全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2012, 48 (3): 223~231 223
收稿 2011-11-16　　修定 2012-02-13
资助 国家重点基础研究发展计划项目(2011CB100700)和江苏
省高校优势学科建设工程项目(2011)。
* 通讯作者(E-mail: hgzgl@sina.com; Tel: 0517-83591190)。
水稻抗白叶枯病基因及其应用研究进展
虞玲锦1,2, 张国良2,*, 丁秀文2, 高雨1,2, 谢寅峰1,*
1南京林业大学森林资源与环境学院, 南京210037; 2淮阴工学院生命科学与化学工程学院, 江苏淮安223003
摘要: 由黄单胞菌水稻变种Xanthomonas oryzae pv. Oryzae (Xoo)引起的白叶枯病是水稻重要病害之一。目前, 已有37个水
稻白叶枯抗性基因被鉴定并报道, 其中28个被定位到染色体上, 7个被克隆。本文简要综述了水稻白叶枯抗性基因的鉴
定、定位和克隆的进展, 并讨论了合理利用抗性基因防治白叶枯病的前景。
关键词: 白叶枯病; 抗病基因; 基因图谱; 基因克隆
Progress in Identification and Application of Resistance Genes to Bacterial Blight
YU Ling-Jin1,2, ZHANG Guo-Liang2,*, DING Xiu-Wen2, GAO Yu1,2, XIE Yin-Feng1,*
1College of Forest Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2College of Life Science and
Chemistry Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huai’an, Jiangsu 223003, China
Abstract: The bacterial blight of rice which caused by Xanthomonas oryzae pv. oryzae is one of the most de-
structive disease in the world. Untill now, 37 bacterial blight resistance genes have been identified. Among
them, 28 genes were mapped, and 7 genes were cloned. Here, the history and development of gene identifica-
tion, mapping and cloning on some resistance genes to bacterial blight were reviewed, and the future applica-
tion of the resistance genes was discussed.
Key words: bacterial blight; disease resistance gene; gene map; gene clone
水稻白叶枯病(bacterial blight)是由革兰氏阴
性菌黄单孢水稻变种(Xanthomonas oryzae pv.
Oryzae, Xoo)引起的一种细菌性维管束病害。自
1884年在日本福冈地区发现以后, 陆续在世界主
要水稻产区发现, 已成为水稻生产中最主要的病
害之一, 在亚洲稻区发生尤为严重(项轶2007), 可
使水稻减产20%~30%, 严重时达50%, 甚至颗粒无
收。中国发现该病已有近百年历史, 20世纪初珠
