浙江师范大学生命科学学院，浙江 金华

收稿日期：2024年3月5日；录用日期：2024年4月5日；发布日期：2024年4月15日

摘要

白叶枯病(Bacterial blight, BB)是影响水稻产量最严重的细菌病害之一。传统的化学防治方法效果往往不理想，选育和利用抗病品种是最经济、最有效、最环保的方法，而抗病基因的发掘及其功能研究是进行抗病育种的重要基础。到目前为止，已有48个水稻白叶枯病抗性基因被国际注册或期刊报道，其中17个基因已成功克隆和鉴定。本文对水稻白叶枯病抗性基因的研究和育种应用进展进行了综述。

关键词

水稻白叶枯病，基因定位，基因克隆，抗病育种

Research Progress on Rice Bacterial Blight Resistance Genes

Dan Wang

School of Life Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua Zhejiang

Received: Mar. 5^th, 2024; accepted: Apr. 5^th, 2024; published: Apr. 15^th, 2024

ABSTRACT

Bacterial blight (BB) is one of the most serious bacterial diseases affecting rice yield. Traditional chemical control methods often have unsatisfactory effects. Breeding and utilizing disease-resistant varieties is the most economical, effective, and environmentally friendly method. The discovery of disease-resistant genes and their functional research are an important basis for disease-resistant breeding. So far, 48 rice bacterial blight resistance genes have been registered or reported in international journals, 17 of which have been successfully cloned and identified. This article reviews the progress in research and breeding applications of rice bacterial blight resistance genes.

Keywords:Rice Bacterial Blight, Gene Mapping, Gene Cloning, Disease Resistance Breeding

Copyright © 2024 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

水稻作为与人类息息相关的粮食作物，关系到中国和世界上许多人的粮食需求。相关数据显示，水稻年产量约占中国粮食总产量的43%，是我国重要的粮食作物之一。因此，水稻的稳产增产是保障粮食安全的重要措施。然而，在水稻的生长过程中，不可避免地会发生许多病害。这些病害的发生一方面严重降低了水稻的产量和品质，另一方面也制约了社会经济的发展。水稻白叶枯病(bacterial blight, BB)是由革兰氏阴性黄单孢菌水稻变种(Xoo)所引起，在世界广泛流行的细菌病害 [1] [2] ，严重阻碍水稻正常生长和生产，它与稻瘟病、纹枯病一起被称为水稻的“三大病害”。水稻BB虽然是一种细菌性病害，不同于真菌孢子或稻飞虱等害虫通过大气环流远程传播的方式，但其可以通过风、雨或病稻品种传播到其他国家。自1884年在日本首次发现以来，该疾病已蔓延至东亚和东南亚等主要稻米生产国，现在除亚洲外，还不同程度地出现在非洲、美洲、南欧和澳大利亚 [3] 。相关研究表明，白叶枯病的侵染可造成20%~30%的减产率，严重时可达50%，甚至颗粒无收。由于成本高和对环境的不利影响，化学防治该病的方法并未被广泛接受。在过去的一个世纪里，来自世界各地的科学家对水稻白叶枯病的防治做了大量的研究。然而，生物防治和化学防治的效果都不理想。一系列的育种实践也表明，在众多的防病手段中，抗病水稻品种的培育和推广种植是最经济、有效、而又绿色环保的措施，而抗病育种成功的核心是抗病基因的挖掘。

2. 水稻白叶枯病抗性基因的定位

水稻作为禾本科植物中最小的物种，已经完成了全基因组测序，这为水稻抗BB基因的定位提供了极大的便利 [4] 。至今，经过国际注册与验证，并在各种学术期刊上广泛报道的水稻抗BB基因数量已超过48个，其中显性基因31个，隐性基因分别为17个。根据目前已定位的基因位置，除水稻第9、10号染色体外，其余10条染色体上均有不同数量的抗BB基因分布。抗病基因在水稻基因组中的分布呈现出一定的规律性和聚集性。其中，11号染色体成为抗病基因的主要聚集区间，几乎占据了近三分之一的抗BB基因数量。同时，4号和6号染色体上的抗病基因分布也相对较多，这些现象均表明水稻的抗病基因在染色体上呈现出一定的聚集特性。这种抗病基因的染色体分布模式也为我们的研究提供了重要的线索，通过对这些染色体区域的深入研究，我们可以更精准地定位抗病基因。

