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水稻稻瘟病部分抗性基因的定位与克隆研究进展

来源:爱够旅游网
20lO.6 作物杂志Crops 水稻稻瘟病部分抗性基因的定位与克隆研究进展 杨一龙 程治军 李伟 马建 马进 王久林 雷财林 ( 中国农业科学院作物科学研究所,100081,北京; 广东海洋大学农学院,524088,广东湛江) 摘要水稻对稻瘟病的抗性一般分为完全抗 基因的基础上,发掘和利用部分抗性的抗源和部分 性和部分抗性。相对完全抗性而言,部分抗性属数 量性状,受抗性QTLs控制,具有抗扩展和减轻病害 的作用,呈现广谱持久抗病的特点。迄今已鉴定和 定位了300多个抗性QTLs位点,并克隆了2个主效 和3个微效QTLs。本文概述了水稻稻瘟病部分抗 性基因定位与基因克隆的研究进展,探讨了利用部 分抗性培育广谱或持久抗病品种的途径。 关键词 水稻;稻瘟病;部分抗性基因;基因定 位与克隆 稻瘟病是水稻最严重的病害之一,广泛分布于 世界各稻区 J。全球每年由稻瘟病引起的水稻产 量损失占11%一30%,足以供应6 000万人一年的 粮食需求。利用水稻抗病品种是最经济有效的稻瘟 病防治措施,但是抗病品种的大面积推广往往对稻 瘟病菌产生定向选择,使新的致病小种得以迅速繁 殖,从而引起推广品种短期内抗性丧失。 水稻对稻瘟病的抗性一般分为完全抗性(或称 质量抗性、垂直抗性)和部分抗性(或称数量抗性、 田间抗性)两种类型 。完全抗性能完全抵抗稻 瘟病菌的侵染和繁殖而表现高度抗性,一般受单个 主效基因控制,但这类抗性具有很强的小种特异性, 易随小种的变异而丧失抗性。部分抗性一般被视为 数量性状,它不能阻止稻瘟病菌侵染,但可以减少病 原菌在寄主体内的增殖,起到降低感病病斑数目 和病斑大小进而减轻病害的作用。绝大多数的部分 抗性受微效多基因或数量性状位点(quantitative trait locus,QTL)控制,多个微效抗性基因或QTLs的 协同作用,可使品种保持持续的田间抗病性,呈现出 广谱、持久抗病的特点。因此,在充分利用完全抗性 作者简介:杨一龙,硕士研究生,从事水稻抗病分子遗传研究 雷财林为通讯作者,研究员,主要从事水稻病害研究 基金项目:国家自然科学基金(30871606);国家支撑计划项目 (2006BAD13B01—3) 收稿日期:2010—06—25;修回日期:2010—09—17 10 抗性基因(或QTLs),对水稻抗病育种至关重要。本 文概述了国内外稻瘟病部分抗性基因定位与克隆研 究的进展,探讨了利用部分抗性培育持久抗稻瘟病 品种的途径。 l 早期的稻瘟病部分抗性遗传研究 自20世纪60年代以来,日本广泛开展了水稻 稻瘟病部分抗性(田间抗性)研究,发现了一批部分 抗性基因源,如陆稻品种Owarihatamochi J、Ch— ugoku 11]、Senshu和Kahei¨ 等,战捷衍生品种誉锦 和银河等 ,以及籼稻品种Modan和IR279等¨引。 清泽¨ 分析了誉锦、银河和农林22对稻瘟病株研 54_()4的部分抗性,发现它们都是由1对主效基因和 2~3对微效基因控制。筱田等、阿部H 发现陆稻 黑禾的部分抗性由3对以上基因控制,农林糯4号 的抗性受2对主效基因及3对以上的微效基因控 制。我国20世纪80年代中期以后才开展稻瘟病部 分抗性研究,Lin ll 和林宏博等【1副根据银河/蒙古稻 组合F:群体对叶瘟的田间抗性变异,估计控制感病 病斑数、病斑扩展速度和发病叶面积百分率(DLA) 分别由3对、6对和10对以上基因控制,包括抗侵 入和抗扩展两种类型。