江三角洲地区就有报道, 1950年在南京也发现了该
病 , 目前在全国各主要稻区均有发现 (王运丰
2011)。该病在潮湿和低洼地区较易发生, 一般籼
稻重于粳稻, 双季晚稻重于双季早稻, 单季中稻重
于单季晚稻(Gnanamanickam等1999), 粘稻重于糯
稻(曾列先等1997)。培育和推广种植抗病品种是
防治水稻白叶枯病最经济有效的方法, 因此自20
世纪60年代以来, 科研工作者相继发掘、鉴定了
37个水稻白叶枯病抗性基因, 并进行了抗病育种
利用, 本文对其简要综述。
1 水稻白叶枯病症状及其病原菌
自然条件下, 白叶枯病菌一般通过两种方式
侵害水稻, 一是通过叶片尖端和叶边缘的水孔进
入叶片; 另一种是通过伤口进入维管束(Mew 1993)。
白叶枯病是一种维管束病害, 细菌进入水稻后, 短
短几天就会繁殖充满维管束并从水孔泌出, 在叶
片上形成珠状或连珠状渗液, 这是发病的典型标
志(He等2006)。水稻白叶枯病会引发两种主要症
状: 叶枯型(leaf blight)和凋萎型(kresek) (梁继农和
殷照生1990)。叶枯型是白叶枯病最常见的症状,
主要发生在叶片及叶鞘部位, 通常从叶尖和叶缘
开始发生, 少数从叶肉开始, 产生黄绿色、暗绿色
斑点, 沿叶缘或中脉向下延伸扩展成条斑, 病部和
健康部分界线明显, 病斑数天后转为灰白色(多见
于籼稻)或黄白色(多见于粳稻), 远望一片枯缟色,
这也是白叶枯病名的由来。凋萎型主要发生在秧
苗期至分蘖初期, 通常见于秧苗移植后1~4周, 主
要症状是“失水、青枯、卷曲、凋萎”, 最后导致全
株死亡。该症状的产生主要是病原细菌自叶面伤
口、自然孔口、伤茎或断根等部位入侵, 沿维管
植物生理学报224
束向其他器官部位转移, 分泌毒素破坏并堵塞输
导组织以引起秧苗失水, 造成整株萎焉死亡。另
外, 热带地区的稻田和我国的广东省还发现白叶
枯病的另一种症状类型, 被称为黄叶型(何汉生
1986), 即一般病株的较老叶片颜色正常, 成株上的
心部新出叶则呈均匀褪绿或呈淡黄至青黄色。
对Xoo的致病型是根据各病菌在鉴定品种上
所表现的致病力差异来划分的。1977年, Yamamo-
to研究了71个印度尼西亚菌系的致病力, 结合日本
九州地区Xoo的分群结果, 将日本菌系群扩展为5
个, 即I、II、III、IV、V, 并将Wase Aikoku 3品种
群中一些抗V群的品种分离出来, 命名为Java群
(Yamamoto 1977)。在中国, 方中达等(1990)对全国
各地835个菌系在5个鉴别品种(IR26, Jawa14、‘南
粳15’、Tetep和‘金刚30’)上的反应进行研究, 将供
试菌系分为7个致病型(I、II、III、IV、V、VI、
VII)。其中, 我国北方粳稻区多属于I型和II型, 南
方籼稻区以IV型为主, 存在少量V型, 在长江流域
籼粳混栽区, 菌系以II和IV型居多。
2 水稻白叶枯病抗性基因
2.1 水稻白叶枯病抗性基因的定位
在植物的抗病反应中, 植物的R基因能特异性
地识别病原菌相应Avr基因的产物, 两者可发生直
接或间接地互作而激发植物的信号传递系统, 最
终诱导植物防卫基因的表达, 使植物表现抗病性,
同时R基因也不断进化, 以实现对病原菌由于进化
而产生的新的毒性小种的抗性。由此, R基因的系
统命名、鉴定以及定位已逐渐成为目前一项比较
重要的工作(王爱菊等2002)。
经过众多白叶枯病研究者的努力, 很多水稻
白叶枯抗性基因相继被鉴定。目前, 经国际注册
确认和期刊报道的水稻白叶枯病抗性基因共37个
(表1)。其中, 25个为显性基因Xa, 其他为隐性基因
xa; 已被定位的抗性基因有28个。
2.2 水稻白叶枯病抗性基因的克隆和抗病分子机制
在已被鉴定的37个水稻白叶枯病抗性基因中,
已有7个被克隆, 分别是Xa1 (Yoshimura等1996)、