3. 水稻白叶枯病抗性基因的克隆

在已报道的抗白叶枯病基因中，有18个基因已被克隆，包括Xal、Xa2、Xa3/Xa26、Xa4、xa5、Xa7、Xa10、xal3、Xa14、Xa21、Xa23、xa25、Xa27、Xa31(t)、xa41、Xa45、Xa47(t) (表1)。接下来，将详细介绍水稻抗白叶枯病基因的克隆和功能。

表1. 克隆的水稻抗白叶枯病基因

Xa1基因是首次报道的NLR型抗白叶枯病基因，由四个外显子和三个内含子构成，其中一个内含子并未参与编码序列的形成。其编码的蛋白质是由1802个氨基酸构成，该蛋白质具有典型的结构。其氨基末端含有NBS结构域，而羧基末端则携带着LRR功能区，因此，它属于典型的NBS-LRR型抗BB蛋白 [30] 。

Yoshimura等人 [30] 通过DNA杂交和重组将该基因定位在YAC克隆中，然后用图位克隆法将其分离。Xa1是通过cDNA克隆的，与Xa21的策略不同 [15] 。Xa1对日本Ⅰ型BB生理小种表现高度抗性，具有特异抗性。Xa1基因在表达模式上与其他许多抗性基因存在显著差异。它并非始终保持恒定水平的结构性表达，当水稻遭遇病原菌感染或受到创伤时，Xa1基因会被激活并表达。最近，科学家们相继成功克隆了Xa2、Xa14、Xa31和Xa45这四个基因。这四个基因与先前发现的Xa1基因具有等位关系，这些基因同样编码NLR蛋白 [28] [31] 。

Xa3定位于IRBB13，Xa26基因定位于水稻品种明恢63。科研人员利用DNA指纹分析技术、精细定位、并结合候选基因的序列分析，最终发现这两个基因其实是同一基因，随后将其更名为Xa3/Xa26 [8] [32] [33] 。这个基因由两个外显子和一个内含子组成，这些遗传元件协同工作，共同编码出一个由1103个氨基酸构成的LRR受体蛋白激酶。与Xa21基因所编码的激酶归属于同一类别。在88至771位的氨基酸中，编码了26个不完全亮氨酸重复序列(LLRs)，这些序列在进化过程中是高度保守的，它的核心作用是鉴别特定的病原微生物，并通过信号传导来激发其对抗疾病的能力 [20] 。该基因集中排列在11号染色体上，具有很高的保守性 [34] 。Xa3/Xa26是低水平的结构性表达，只在维管束和周围细胞中特异表达 [35] 。病原体感染对Xa3/Xa26的转录表达强度无明显影响 [7] 。Xa3/Xa26基因的抗性表现并非一成不变，而是会随着水稻生育期的不同而发生变化。深入研究发现，造成这种抗性差异的原因在于Xa3/Xa26基因的剂量效应。经过深入探究发现，Xa3基因的抗谱宽窄和抗性强度在不同的遗传背景下呈现出显著的差异。Xa3基因在某些遗传背景下甚至出现了隐性转化现象。这种在遗传背景上呈现出的复杂性和多样性，导致了Xa3基因在命名上的多样化。在籼稻和粳稻中，Xa3/Xa26的抗性不同，但总体上，粳稻中Xa3/Xa26的抗性强于籼稻 [35] 。Xa3/Xa26基因家族反映了水稻抗白叶枯病基因与病原菌的竞争和协同进化 [35] 。