这些早期的研究表明,除了 个别品种的部分抗性受单基因(如P矿” 和Pbl[51) 控制外,几乎所有的部分抗性属数量遗传,受多基因 控制,部分微效基因之间存在加性或部分显性效应。 2稻瘟病部分抗性基因或QTLs的定位 随着分子标记技术的发展,以及Q rLs定位策略 和方法的日趋完善,水稻稻瘟病部分抗性的分子遗 传学研究取得很大进展,迄今已鉴定和定位300多 个稻瘟病部分抗性基因或QTLs【l7j,人们对稻瘟病 部分抗性的遗传本质有了更深入的认识。 2.1 部分抗性基因或QTLs定位的策略 稻瘟病部分抗性基因的定位主要采用QTL作 作物杂志Crops 2010.6 图策略。考虑到试验重复的需要,作图群体多采用 永久性群体,如重组自交系(RIL) 和双二倍体 (DH) 群体,也有一些利用高代自交或回交群 体 ,’’ j。很多高抗品种的抗性由少数几个表现完 全抗性的主效基因和表现部分抗性的多个微效基因 或QTLs共同作用,部分抗性易受主效抗性基因的 掩盖而难以被发现,要准确鉴定出部分抗性基因或 QTLs,在亲本和鉴别菌株的选择上需要考虑排除完 释5%~32%的表型变异;Loan等_2 鉴定出14个 控制病级和病斑面积的QTLs,其中位于第l0号染色 体的QBrl0贡献率达16.1%。这些研究显示,一些 部分抗性受很多个抗性QTLs共同控制,其中不乏 个别主效QTL。 Fukuoka等 利用Owarihatamochi×日本晴的 F4群体检测到4个控制病叶面积的QTLs,分别位于 4、9和12号染色体上,其中2个位于4号染色体的 QTLs对表型变异的贡献率高达45.7%和29.4%。 全抗性基因的干扰。目前,鉴定稻瘟病部分抗性基 因或QTLs所用的亲本一鉴别菌株组合大致分为两 类:(1)采用对一个亲本高抗,另一亲本感病的菌株 接种定位群体,利用其中的感病株系定位 QTL_2 ,该策略可以排除完全抗性的干扰,但存 在因为“有偏群体”(skewed population)导致QTL假 连锁的可能性_2 ;(2)利用对双亲均能侵染,但侵染 程度不同(一亲本表现高水平部分抗性,另一亲本 表现高感)的菌株接种定位群体 .8 I2 ,该策略可 以彻底排除完全抗性的影响,定位结果真实地反映 了部分抗性基因或QTLs的作用。至于QTLs定位 的统计遗传模型,目前主要采用复合区间作图 法 或多重区间作图法 ' ,以便于研究抗性 QTLs的上位性及其与环境的互作。 2.2部分抗性基因或QTLs的染色体定位 Wang等口 利用Moroberekan/C039 RIL群体, 在定位了2个完全抗性基因Pi5 和 7 基础上, 以其中感染菌株P06-6的131个株系为亚群体定位 了10个分别位于除第2、4、9、10号以外8条染色体上 控制病斑数目、病斑大小和病叶面积的QTLs,其中3 个QTLs位于主效基因Pi2 、Pi4 和刚J 的附 近。Prashanth等 利用Azucena/IR64 DH群体在 4个不同地点进行田问抗性鉴定,在2个地点鉴定 出25个抗叶瘟QTLs,在另2个地点各鉴定出1个 抗穗瘟的QTL。在25个控制叶瘟的QTLs中,17个 控制病叶面积,6个控制病斑数量,2个控制病斑大 小。部分QTLs在2个以上地点均能被检测出来,预 示这些QTLs具有稳定的抗性。Bagali等 利用同 样的群体,检测出了13个影响病斑面积的QTLs,其 中第12号染色体的qDLA一12—2贡献率高达27%。