Xa3/Xa26 (Sun等2004)、xa5 (Blair等2003)、xa13
(Chu等2006a)、Xa21 (Song等1995)、Xa23 (王春
连2006)和Xa27 (Gu等2004)。
Xa21是最早通过图位克隆方法得到的, 也是
研究的较为深入的白叶枯病抗性基因, 编码一个
由1 025个氨基酸组成的类受体蛋白激酶(receptor-
like kinase, RLK), 其结构中的富含亮氨酸重复序
列(leucine rich repeats, LRRs)区和丝氨酸/苏氨酸
激酶(serine/threonine kinase, STK)区与抗性作用直
接相关, LRRs区由23个不完全的LRR组成, 参与蛋
白质与蛋白质的相互作用, 与病原物的识别有关;
STK区包含11个亚区和15个保守氨基酸, 是典型的
信号分子(Song等1995)。He等(2000)将BRI1的
LRR区和跨膜结构域与Xa21蛋白的激酶结构域融
合后转入水稻悬浮细胞, 发现新形成的这种嵌合
受体在油菜素内酯的处理下能启动植物的防御反
应, 从而证明了Xa21主要结构域的功能分工, 即
LRR 区可能与配体的结合有关, 而激酶区决定下
游的信号传导途径。Xa21的激酶区蛋白具有很强
的自磷酸化现象, Ser686、Thx688和Ser689是其自
磷酸化的磷酸化位点, 并且对Xa21的激酶活性以
及体内蛋白的稳定性都起着至关重要的作用。通
过对这3个位点分别进行点突变, 发现突变体的抗
性明显下降, 这也验证了这3个位点的磷酸化对于
Xa21介导的抗病反应是非常关键的(Xu等2006)。
Lee等(2009)利用高效液相色谱技术, 在白叶枯病
菌中找到了一个194个氨基酸残基的蛋白, N端17
个氨基酸(axYS22)就足以激活Xa21, 证明了Xa21
是识别PAMPs的模式识别受体(pattern recognition
receptor, PRR)。Chen等(2010)发现Xa21定位在质
膜和内质网上, 当病原菌入侵时, 将细菌内吞, 从
而达到增强抗病性的作用。
水稻白叶枯病抗性基因Xa1定位在水稻4号染
色体上, 高抗白叶枯病菌日本I类生理小种(Tl), 编
码NBS-LRR类的白叶枯病抗病蛋白(Yoshimura等
1996)。Yoshimura等(1998)研究表明Xa1的表达受
非亲和及亲和小种诱导, 说明病原菌侵染造成的
损伤可能会诱导Xa1基因的表达, 而Xa1基因表达
量的增加可能提高了Xa1与无毒基因avr互作的效
率, 从而激活了Xa1介导的抗病信号传导通路, 因
此Xa1在与病原菌的识别过程中发挥主要作用。
Xa3/Xa26 (Sun等2004)和Xa27 (Gu等2004;
2005)的克隆都是采用图位克隆的方法。项轶
(2007)利用‘珍汕97’/‘明恢63’重组自交系的5个双
交换抗病单株, 将Xa3/Xa26精细定位于一个BAC
虞玲锦等: 水稻抗白叶枯病基因及其应用研究进展 225
表1 水稻白叶枯病抗性基因位点
Table 1 The locus of the resistance genes to bacterial blight
基因位点
(*表示已 无毒菌株(小种) 供体品种 染色体 连锁标记 参考文献
克隆基因)
Xa1* 日本菌株X-17 ‘黄玉’, Java14 4 C600 (0 cM), XNpb235 (0 cM), Yoshimura等1996;
U08750 (1.5 cM) 1998
Xa2 印尼菌株T7147 IR BB2 4 HZR950-5~HZR970-4 (190 kb) He等2006
Xa3/Xa26* 印尼菌株T7174, ‘早生爱国3’, 11 XNbp181 (2.3 cM), XNbp186, G181, Yoshimura等1992;