抗病基因Xa4广泛应用于我国和其他亚洲国家的育种中 [36] 。Xa4主要抗性菲律宾小种1、5、7和8，对中国的7个BB小种也有较强的抗性 [37] 。Lee等人研究发现，Xa4位于水稻11号染色体长臂末端的M3H8亚克隆上，RM224和RM114的标记范围内 [38] 。Sun等 [10] 通过重组试验和序列分析，将Xa4基因精确定位在47 kb内，并成功克隆。Xa4基因负责编码一种壁相关蛋白，称为WAK蛋白。该蛋白质由707个氨基酸组合而成 [39] 。Xa4编码的细胞WAK可以加速细胞纤维素的合成，从而抑制细胞壁孔洞，增强植物细胞壁。坚固的细胞壁为植物筑起了一道天然屏障，使得病原菌难以突破细胞壁这道防线。此外，Xa4还可以在不影响粮食作物产量的情况下实现株高的极佳改善。通过降低植株高度，提高植株机械强度，使水稻植株在遭遇恶劣的自然条件时，能够更加坚韧不拔，提高了水稻的抗倒伏能力，有利于实际生产利用。得益于多个关键农艺性状的同步优化，Xa4已经在全球水稻育种项目中得到了广泛的应用 [39] 。

xa5这一抗病基因源自于三个孟加拉的水稻品种，它们分别是DV85、DV86和DZ78，抗生理小种PXO61及PXO86。最初由Iyer等将其定位到5号染色体上 [12] 。以近等基因系IRBB5和IR24为亲本，Blair等人 [40] 成功地将其定位在SNPs标记RS7和SSR标记RM611之间。这一区域位于水稻5号染色体短臂末端，遗传距离为0.5 cm，物理距离为70 kb。Iyer等 [12] ，通过突变分析确定了xa5的候选基因，并成功克隆了xa5基因，与上述克隆基因的功能互补验证不同。章琦等 [13] 继续完成了xa5候选基因的功能互补测试，进一步证实了之前的结果。xa5基因是一个在水稻全生育期中持续发挥作用的抗病基因，它表现出不完全隐性的特性。xa5与其相对应的等位显性基因Xa5，均具有结构性表达的特点 [13] 。xa5对菲律宾的1、2、3和5号小种具有抗性 [41] 。xa5可以抑制Xoo入侵水稻的转移，从而抵抗水稻的BB [42] 。xa5具有典型的抗病基因结构，编码产物的第39位氨基酸为谷氨酸。如果xa5编码序列在这里发生突变，其表达产物就不能与无毒效应物相互作用，水稻也会失去其抗病功能 [13] 。

Xa7基因的研究可追溯至上个世纪70年代，并持续成为科研领域的热门话题。其源自孟加拉国的水稻品种DV85 [43] 。Xa7以其独特的显性特性脱颖而出，其对白叶枯病菌展现出了高效、广泛且持久的抗性，为水稻的健康生长提供了有力保障。最初，Kaji和Ogawa等将Xa7定位于水稻6号染色体长臂上107.5 cm处 [44] 。随后，Porter等 [45] 将Xa7定位在分子标记M1和M3之间，遗传距离为2.7 cm。此外还成功选育出了携带Xa7基因的镇恢084品种。经过严谨的鉴定，证实Xa7基因在整个生育期内对多个菲律宾白叶枯病菌生理小种均展现出了稳定的抗性，在水稻抗白叶枯病的研究中具有非凡的意义 [45] 。Chen等 [46] 通过构建IR24 × IRBB7的F₂群体，将Xa7基因定位于6号染色体上118.5 kb的区间内。Chen等 [14] 通过辐射诱变镇恢084，5年来从2万多个突变株系中筛选出9个对BB高度感病的品系。1个突变系Xa7基因发生染色体缺失，高通量测序确定107 kb片段的缺失。通过比较基因定位区和染色体缺失区的重叠区域，进一步将Xa7定位在28 kb区域。通过对水稻转基因功能的大量验证，Xa7最终被成功克隆 [14] 。

研究表明，AvrXa7和PthXo3为Xoo的两个重要TALEs，其在Xa7启动子效应结合元件(EBE)中存在重叠区域。PXO86 (AvrXa7)和PXO61 (PthXo3)可以同时诱导Xa7。AvrXa7和PthXo3均可触发Xa7的表达，使得含有该基因的水稻材料具有广谱特性 [14] 。研究发现，经过10多年的田间种植，Xa7基因的抗性可以保持10年以上 [47] 。相关研究表明，相比Xa4和Xa10等基因，Xa7对BB的抗性更强、更持久 [48] 。总的来说，高温有利于细菌的生长和感染的促进。然而，在高温胁迫的环境条件下，与Xa3、Xa4、Xa5和Xa10等基因相比，抗病基因Xa7介导的抗性途径能更有效地限制白叶枯病菌的生长和繁殖 [49] 。其他研究表明，Xa7是由Xoo的分泌效应物(TALES) AvrXa7诱导产生防御反应，以防止水稻白叶枯病菌的入侵。这种诱导在高温下更快、更强，Xa7更具抗性。

