvrPi54。除Pi9/Avrpi9、Pi-33/ACE1、Pib/Avr-Pib互作關系未知外，絕大部分水稻稻瘟病抗性蛋白與無毒蛋白間的互作關系已被解析，可分為直接互作與間接互作。Piz-t/AvrPiz-t、Pii/Avr-Pii屬于間接互作，Pi-ta/AVR-Pita、Pia/Avr-Pia、Pik/km/kp/Avr-Pik/km/kp、Pi-CO39/AvrPi-CO39、Pi54/AvrPi54則屬于直接互作。

抗性蛋白與無毒蛋白直接互作有3種方式：一是符合經(jīng)典“基因?qū)驅(qū)W說”的一個抗病蛋白對應一種無毒蛋白，Pi-ta與AVR-Pita[48]對應這種互作關系；二是2種抗病蛋白成對出現(xiàn)，且只對應一種無毒蛋白，Pik-1和Pik-2與AVR-Pik之間對應這一互作關系；三是2種抗病蛋白成對出現(xiàn)，與多個無毒蛋白互作，如Os11gRGA4和Os11gRGA5對Pia的抗性都是必需的[49]，但在防御反應的過程中，僅RGA5-A與AVR-Pia或AVR1-CO39互作，并起到重要作用。

4 展望

近些年來，由于分子生物學與生物信息學這2個學科的急速發(fā)展，水稻抗性基因的發(fā)掘鑒定、克隆及互作機制等方面的研究得到巨大進步。通過分子標記育種技術育成的抗病品種已經(jīng)成功應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當中。但是，隨著病原菌生理小種的不斷變異和種植環(huán)境的變化，單一稻瘟病抗性品種不足以應對這些問題，因此需要不斷培育新的水稻稻瘟病抗性品種。基于以上問題，稻瘟病新基因的挖掘仍是水稻稻瘟病抗性分子研究的重要基礎?；谀壳暗难芯亢陀N現(xiàn)狀，筆者認為還存在5個方面需要更深入的研究。1）分子育種缺乏廣泛的有效抵抗多種稻瘟病菌的抗性基因。雖然近年來分子育種發(fā)展迅速，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并克隆了大量的抗性基因，但這些基因在田間的抗性作用難以預測，導致在育種過程中，難以將這些抗性基因運用到相對應的致病菌株上。2）還需要開發(fā)創(chuàng)制更高效、且能夠與抗性基因緊密連鎖的分子標記，這對于育種工作中進行抗性基因的應用具有極大的幫助，能夠?qū)⒎肿佑N真正運用到實際育種工作當中。3）進一步開展抗性基因與無毒基因互作的分子機理研究，挖掘新的抗稻瘟病基因，并通過轉(zhuǎn)基因技術、基因編輯技術、單倍體技術等作物育種技術，培育具有廣譜抗性的水稻新品種。4）對調(diào)控水稻稻瘟病抗性的不同路徑進行深入研究，尋找更多安全有效的防治方法。5）在育種工作當中，可嘗試選擇合適的基因組合進行應用，以達到事半功倍的效果，但對其抗病的廣譜性與持久性仍需要進一步研究。