T7147等 ‘明恢63’, RM224 (0.21 cM), Y6855R (1.47 cM) Sun等2004; 项轶2007
IR BB3
Xa4 菲律宾菌株PX025(1) TKM-6, IR20, 11 XNpb181 (1.7 cM), XNpb78 (1.7 cM), Yoshimura等1992;
IR22, IR BB4 G181, M55, RS13 王文明等2000; Wang
等2001; Sun等2003
xa5* 菲律宾菌株PX025(1) , DZ192, IR1545- 5 RG556 (<1 cM), RG207 (<1 cM), Blair等2003; Jiang等
PX061 339, IR BB5 RS7~RM611 (70 kb) 2006; Iyer-Pascuzzi等
2008
Xa7 中国小种IV SCB4-1 DV85, IR BB7 6 GDSSR02~RM20 593 (0.21 cM) Yang等2000; Chen等
2008
xa8 菲律宾菌株PX061(1) PI231128 7 RM214 (19.9 cM) Singh等2002
Xa10 菲律宾菌株PX099A IR BB10A 11 M491~M419 (74 kb ) Gu等2008
Xa11 日本菌株IBT7156 IR BB11 3 RM347 (2.0 cM), KUX11 (1.0 cM) Goto等2009
Xa12 印尼菌系Xo-7306(V) ‘黄玉’, Java14 4 － Ogawa等1978
xa13* 菲律宾菌株PX099 IR BB13 8 E6a, SR6, ST9, SR11 Chu等2006a
Xa14 菲律宾小种5 IR BB14 4 HZR648-5 (1.9 cM) 鲍思元等2010
xa15 日本小种I, II, III, IV M41诱变体 － － Nakai等1988
Xa16 日本小种V Tetep － － Noda和Ohuchi 1989
Xa17 日本小种II ‘阿苏稔’ － － Ogawa等1989
Xa18 缅甸菌株 IR24, ‘密阳23’, － － Yamamoto和
‘丰锦’ Ogawa 1990
xa19 6个菲律宾小种 IR24的诱变体XM5 － － Taura等1991
xa20 6个菲律宾小种 IR24的诱变体XM6 － － Taura等1992
Xa21* 菲律宾小种1, 2, 4, 6 长药野生稻 11 RG103 (0 cM), 248 Song等1995; Lee等
2009; Chen等2010
Xa22(t) 菲律宾菌株PX061 ‘扎昌龙’ 11 R1 506 (100 kb) Wang等2003
Xa23* 菲律宾菌株PX099 CBB23 11 Lj211 (0.2 cM), Lj74 (0 cM) 王春连2006
xa24(t) 菲律宾小种4, 6, 10等 DV86 2 RM14 222~RM14 226 (71 kb) Wu等2008
Xa25 菲律宾小种9 ‘明恢63’ 12 G1 314 (7.3 cM) Chen等2002
Xa25(t) 菲律宾小种1, 3, 4; ‘明恢63’体细胞 4 RM6 748 (9.3 cM) RM1 153 (3.0 cM) 高东迎等2005
中国IV型菌 无性系突变体HX3
xa26(t) 菲律宾小种1, 2, 3, 5 Nep Bha Bong － － Lee等2003
Xa27* 菲律宾小种2, 5 小粒野生稻 6 M964 (0 cM) Gu等2004; 2005
xa28(t) 菲律宾小种2 Lota sail － － Lee等2003
Xa29(t) 菲律宾小种1 药用野生稻 1 C904, R596 谭光轩等2004
Xa30(t) 菲律宾菌株PX099 普通野生稻Y238 11 RM1 341 (11.4 cM), 03STS (2.0 cM) 金旭炜等2007