利 用Lemont/Teqing RIL群体,Tabien等 定位了9 个稻瘟病抗性QTLs,分别位于1、2、3、4、6、7、9和12 号染色体上,除了12号染色体的2个QTLs来自 Lemont外,其余的均来自Teqing。各QTLs分别解 利用回交群体确认贡献率最大的QTL为一个单隐 性抗性基因 。Miyamoto等 利用源自Koshi- hikafi×Kahei组合的234个F:单株和F 家系定位 了2个QTLs,它们均来自部分抗性亲本Kahei,位于 4号染色体,分别与品种Owarihatamochi的2个抗性 QTLs位点 邻近。其中1个为主效的QTL,对表型 变异的贡献率达62%。Sato等 利用Koshihikari× Norinl2组合的F 单株和F,家系,定位了两个来自 Norinl2的QTLs:qBFR3和qBFR11,分别位于3号 和11号染色体。其中,主效QTLqBFR11对表型变 异的贡献率达39.4%。这些研究显示,一些部分抗 性也可能受1—2个或少数几个主效基因或QTLs控 制。 一些部分抗性还表现为单基因遗传。Fujii 等 定位了来源于籼稻品种Modan的抗穗瘟基 因Pbl,该基因位于第11号染色体,后来被Hayashi 等 精细定位到26kb的区域。Zenbayashi等 J 利用Chubu32×Norin29组合的F,群体及 Chubu32×98G.98—5组合的F2一F5群体,定位了1 个源自高水平部分抗性品种Chubu32的主效抗性 基因Pi34,该基因位于11号染色体长臂54kb的区 域,与Pbl位点相邻。Nguyen等 利用粳稻品种 Hokkai 188×Danghang—Shali组合的F3群体进行抗 性QTL分析,把源自极端高水平部分抗性品种Hok. kai188的1个主效基因Pi35(t)定位于1号染色体 RM1216和RM1003之间3.5cM范围内,其贡献率 为69.4%。Terashima等 从食味品质优良的部分 抗性品种Chubul11×Mineashi组合的149个 家 系定位了1个主效抗性基因Pi39(t),该基因位于4 号染色体,与标记RM5473和RM3843共分离。 在部分抗性基因和生理小种的互作关系上,Ta— lukder等 利用Bala/Azucena RIL群体鉴定出18 个控制病斑大小、病斑长、病斑宽和病斑面积的 1 1 2010.6 作物杂志Crops QTLs,其中有8个QTLs对1个小种有效,7个QTLs 对2个小种有效,只有3个QTLs对所有3个小种有 效。Chen等 利用珍汕97B/明恢63 RIL群体鉴 定出l2个稻瘟病抗性QTLs,其中有2个QTLs对3 属转运/去毒结构域,该蛋白的失活形式使水稻具有 了持久的田间抗病性。与2个小麦抗病QTLs L34 和 6,一样,pi21对病原菌的抗性无小种特异性, 并且缓慢诱导抗性反应,其部分抗性不会对病原菌 群体产生过大的选择压力,因而表现出稳定持久的 特点。Pbl基因是从部分抗性籼稻品种Modan中克 个小种有效,其余l0个分别对1~2个小种有效。 这些研究显示,一些抗性QTLs具有明显的小种特 异性。Wu等 利用Vandana/Moroberekan回交高 代群体检测到6个候选防卫基因与稻瘟病部分抗性 存在显著关联,它们分别解释9.6%~29.4%的表 隆了一个主效抗穗瘟基因,它编码一个典型的CC— NBS.LRR类抗病蛋白,包含1296个氨基酸。与 Lr34相似,它在成株期抗性最强,在不同生育期其 型变异;Ramalingam等 ¨发现醛醣还原酶、草酸氧 化酶和过氧化物酶基因与抗性QTLs存在显著关 联。