Xa10首先在水稻Cas209中被发现，其对水稻BB具有小种特异性抗性 [50] 。最初定位于水稻11号染色体的长臂上，位于标记M491和M419之间的0.28 cm处，与标记S723和M604共分离 [51] 。AvrXa10与Xa10的启动子部位相结合，从而特定地触发了Xa10的转录活动。Xa10编码的蛋白主要分布在内质网膜之上。

它通过影响内质网和细胞内钙离子的平衡而引起宿主细胞的超敏反应，导致细胞死亡，从而限制病原体的继续繁殖和感染，从而产生对BB的抗性。在水稻、烟草细胞中，Xa10的表达导致细胞程序性死亡。据推测，Xa10处于可被诱导触发细胞程序性死亡的信号通路的末端，这是通过维持内质网和钙离子动态平衡的保守系统实现的。在IR24 × IRBB10的F₂群体中，发现Xa10介导的对PXO99A的抗性不符合孟德尔遗传规律，即抗感分离比不是3:1 [51] 。Xa10的近等基因系IRBB10A是在IR24的遗传背景下育成的。生理小种PXO99A可诱导其表达，而未接种或接种不含avrXa10的PXO99A均不能诱导其表达，说明AvrXa10能特异性识别EBEAvrXa10并启动Xa10表达。

xa13被定位于8号染色体的长臂上，遗传距离小于0.4 cm [16] 。随后，通过精细定位和候选目的基因分析，成功克隆了xa13。xa13是一个隐性抗病基因，特异性抗PXO99。xa13基因由五个外显子构成，这些外显子共同编码一个由307个氨基酸组成的甜蛋白，这种蛋白质定位于质膜之上 [51] 。xa13与其显性等位基因Xa13在启动子区域存在着明显的差异，这种差异导致了它们编码的蛋白质有所不同 [52] 。xa13的表达几乎不受病原菌和伤害的诱导，但其显性等位基因Xa13能被PXO99强烈诱导，特殊的是机械伤害却不能诱导Xa13的表达。人们认为，自然选择导致的诱导转录能力的丧失使xa13具有抗病性，这一点不同于其它抗病基因 [53] 。Xa13是xa13的显性对应基因，具有易感特性。它与xa13在编码区的大部分序列上保持一致，两者之间的关键差异在于启动子区域。Xa13的启动子区域存在18个碱基的突变。启动子顺式作用元件发生突变，导致病原菌分泌的PthXo1不能与启动子结合。PthXo1不能与xa13基因启动子结合，因此不能诱导xa13基因的表达。铜不仅是植物体内重要的微量元素，它还能抑制BB的生长，是一些农药的重要成分。BB菌株中的PXO99相较其它菌株对铜更敏感，这也是xa13对PXO99具有特异性抗性的原因。因此，植物寄主细胞可以通过维持维管束中铜离子浓度的平衡来抑制PXO99A的生长，从而使植物产生抗性。在水稻中含有Xa13的情况下，铜转运蛋白能够与Xa13的编码产物结合，从而去除抑制Xoo致病功能的铜离子，导致水稻出现感病表型 [54] [55] 。