Xa31(t) OS105 ‘扎昌龙’ 4 G235~C600 (0.2 cM) Wang等2009
Xa32(t) 菲律宾小种1, 4~9 澳洲野生稻 C4064 11 RM2 064 (1.0 cM), ZCK24 (0.5 cM) 郑崇珂等2009
xa32(t) 菲律宾菌株 PX099 Y76 12 RM8216 (6.9 cM), RM20A (1.7 cM) 阮辉辉等2008
xa33(t) 泰国小种TXO16 Ba7 6 RM30~RM400 Korinsak等2009
Xa34(t) － － 11 － 苗丽丽等2010
xa34(t) 中国小种5226 BG1222 1 BGID25 (0.4 cM) Chen等2011
Xa35(t) 菲律宾菌株PXO61, 小粒野生稻 11 RM7654 (1.1 cM)~RM6293 (0.7 cM) 郭嗣斌等2010
PXO112, PXO339
Xa36(t) P6 和C5 C4059 11 RM224~RM2136 苗丽丽等2010
植物生理学报226
克隆M3H8的一个20 kb的染色体片段上, 最终从
MH63的一个BAC克隆M3H8中克隆了Xa26。Xa3/
Xa26与Xa21的编码区有53%的相似度, Xa3/Xa26
介导的抗性贯穿于水稻整个苗期和成熟期; 而Xa21
介导的抗性只是针对于成熟期。Xa3/Xa26基因编
码区全长3 309 bp, 中间有一个105 bp的内含子, 其
编码产物为LRR-受体激酶, 与Xa21属于同一类型,
其结构特点极为相似, 具有胞外LRR结构域、单一
跨膜区和胞内丝氨酸 /苏氨酸激酶区。其包含
1 103个氨基酸, 一个N端30个氨基酸的信号肽,
88~771位氨基酸编码26个不完全的富含亮氨酸重
复区, 是该类基因编码的保守性序列, 其主要作用
是识别特异性病原物, 然后通过信号传导进而激
发抗病反应(Song等1995; Sun等2004)。徐嵩杰
(2006)研究发现, Xa3/Xa26编码的LRR-RLK与
Xa21编码产物的同源性很高, 通过对Xa3K/Xa26K
进行体外自磷酸化检测, 未发现自磷酸化现象; 酵
母双杂实验结果也显示Xa3/Xa26既没有与自身形
成同源二聚体, 也没有与家族中的其他2个完整基
因MRKa、MRKc形成异源二聚体。这说明Xa3/
Xa26有可能通过一条新的激酶激活途径完成抗病
信号的转导。
Xa27基因来源于野生稻, 通过杂交、回交导
入IR24构建了近等基因系IRBB27, 并采用图位克
隆策略分离得到(Gu等2004)。Xa27仅有1个外显
子, 是一个非基因内区的基因。在与其互作的无
毒基因avrXa27的编码产物诱导下, Xa27编码一个
由113个氨基酸组成、含有α-螺旋结构域的蛋白产
物。虽然Xa27抗病等位基因和感病等位基因编码
相同的蛋白, 但是只有在水稻接种了avrXa27的病
原菌后, 抗病等位基因才表达, 说明Xa27的诱导表
达不是系统诱导, 而仅局限于接种的区域(Gu等
2005)。Wu等(2008)通过绿色荧光蛋白GFP技术将
Xa27定位于水稻叶鞘和根细胞的细胞膜和壁上。
xa5是一个隐性抗病基因(Blair等2003), Iyer和
Mc Couch (2004)发现其编码转录因子TFIIAγ, 比
较了抗病和感病水稻的TFIIAγ, 发现有2个核苷酸
替代从而导致缬氨酸变成谷氨酸, 认为这与抗病
性有关, 并且在其他抗病和感病品种中也存在, 说
明xa5基因型与抗病表型的相关性是保守的。
Jiang等(2006)通过蛋白3-D结构的预测, 发现xa5蛋
白39号位置上的缬氨酸转变为谷氨酸导致了其第
三螺旋区结构上的改变, 这种xa5和Xa5蛋白结构
上的细微变化引起了其功能的差异。之后, Iyer-
