水稻稻瘟病抗病基因研究进展

2019年第2期27

水稻稻瘟病抗病基因研究进展

江一博，葛馨木，浦彻，黄巧丽，林雪松

(浙江省奉化中学315000)

1前言

水稻，作为我国长江流域种植历史最悠久的粮 食作物，在其生长过程中，常常会因病虫害问题而 减产。其中最主要的三大病害分别是稻瘟病、纹枯 病和稻白叶枯病。稻瘟病是由稻瘟病真菌引起的，是该作物最严重的病害之一。它的严重性可从以下 3个方面来看。首先，其地理分布广泛，稻瘟病在 世界所有水稻种植区都有发生；其次，本病以叶 部、节部发生为多，发生后可造成不同程度减产，尤其穗颈瘟或节瘟发生早而重，可造成白穗以致绝 产；最后，控制稻瘟病要用到大量的杀菌剂，这样 一方面在水稻生产中产生额外的成本，另一方面会 对环境造成污染，同时长期使用会产生抗药性。据 农业部2014年统计我国水稻区稻瘟病发生58000km2，我国从1980年到1990年，用杀菌剂处理 防稻瘟病面积从24000km2增加到8900(_)km2。使用农 药在一定程度下可以减轻病虫害，但是会造成环境 污染，长期使用会使病虫的抗药性增强，降低农药 的效果。同时农药的残留会通过食物链逐级积累和 浓缩，污染地球上的所有生物，严重危害人类健康。因此，尽管存在有效的杀菌剂，从长远的利益出发，选育抗稻瘟病新品种是防除该病的最好途径。

2 水稻稻癌•病的分类及发病症状

水稻上由各种真菌、细菌、病毒或线虫引起的 多达70种不同疾病。其中，稻瘟病是真菌引起的最 具危害性的病害，病菌小种变异快，广泛分布于稻 田，造成引起该病防治困难。稻瘟病在整个水稻生 育期都会发生，根据受害时期和部位的不同，可分 为苗瘟、叶瘟、节瘟、穗颈瘟和谷粒瘟等，其中以穗颈瘟对产量影响最大。苗瘟发生于三叶前，由种 子带菌所致，病苗基部灰黑，上部变褐，卷缩而 死，湿度较大时病部产生大量灰黑色霉层，即病原 菌分生孢子梗和分生孢子；叶瘟在整个生育期都能 发生。分蘖至拔节期为害较重。秧苗发病后变成黄 褐色而枯死，不形成明显病斑，潮湿时，可长出青 灰色霉；稻瘟病在我国南、北方稻区都有不同程度 发生，流行年份一般减产10%~20%，严重的减产达 40%~50%，在水稻秧苗期和分蘖期发病，可使叶片 大量枯死，严重时全田呈火烧状，有些稻株虽不枯 死，但抽出的新叶不易伸长，植株萎缩不抽穗或抽 出短小的穗，孕穗抽穗期发病、节瘟、穗颈瘟严重 发生，可造成大量白穗或半白穗，损失极大。

3抗病育种方法的发展趋势

传统的育种方法为发挥杂种优势，将两个或多 个性状互补遗传上具有差异的水稻品种进行杂交，在子代中连续选择出符合育种要求的品系，或将有 明显优势的第一代杂交品种直接用于种植。这种方 法在过去的几十年里，显著地增加了水稻的产量。但是，此育种方式育种周期较长，水稻的品质受微 效多基因、水肥条件和气候环境以及基因的作用机 制等因素的影响。因此，水稻的育种途径将从常规 的杂交育种转向分子设计育种，用基因编辑技术, 转基因技术育种，分子标记辅助育种，可以极大地 缩短育种周期，目的性更强，而且可以不受环境的 影响。利用基因编辑技术，体细胞杂交等方法，将 不同的抗病基因转人遗传背景较好的水稻材料中，可以得到更持久，更高抗性水平和抗谱更宽的新种 质。

_宁波市科技新苗计划资助，宁波市重大科技项目（2016C11017)资助。

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4 水稻抗稻瘟病基因研究进展

随着水稻的基因组序列完成测序工作，稻瘟病 加强了其作为单子叶植物病原体相互作用的模型地 位。尽管关于水稻抗稻瘟病的遗传研究历史相对较 长，但具有持久抗性的品种例子很少，而且在培育 新近释放的品种后不久抗性就会崩溃，这种现象部 分地归因于病原体对毒力的进化。回顾抗稻瘟病育 种，一些品种在几年后表现出抗性衰退，而其他品 种在其他地理区域变得敏感。这个问题的出现是由 于真菌的致病性变异引起的，过去这个领域的工作 者一直低估了这个因素。缺乏持久抗病品种不仅是 由于病原体向毒力进化，而且由于我们对抗病机制 的认识有限。在此后的20年中，已经描述了 一些稻 瘟抗性基因的分子功能，绘制了抗瘟性的多个数量 性状位点（QTL)。M