Xa21是通过图位克隆获得的第一个抗性基因，最初在西非长药野生稻中发现，对菲律宾的BB生理小种1-6表现出优异的抗性 [56] 。随后通过杂交将其导入感病籼稻品种，发现其广谱抗性由一对显性基因控制。后续成功地培育出以IR24为受体并带有Xa21基因的近等基因系IRBB21，并在水稻的遗传育种领域获得了广大的应用。Ronald等 [57] 首先对IRBB21进行RFLP和RAPD分析，随后将Xa21定位在第11号染色体上。Song等 [20] 将Xa21成功克隆。该基因包含一个843个核苷酸的内含子，编码一个由1025个氨基酸组成的蛋白质，编码的蛋白质属于受体样激酶(RLK)。蛋白质结构分为9个区域，包括信号肽区、富含亮氨酸重复区(LRRs)、未知功能区、荷电区、跨膜区(TM)、荷电区、膜周区(JM)、丝氨酸苏氨酸激酶区(STK)和羧基末端尾部区。Xa21的抗性与LRRS和STK区有关。Xa21介导的抗性依赖于这两个区域的活性。前者由23个不完整的LRRs构成，这些序列在蛋白质–蛋白质相互作用中发挥着关键作用，并与病原体的识别密切相关 [58] 。而后者则是植物早期防御免疫反应中的一个典型信号分子，对于启动和调控植物的防御机制具有至关重要的作用 [59] 。研究发现，下游信号转导是由蛋白激酶决定的，并在整个过程中转录，不受Xoo感染的影响。但其抗病性受水稻生长发育不同阶段的影响。随着水稻生长发育，其抗病能力逐渐增强，分蘖期完全抗病 [60] 。Xa21的抗病性能与Xa3/Xa26呈现出相似的特征，它们同样受到植物遗传背景的显著影响 [61] 。具体而言，在IR24或明恢63这两种遗传背景下，从苗期到成株期，无论是面对亲和小种亦是非亲和小种，Xa21和Xa3/Xa26的抗性均表现出逐渐增强的趋势。特别是在四叶期至分蘖盛期这一阶段，它们的抗性变化尤为显著。然而，在牡丹江8号这一遗传背景下，Xa21和Xa3/Xa26的抗性则不受生育期的影响，展现出相对稳定的抗病性能。随着研究的深入，越来越多的Xa21结合蛋白被发现参与Xa21介导的抗病 [62] 。例如，XB3作为Xa21介导的免疫反应的正向调节因子。当Xa21与XB3结合时，这一互作将促进XB3的磷酸化过程，进而刺激植物的抗病反应 [63] 。相比之下，XB10则作为Xa21介导的免疫反应的负调控因子存在。它通过与Xa21的结合，抑制防御基因的表达，从而在一定程度上调节免疫反应的强度 [59] 。此外，XB15是一种PP2C蛋白磷酸酶，它在细胞死亡和Xa21介导的免疫反应中起到负向调节的作用 [64] 。XB24是一种可以促进Xa21磷酸化的ATP酶 [65] 。Ser686、Thr688和Ser689的自动磷酸化可以稳定Xa21以抵抗发育受控的蛋白酶活性 [66] 。XA21的无毒基因AvrXa21被命名为RaxX。当病原体入侵时，XA21蛋白的LRR区域识别并与病原体的效应器RaxX蛋白结合，从而启动PTI过程 [59] 。XA21激酶的结构域在细胞内被分割并运送到细胞核心区域，在核心区域，结构域与转录因子WRKY62发生结合，从而进一步激发防御基因的表达，触发了植物的防御反应 [67] 。

通过BlastX的分析，我们发现Xa23基因与其他已被克隆的植物抗病基因并不同源，它代表了一种全新的抗病基因类别 [68] 。Zhang等 [69] 从普通野生稻中鉴定出一个新的抗白叶枯病基因，命名为Xa23。Xa23基因被转育到金刚30中培育成近等基因系CBB23。Wang等 [23] 利用金刚30与CBB23杂交F₂代为作图群体，图位克隆出Xa23。Xa23位于标记C189和RM206之间，遗传距离分别为0.8和1.9 cm。距C189同侧RFLP标记C1003A的遗传距离为0.4 cm。Xa23基因对20个国内外BB鉴定菌株表现出强大的抗性，展现出了广谱抗性特性。Xa23基因是完全显性的，并且在全生育期内都能持续发挥抗性作用 [23] 。Xa23基因的转录过程受到AvrXa23的特异性诱导，抗病显性基因Xa23与感病基因xa23虽然功能迥异，但在开放阅读框区(ORF113)上具有一致的特性。由于启动子区域的不同，这两个基因之间存在多态性。感病的xa23缺乏能与AvrXa23特异结合的TALE结合元件(EBE)。在正常条件下，Xa23的ORF113在抗病和感病品种中的转录水平都极低，但在CBB23和转基因植株中都能被病原菌诱导。在感病品种JG30、日本晴和MDJ8中未检测到这种诱导表达。Wang等 [34] 发现ORF113-RNAi植株对PXO99A敏感，表明Xa23介导的抗性需要增加ORF113的表达。抗病品种CBB23中的Xa23与感病JG30中的xa23，在启动子区域存在7 bp的多态，病原菌AvrXa23的效应结合元件与此息息相关 [23] 。这些结果表明，Xa23通过识别病原体中的TALEs而在抗病中发挥作用。