Pascuzzi等(2008)研究得出xa5介导的隐性抗病反
应抑制病原菌的转移而不是限制病原菌的增殖。
xa13在抗病和花粉发育中起重要作用, 其编
码具有307个氨基酸的膜蛋白, xa13与其显性等位
基因Xa13的改变仅由启动子处的突变引起。从感
病品种IR64中鉴定出的显性等位基因Xa13, 如果
抑制其表达, 在增强对菌株PX099抗性的同时, 同
时能引起水稻雄性不育(花粉败育), 降低结实率。
这说明Xa13基因不仅控制水稻的抗病性, 而且控
制着水稻的生殖生长(Chu等2006a; b)。而Yuan等
(2010)等的研究表明白叶枯病菌通过激活Xa13基
因的表达, 调控铜在水稻体内的重新分布侵害水
稻。Xa13蛋白和另外2个蛋白COPT1和COPT5在
细胞膜上共同作用, 将细胞外的铜运输进细胞内,
从而减少导管中的铜, 白叶枯病菌在导管中相对
容易繁殖并蔓延, 造成水稻病害。铜离子不仅是
植物中必不可少的微量元素, 还是杀虫剂的重要
成分之一, 能起到阻止Xoo入侵的作用。白叶枯病
菌能够分泌一种效应蛋白进入水稻细胞内, 该蛋
白与Xa13基因的启动子结合, 激活它表达。而为
了应对这类白叶枯病菌, 水稻中产生了启动子突
变的隐性抗病基因xa13, 它的表达不被白叶枯病菌
激活, 使水稻的导管内铜含量能够抑制白叶枯病
菌的生长, 从而使得水稻抗病。另外, Antony等
(2010)研究还发现xa13还是Os-8N3的隐性等位基
因, Os-8N3基因编码的蛋白根瘤素N3能够促进Xoo
入侵, 这从另外一方面说明了xa13与水稻白叶枯病
有着必然的联系。
Xa23是到目前为止最新克隆的白叶枯病抗性
基因, 王春连等(2006)通过多种途径寻找与Xa23紧
密连锁的分子标记, 并构建BAC文库和Shotgun文
库、进行相应测序和遗传转化, 最终成功克隆了
Xa23基因。BlastX分析表明, Xa23基因与已知的
其他已克隆的植物抗病基因都不同源, 说明Xa23
是一类新型的抗病基因。张小红等(2008)对Xa23
的转基因植株进行白叶枯抗性鉴定, T0代植株获得
白叶枯抗性, Xa23基因插入位点不同, 其抗病程度
有明显差异, 而且T0代植株的抗病程度, 可以准
虞玲锦等: 水稻抗白叶枯病基因及其应用研究进展 227
确、稳定地遗传到T1代和T2代。
3 水稻白叶枯病R基因与Avr基因之间的互作
植物R基因与病原菌无毒基因(Avr)产物间直
接或间接相互作用导致产生的“基因对基因”的抗
性是植物抗病性的重要形式。Avr是病原菌与植物
特定基因型不相容的遗传决定因子, 寄主植物在
漫长的进化过程中, 形成了利用Avr产物识别病原
菌的能力(王爱菊等2002), 已有多个avr基因被克
隆(White等2000)。水稻对白叶枯病的抗性同样是
水稻的抗病基因和水稻白叶枯病原菌的无毒基因
相互作用的结果。到目前为止, avrXa27与Xa27、
avrxa5与xa5的互作关系已经明确。当含有avrXa27
基因的病原菌侵染含有Xa27的水稻品种时, avrXa27
基因的编码产物诱导Xa27基因表达, 而在接种非
亲和白叶枯病菌小种后, Xa27在感病品种IR24中
不表达, 而在抗病品种IRBB27中表达, 因此Xa27对
非亲和病原菌的特异性与avrXa27 效应因子存在
的情况下Xa27 的表达差异有关(Tian和Yin 2009;
Gu等2009)。赵文祥等(2008)利用基因探针、
Southern杂交等技术从JXOIII菌株中获得了能与
xa5对应的无毒基因avrxa5, 将其导入PXO99A菌株
后, 可使PXO99A菌株在有xa5的水稻品种上由亲
和性互作转变为非亲和性互作, 成株期病斑长度
由12.3 cm下降为0.3 cm, 苗期注射接种后病症由水
浸症状转变为褐色反应, avrxa5基因还能够使PX-
O99A菌株在水稻组织中的生长数量显著下降。