Liu等 从持久抗病品种SHZ一2(三黄占2号) 中鉴定出了3个主效抗性基因外,还鉴定出5个控 制部分抗性的QTLs,它们均为植物防卫反应相关基 因,分别是草酸氧化酶(oxalate oxidase)、盐胁迫诱 导蛋白(dehydrin)、病程相关蛋白(PR.1)、几丁质酶 (chitinase)和离子通道调节蛋白(14—3—3 protein)。 其中,1个QTL对应于8号染色体的一个包含 120sGLP(草酸氧化酶类基因)的基因簇,它参与了 SHZ.2的基础抗性,对稻瘟病菌和纹枯病病菌以及 稻瘟病菌不同小种均表现广谱抗性,因而呈现出病 原菌和小种非特异性的特征 。Hu等 从明恢 63中克隆出3个分别对应于防卫反应相关基因 OsWRKY13、OsDR8和OsMPK6的微效QTLs,并通 过基因功能分析确认,提高这些表达水平可以增强 稻瘟病和白叶枯病抗性,为一些抗性QTLs具有病 原菌和小种非专化性提供了直接的证据。 3部分抗性基因或QTLs的克隆 3.1 部分抗性基因或QTLs的图位克隆 图位克隆一般适合于一些贡献率较大的主效抗 性QTLs。通常的做法是,首先对利用分离群体定位 的QTL区间(一般l0~30cM)进行进一步的精细定 位,然后通过构建次级分离群体(如近等基因系和 染色体片段置换系等),将目标QTL分解为单个的 主效基因,而后再利用染色体步移和图位克隆策略 分离到目标基因。利用该策略,目前已成功地克隆 到4个植物部分抗性主效QTLs,即小麦中 的Lr34[。 、Yr36[35 3和水稻中的pi21[36i和Pbl i29]。 pi21基因来源于日本著名的田间抗性陆稻品种 Owarihatamochi,是迄今克隆的惟一一个隐性抗稻瘟 病基因。me1编码蛋白N端为富含脯氨酸的重金 】2 抗性的强弱与基因表达水平的高低有关。 3.2部分抗性基因或QTLs的候选基因克隆 对于微效抗性QTLs而言,由于其贡献率通常 低于10%,通过构建次级群体很难分离单个基因。 基于不少防卫反应基因与抗性QTLs共座位特点, Hu等 制定了一套适合水稻微效抗性QTLs分离 的候选基因策略,该策略包括4个步骤:(1)通过差 异表达分析发现受病原菌诱导的防卫反应基因; (2)将这些基因定位在分子连锁图谱上,通过生物 信息学分析确定与已知抗性QTLs相对应区域的防 卫基因;(3)对与QTLs共座位的基因进行表达谱分 析,鉴定表达受不同病原菌影响的防卫基因;(4)通 过互补分析验证这些基因的抗病功能。 利用上述策略,Hu等 纠成功地分离到3个稻 瘟病微效抗性QTLs,即OsWRKYJ 3、OsDR8和 OsMPK6。OsWRKY13基因位于1号染色体一个稻 瘟病抗性QTL区间,可解释对稻瘟病菌株F1814 3.3%的表型变异。它编码WRKY类转录因子,通 过激活依赖水杨酸和茉莉酸的途径来增强抗病性。 在感病水稻中过表达该基因,可以将稻瘟病病级由 4~5级提高到0—3级,稻白叶枯病斑面积由62% 降到24%~49%。OsDR8基因位于7号染色体一个 稻瘟病抗性QTL区间,可解释对稻瘟病菌株F1366 2.1%的表型变异。它编码硫胺素合成途径中的一 个酶样蛋白(enzyme—like protein),其表达受不同稻 瘟病和稻白叶枯菌株的诱导。该基因被抑制后,其 对白叶枯病和稻瘟病抗性降低,但外施硫胺素后可 以恢复抗病性,说明该基因通过积累硫胺索而产生 抗病性。