xa25是从栽培稻明恢63中分离出来的。该基因位于水稻第12号染色体上，RFLP标记R887和G1314之间，图谱距离分别为3.0和7.3 cm [70] ，Liu等 [24] 通过图谱克隆获得该基因。xa25对生理小种PXO339具有特异性抗性，属于糖转运蛋白家族基因 [71] 。xa25基因介导的抗性不同于大多数其他R基因。苗期表现为隐性抗性，成株期表现为显性抗性 [24] 。xa25在苗期和成熟期分别通过抑制Xoo的生长表现出对PXO339的独特抗性。将Xa25基因转移到含有xa25的抗性水稻中可削弱水稻对PXO339的抗性。在各种不同的菌株中，仅有PXO339能迅速触发Xa25的表达，但却无法触发xa25的表达。推测Xa25与Xa13在表达机制上存在相似性，它们的表达可能同样受到病原菌中特定TAL效应物的诱导，导致宿主植物产生感病反应。为了证实这一假设，启动子结构分析表明，抗病品种的xa25和感病品种的Xa25在启动子区域存在多个位点差异，可能导致抗性不同 [24] 。Xa25基因启动子的顺式作用元件含有PthXo2结合位点，可被效应器识别和诱导。Xa25是一个蔗糖转运蛋白基因。它的表达可以将蔗糖、葡萄糖和其他光合作用产物运输到水稻的细胞间隙。这些物质被病原菌利用，有利于病原菌的侵染和繁殖，进而使植物变得敏感。然而，隐性xa25基因启动子的顺式作用元件在这个位置上存在突变，使其不能被病原菌效应基因PthXo2识别，因此植物表现出抗病能力 [72] 。

Xa27来源于小粒水稻，对Xoo显示出广泛的抗性。Gu及其团队采用了杂交和回交技术，感病品种IR24作为受体，培育出了含有Xa27基因的近等基因系IRBB27，并采用图位克隆的方法分离到Xa27 [73] 。Xa27没有内含子，只有一个外显子，编码的蛋白由113个氨基酸组成。Xa27的抗性等位基因与感病等位基因xa27所编码的蛋白质是相同的 [25] 。在含有avrXa27的白叶枯病菌侵染下，Xa27只在水稻侵染的邻近细胞组织中表达。这表明Xa27的诱导表达不是由系统诱导的，而是由病原菌诱导的，并且只被含有avrXa27的非亲和菌株诱导。这一机制起到了局部防御的作用，属于非系统防御。此外，Xa27渗透系统能够抵抗最初感染IRBB27的BB菌株，启动子替换实验证明Xa27在抗性和感病亲本中的表达差异是由启动子控制的 [25] 。当利用PR1基因的启动子来驱动Xa27的表达时，植株展现出了对亲和性与非亲和性病原菌的广泛抗性。进一步观察发现，在病原菌侵染的部位，维管束次生细胞壁的厚度明显增加。这一现象提示我们，Xa27可能通过增强维管束次生细胞壁的厚度来增强植物的物理防御能力。经过更为深入的亚细胞定位证实，XA27确实在维管束腔和木质部薄壁细胞壁中积累 [74] 。

xa41基因是在非洲野生稻中发现的一种隐性抗病基因。Hutin等 [27] 对169份水稻种质资源中BB的主要感病基因OsSWEET14的启动子进行多态性分析所发现。OsSWEET14基因启动子区域18 bp的缺失代表了一个新的抗性等位基因，命名为xa41。Xa41的启动子含有TALE的四个结合位点(AvrXa7, Tal5, PthXo3, and TalC)，它们可以被诱导表达，因此植物是感病的 [75] 。Xa41的等位基因xa41在其启动子区域存在18个碱基对的缺失。这一特定的缺失区域恰好是AvrXa7和Tal5的识别位点，所以xa41基因无法被AvrXa7和Tal5这两个TALE蛋白所识，从而对对应的Xoo菌株表现抗病表型 [76] 。