Tao等(2009)在研究水稻抗Xoo的过程中发现了一
对编码有10个氨基酸差异的蛋白的等位基因Os-
WRKY45-1和OsWRKY45-2, OsWRKY45-1在此过程
中起消极调节作用, 而OsWRKY45-2则相反。可见,
植物病原菌的无毒基因产物可以直接或间接与宿
主相应抗病基因产物相互作用来调节宿主的抗病
反应。
Xoo无毒基因具有双重功能, 在含相应抗病基
因的品种上作为识别配体表现激发抗病功能, 而
在感病品种上作为生存适应因子表现毒性功能
(Collmer 1998)。到目前为止, 在Xoo中已被克隆的
avr基因有avrXa3 (Li等2004)、avrXa4 (徐文联等
1995)、avrxa5 (Iyer和Mc Couch 2004)、avrXa7
(Yang等2000)、avrXa10 (Young等1994)和avrXa27
(Gu等2005), 它们都属于avr/pth家族。avrXa3来源
于JXOIII, 是以PXO99A作为受体来进行克隆、鉴
定和命名的, 中间重复区的重复单元为8.5次。
avrXa4是徐文联等(1995)利用转座子标签法克隆
得到的, 重复单元的拷贝数目前尚不清楚。avrXa7、
avrXa10和avrxa5是Hopkins等(1992)以从辣椒斑点
病菌(Xanthomonas campestris pv. Vesicatoris)中克
隆得到的无毒基因avrBs3基因作探针从水稻白叶
枯病原菌Xoo中克隆得到的。avrXa7基因的中间
重复区有25.5个102 bp的重复单元, 是AvrBs3基因
家族中最大的一个; avrXa10的重复区有15.5次;
avrxa5重复单元的拷贝数目不清。Gu等(2005)通
过图位克隆的方法得到avrXa27, 其中间重复区的
重复单元为16.5次。
水稻与病原菌Xoo间的互作符合基因-基因关
系, 主要是植物通过识别PAMP的受体作为保护自
身的第一道屏障, 而Xoo的毒性变异则与毒性小种
中的avr/pth家族基因有关(纪志远等2009)。目前
基因对基因学说逐步发展为“防卫模型” (Biezen和
Jones 1998), 该模型推测在Avr和R之间有一个间接
的相互作用。当寄主植物中携有对应的R基因时,
avr/pth是无毒基因, 可激发特异的过敏反应(HR),
只有在R基因和avr基因同时存在的情况下才能发
生。Kang等(2005)发现R基因可能与8个发病机理
相似的avr基因相关联, 并且这些avr基因能编码合
成菌表多糖和胞外酶而使其具有高度灵敏的致病
性。例如avrXa7和avrXa10的重复区的重复单元数
目分别为25.5次和15.5次, 若它们的重复单元互换,
所识别的抗病基因Xa7和Xa10也发生相应的变化,
含有avrXa10重复单元的avrXa7可以识别Xa10, 含
有avrXa7重复单元的avrXa10可以识别Xa7 (Hop-
kins等1992; Zhu等1998; Shen和Ronald 2002)。随
着研究的深入, 发现植物抗病原细菌和真菌的R基
因, 其绝大多数R蛋白只是“抗病复合体”的一部分,
其主要功能是监控寄主的少数关键蛋白(如病原菌
效应蛋白致毒性靶蛋白)结构及其活性的改变, 启
动植物防御反应(Mackey等2003; Kmi等2005)。
4 抗白叶枯分子育种及其应用
抗病基因在鉴定、定位和克隆上取得的进展
促进了水稻抗白叶枯病分子育种研究, 目前主要
通过转基因方法和分子标记辅助选择方法进行抗
白叶枯病分子育种。由于Xa21对水稻白叶枯菌具
植物生理学报228
有广谱抗性, 并具有较强的转育效应, 而且主要栽
培品种均不带有该基因, 可以通过转基因(基因
枪、农杆菌介导等)的方法将Xa21转化到多个水稻
材料中(黄大年等1997; Mendes等2010; Gao等