OsMPK6基因位于10号染色体一个稻瘟 病微效抗性QTL区间,可解释对稻瘟病菌株F1366 4.2%的表型变异。它编码有丝分裂活化蛋白激酶, 参与病原菌诱导的防卫反应调节,其表达受水稻一 病原菌互作诱导。抑制或敲除OsMPK6基因,能增 作物杂志Crops 2010.6 强水稻对不同白叶枯病菌株的抗性,将病斑面积由 71%降为5%~37%。通过表达该基因可以增强对 稻瘟病的抗性。 4部分抗性基因和QTLs的遗传本质 水稻稻瘟病部分抗性的遗传非常复杂。近10 年来,随着大量部分抗性基因或QTLs被鉴定、定 位,甚至克隆,人们对稻瘟病部分抗性遗传的本质有 了新的认识:(1)一些持久抗性水稻品种(如Morob— erekan、三黄占2号和谷梅2号等),往往是多个完 全抗性基因与多个部分抗性QTLs的复合体 , 存在着抗入侵和抗扩展两种机制;(2)除了遗传上 受多基因作用外,也有不少部分抗性受单个主效基 因( ̄HPif、Pbl、Pi34、Pi35(t)和Pi39(t)等),或者 个别主效基因(如pi21等)与少数几个微效基因共 同控制 ;(3)一些部分抗性存在着小种特异 性,它们可能代表着一类在功能上衰减的主效抗性 基因 ;也有一些抗性QTLs表现明显的小种 非专化性,它们主要是一些与水稻稻瘟病基础抗性 相关的防卫基因或病程相关蛋白(如OsGLP 等) , , 。 。 5利用部分抗性培育持久抗稻瘟病品种的 途径 大量的部分抗性基因或QTLs的精细定位,以及 pi21、Pbl、OsWRKY13、OsDR8和OsMPK6的克隆, 为揭示水稻稻瘟病部分抗性的分子机理,以及在育 种上有效利用部分抗性基因或QTLs奠定了基础。 抗叶瘟隐性基因pi21和抗穗瘟显性基因Pbl均 为高水平的部分抗性基因,携带 的抗源品种 Owarihatamochi在日本应用8O多年来一直保持高水 平的部分抗性_3 ,携带Pbl的部分抗性品种也已在 日本连续推广应用15年以上仍未丧失抗性 J。在 育种上,pi21可通过RNAi抑制显性基因的表达加 以利用,Pbl基因则可通过分子标记辅助选择 (MAS)或转基因手段直接利用。另外,一些遗传简 单的高水平部分抗性基因Pi34、Pi35和Pi39等也已 被精细定位,通过分子育种手段将这些基因快速导 入到推广品种中,将大大加速广谱持久抗病新品种 培育的进程。另外,通过基因累加手段实现多个部 分抗性基因或QTLs,特别是那些小种非专化抗性基 因或QTLs的聚合,势必可以创造更广谱持久的抗 性。在此基础上,如进一步聚合一些广谱完全抗性 基因( ̄HPi9、 、刚、 D(t)和%m等),则有望 培育出既有高度抗性和广泛抗谱,又能稳定持续抗 病的水稻新品种。总之,随着越来越多的高水平的 部分抗性基因和高水平的完全抗性基因被精细定位 和克隆,借助先进的分子聚合育种手段,有理由相信 选育真正意义上的广谱、持久抗稻瘟病新品种终将 由设想转变为现实,从而根治水稻稻瘟病。 参考文献 [1]Ou s.Rice diseases(2nd edition).The Cambridge News Ltd,Cam- bridge,U.K.,1985. 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Key words Rice;Rice blast;Partial resistance gene;Gene locating and cloning 14 

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