近期，Xa2、Xa14、Xa31和Xa45已经成功地被克隆出来 [28] 。这四个基因被视为Xa1的等位基因，它们都位于4号染色体上，并负责编码NLR蛋白，这证明了基因复制和功能进化的存在。其对抗疾病的机制调整与TALE密切相关。更深入的研究揭示，缺少转录激活结构域的interference TALE (iTALE)可对Xa1的抗性产生干扰 [77] 。Xa2、Xa14、Xa31对Xoo的抗谱与Xa1不同，但也受到iTALEs的抑制。这是首次报道iTALE抑制的抗性基因可以介导不同的抗性。这些基因编码NBS-LRR蛋白，确定主要差异的关键是LRR在羧基末端的功能域 [78] 。

4. 水稻白叶枯病抗性基因在抗病育种中的利用

至今为止，人们主要通过单基因和多基因两种方式来利用抗白叶枯病基因，这主要是通过常规转育结合分子标记辅助选择(MAS)和转基因育种技术来实现的。无论是单基因应用还是多基因组合应用，或者是转基因育种，都是人类在对抗白叶枯病这一挑战中的重要武器。上世纪80、90年代，Xa3和Xa4在水稻抗病育种中被广泛利用，在应用过程中其抗性逐渐丧失。广谱抗病基因Xa21、xa5、Xa7和Xa23等相继被应用于水稻抗病育种中。

4.1. 白叶枯病抗性基因的MAS育种

在过去很长的一段时间内，常规育种是培育抗BB水稻、高产品种的主要方法，但其需要通过不同材料的杂交来组合想要的性状，因此有着耗时、费力的弊端。且难以利用隐性基因和聚合多基因。MAS (marker associated selection)育种技术是一种利用与目标抗白叶枯病基因紧密连锁的分子标记来追踪和选择目标基因的高效方法。这一选择策略是在分子层面上实施的，不会受到环境状况或病原菌生理小种的制约，可以在早期阶段进行选择，因此可以在较短的时间内选育出具有优良抗白叶枯病特性的水稻品种，克服了常规育种长周期、流程繁琐等缺点 [79] 。常规育种结合MAS法，可极大缩短育种时间，提高育种效率，为农业生产提供更加及时和有效的支持。MAS育种被分为两种类型，即单基因和多基因聚合育种。

4.1.1. 单基因MAS育种

Xa21基因已通过常规转育或基因转化途径转移到多种水稻材料中。如薛庆中等 [80] 采用MAS技术，成功选育了含有Xa21基因的水稻品种IRBB21。通过IRBB21与感病恢复系密阳4、明恢63等进行杂交或回交，他们最终成功培育出了一系列具有抗白叶枯病特性的改良水稻恢复系，并从中筛选出了新的抗病杂交组合。兰艳荣等 [81] 通过常规育种和MAS技术，将Xa21和Xa7基因成功导入华201S，对比受体华201S，其白叶枯病抗性明显提高。Xa23基因具有广谱、高抗、全生育期、完全显性等优点，吸引了国内外研究者的目光，相继进行Xa23在育种利用方向的研究。如郑家团等 [82] [83] [84] [85] 将常规杂交回交和MAS技术相结合，选育出了含Xa23基因的抗Xoo的水稻品系。此外汤翠凤等 [86] 利用相同的方法选育出含有Xa22(t)基因的抗Xoo株系。Ellur等 [87] 也通过MAS技术，Ellur等人亦利用MAS技术，成功地选育出了PB1121和PB6两个水稻品种。其中，PB1121品种含有xa13基因，PB6品种则携带Xa21基因。这两种基因的引入，显著增强了水稻对白叶枯病的抗性。