2011)。如黄大年等(1997)以基因枪法转化‘中百4
号’和‘京引119’, 获得6个转基因株。经白叶枯病抗
性鉴定, 其中一个转基因植株‘京引119’-B抗病性
有明显改善, 其病斑长度与对照差异达显著水平。Gao
等(2011)用农杆菌介导的方法将Xa21转化到水稻
D62B中, 收获的T2代和D62A进行回交, 获得的后
代对白叶枯病抗性明显提高, 并能稳定遗传抗性。
Tanksley等(1989)早在1989年就提出了分子标
记辅助选择(marker-assisted selection, MAS), 其依
据分子标记与目标性状紧密连锁或共分离的关系,
利用分子标记对育种材料进行目标性状选择, 同
时也可对全基因组进行筛选, 以减少不利性状的
连锁, 从而获得具有期望目标性状的新材料。
在育种过程中, 分子标记辅助选择主要有两
方面的用途: 进行有利基因的转移和构建基因累
加系。其效率和成败主要受到两方面的影响, 一
是与目标性状紧密连锁的分子标记; 二是育种群
体中分子标记和目标基因的多态性。目前应用于
辅助选择的分子标记技术主要有SSR (simple se-
quence repeats)标记、SNP (single nocleotide poly-
morphism)标记、CAPs (cleaved amplified polymor-
phic sequences)标记、功能性标记、STS (sequence
tagged sire)标记和InDel (insertion/deletion)标记。
到目前为止, 用分子标记技术已经鉴定定位了28
个水稻白叶枯病的抗性基因, 如王春连等(2006)利
用SSR标记和RAPD标记将Xa23定位于水稻11号
染色体长臂上 , 并克隆了该基因。Korinsak等
(2009)用SSR标记对抗白叶枯病基因xa33(t)进行了
辅助选择。还可借助于与抗病基因紧密连锁的分
子标记进行标记辅助选择以构建不同白叶枯病抗
性基因的聚合系。Huang等(1997)用分子标记辅助
选择对Xa4、Xa5、Xa13和Xa21四个抗性基因进行
聚合, 聚合系的抗病性较单个抗病基因的材料有
了较大提高。还可将水稻白叶枯病抗性基因与其
他病害抗病基因进行聚合, 构建具有抗性水平更
好的育种材料。如Narayanan等(2002)通过抗稻瘟
病材料C101A51 (具Piz-5)和IR50 (感稻瘟病)杂交,
在BC4的F2代利用与Piz-5连锁标记进行选择, 获得
抗稻瘟病材料, 然后转入Xa21, 最后得到抗稻瘟病
和白叶枯病水稻。倪大虎等(2008)应用MAS, 将抗
稻瘟病的Pig(t)基因和抗白叶枯病的Xa21及xa23基
因聚合到同一株系中获得了4个三基因聚合且农
艺性状优良的株系L17、L18、L19、L20, 对两种
病害的抗性明显提升。
5 展望
虽然在抗白叶枯分子育种方面取得了明显进
展, 但新的致病菌株的不断出现和病原菌生理小
种的进化仍然威胁到现有抗性基因的有效性, 这
就要求在抗病基因的定位克隆的基础上, 深入解
析白叶枯病抗性基因与Xoo小种的识别及抗性反
应的信号传导机制。此外, 长期大规模的种植单
一抗源的水稻品种, 将使病原菌群体遗传结构发
生变化, 产生能侵染该抗源的新小种, 导致品种抗
病性丧失。在水稻抗白叶枯病分子育种上, 可以
轮换使用、混合使用和综合利用抗病基因, 将不
同的抗病基因聚合到同一品种中, 这是获得持久
抗性的途径之一。如邓其明等(2005)将Xa4、Xa21
和Xa23导入‘绵恢725’, 该累加系植株比单基因植
株和双基因累加系植株抗性更强、抗谱更宽。因
此, 利用水稻多个白叶枯病R基因转化获得抗性育
种材料对于增强抗病性及防止Xoo小种波动有重
要意义。
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