常规育种通常受到连锁阻力的影响，与抗性基 因紧密连锁的不良性状也被转移。水稻不同种质资 源的抗病性分析表明，稻瘟病抗性基因具有完全抗 逆性。然而，由于其稻瘟病抗性基因位点具有种族 特异性，抗性可能会被破坏。伴随分子标记的发展 和功能基因组学的进步，水稻抗稻瘟病遗传学得到 了加强。抗稻瘟病种质资源是水稻育种工作的重要 遗传资源，通过抗稻瘟病育种可以提高水稻品种的 抗病性。在抗病品种中，大部分稻瘟病抗性基因与 点突变和序列插入缺失位点保守。因此，借助于基 因组工具鉴定这些稻瘟病抗性基因/等位基因将有 助于利用遗传和基因组资源进行现代植物育种

迄今为止，在水稻中检测到大约100个定量的稻瘟 病抗性基因，并已成功克隆和鉴定了大约22个稻瘟 病抗性基因151。标记辅助选择（MAS)和传统育 种共同促进了稻瘟病抗性基因在优良水稻品种中的 组合，以提高其抗稻瘟病性和耐用性。

经常规遗传分析鉴定的抗性供体被指定为P U、Pi2 (t). Pi3 (t), Pi4 (t). Pi5 (t). Pi6 (t). Pi7 (t), Pi9 (t)、PUO (t)、P ill (t)、Pia、Pib、Pik、Pit、P k、Pita—2、Pil2 (t)、Pil7 (t)、Pil8 (t)、Pil9 (t)、Pi20 (t)« Pi23 (t)、Pi62 (t)、Pii、P il5、Pi21、Pi25s Pi27^ Pi 24, Pi26, Pi28 (t) ,Pi29 (t), Pi30 (t)s Pi31 Pi32 (t),Pi33^ Pishs Pi35, Pi36、R37、Pi_3S、K39 (t)和K40 (t)。在 100个 抗稻瘟病基因中，由印度绘制了3个抗稻瘟病基因，即W-姑（W54)、Pi中㈨和K42 (t最近的研究表明) Pi9和H50属于同一个基因位点或区间。

9个抗病基因，f t'b，Pita、f t'z-5、ftz-1、R k h、Pi37、ft9、P】d2和Pi36已被克隆。第11号染 色体含有鉴定的抗稻瘟病基因的数目最多，其次是 第12号染色体。染色体3和7包含抗瘟基因的最小数 目，目卩1%I'在6号染色体短臂上，鉴定出9个抗 稻瘟病基因（Pi26、K g m㈦、Pi9、Pi2 ㈨、W z—t、Pi40⑴、R2-2和f t'50⑴）。多项研究证明，来自6 号染色体Pi2/9位点的R基因已广泛用于育种计划Pi2,K z-t和K9已经被克隆。广谱抗性基因 W8、P/!3 (了)和ftgm(T')也在第6号染色体上。在 品种AS20-1的第3染色体上的还鉴定出新的抗稻瘟 病基因，如191和Pi66的（隐性基因）|K)1。

稻瘟病菌生理小种多，变异性大，在生产上广 泛应用3~5年后，抗病品种可能失去抗性。基因聚 合是实现水稻抗稻瘟病持久抗性的最有效策略之 一，并已成功地用于积累各种抗稻瘟病基因，如Pi」、H5、Piz—5

c i (t)]、P i-b、P i-ta2; ft'J、Pi2、Piz-5 和Pi54。在广占63S(GZ63S)ln|中聚合了对抗白叶枯病 的Xa23基因和抗稻瘟病基因Pi9。同样，Xa2J、XaJ3和Pi54在印度水稻品种M中被聚合了。

目前，人们已采用多种方法将感兴趣的基因转 移到植物细胞中，如农杆菌转化。农杆菌介导的转 化保证了基因组的稳定整合。水稻几丁质酶基因 (水稻I类几丁质酶基因，Cht-2或Cht-3)的表达 提高了水稻对稻瘟病菌的抗性。据报道，通过巨型 曲霉抗真菌蛋白的表达可以增强对稻瘟病的抗性。所开发的转基因植株表现出稳定的整合和转基因的 遗传。在另一项研究中，报道了通过基因转移技术 开发抗真菌感染的改良巴斯马蒂水稻。通过农杆菌 介导转化引人的R C C2基因（用于稻瘟病菌抗性基 因），无论在实验室还是在田间条件下，巴斯马蒂 水稻具有显著的抗病水平。转基因水稻中钙依赖性 蛋白激酶（OsCPK4)的过度表达对稻瘟病具有抗 性m。具有来自稻瘟病菌的两个诱导基因丨MoHrip1和MoHrip2丨的转基因水稻植株表现出更 高的抗稻瘟病性和更高的抗旱性|M1。

水稻稻瘟病发病机制复杂，有存在病原体对毒 力的进化，故稻瘟病长期存在。为提高粮食产量，减少经济损失，需要发掘更多的抗稻瘟病基因，筛