4.1.2. 多基因MAS聚合育种

为了增强水稻白叶枯病的抗病性和拓宽抗谱，人们将2个或多个抗白叶枯病基因聚合，进行聚合育种。不同抗BB基因的聚合包括二基因、三基因和四基因的聚合，常见组合形式有Xa4/xa5、Xa4/Xa21、Xa7/Xa21、Xa21/Xa23、xa5/xa13/Xa21、Xa4/Xa21/Xa27、Xa21/Xa4/Xa23、Xa4/xa5/xa13/Xa21等。Yoshimura等 [32] 首先将Xa4和xa5基因成功聚合。罗彦长等 [88] 利用MAS技术选育出了全生育期高度抗白叶枯病的不育系R106A，聚合了Xa21和Xa23两个基因。Yugander等 [89] 通过MAS技术，成功将Xa21和Xa38基因导入恢复系APMS 6B中，使APMS 6B在保留原有农艺性状的基础上，对白叶枯病菌表现出高抗表型。Singh等 [90] 和Pradhan等 [91] 利用传统回交策略结合MAS技术培育出了聚合xa5、xa13和Xa21三个基因的籼稻品种PR106和Jalmagna，聚合品种对白叶枯病的抗性显著提高。感白叶枯病的优良深水品种Jalmagna聚合了3个抗病基因后，聚合系预期在深水环境下仍能提供持久抗性。Raalingam等 [92] 通过MAS技术，以IRBB60为供体亲本，成功在不育保持系CO2B、CO23B和CO24B中将xa5、xa13和Xa21基因聚合。Luo等 [93] 借助MAS法，成功地在水稻恢复系XH2431中整合了Xa4、Xa21和Xa27这三个基因，从而获得了具备广谱和强抗白叶枯病特性的聚合材料。Suh等 [94] 利用回交育种结合MAS技术的策略，在感白叶枯病的粳稻品种Mangeumbyeo中，聚合了Xa4、xa5和Xa21基因，聚合株系对朝鲜的18个Xoo小种表现出高抗表型，同时其品质和产量不受影响。邓其明 [95] 等利用MAS技术在水稻恢复系绵恢725，聚合了Xa21、Xa23和Xa4基因，显著提高了对白叶枯病的抗性和抗谱。Huang等 [96] 成功将 Xa7、Xa21、Xa22和Xa23这四个基因聚合到优良杂交水稻恢复系华恢1035中。Dokku等 [97] 通过MAS技术将Xa4、xa5、xa13和Xa21这四个基因聚合到优良栽培稻Tapaswini中。Hsu等 [98] 借助MAS技术成功选育出粳稻品种Tainung82，聚合了五个抗病基因Xa4、xa5、Xa7、xa13和Xa21，不仅继承了原有的高产和优良品质，更显著地提升了其抗白叶枯病的能力。

4.2. 白叶枯病抗性基因的转基因育种

转基因育种其核心在于通过基因转化技术，精准地将一个或多个目标基因导入到特定的基因组中，以优化或改善受体植物的性状。将特定的抗病基因导入栽培稻中，这种方式不仅克服了传统育种中籼稻与粳稻亚种间杂交不育以及栽培稻与野生稻间杂交不亲和的难题，而且显著缩短了育种周期，提升了育种效率。黄大年等 [99] 用成功转化中百4号和京引119，获得的转基因植株京引119-B对白叶枯病菌的抗性显著增强。虽然Xa21基因对白叶枯病菌具有广谱抗性，但主要栽培稻并不含有该基因，所以可以通过转基因方法将Xa21转育到水稻中，以此提高栽培稻对白叶枯病菌的抗性 [100] 。翟文学等 [101] [102] 在不同的水稻品种中转入Xa21，都获得了广谱和高度抗水稻白叶枯病的转基因株系。张小红等 [103] 获得了对白叶枯病有明显抗性的Xa23基因的转基因水稻，且抗性可稳定遗传。虽然通过转基因方法可获得具有白叶枯病抗性的水稻，但到目前为止转基因水稻尚未被批准使用。

4.3. 基因编辑育种

基因编辑，可以对特定的靶基因进行靶向修饰，可以极大地弥补自然突变的不足，达到生产所需的特定目的 [104] 。基因编辑技术的编辑效率和可操作性不断提高，引起了广泛关注。目前，基因编辑技术已经在白叶枯病、稻瘟病、二化螟等生物胁迫抗性育种中得到了广泛的应用，在兼固品质和主要农艺性状的同时提高抗病性。水杨酸在植物抗病中有着重要作用，杨酸羟化酶家族基因OsS5H1或OsS5H2敲除后，在产量不变的前提下可提高对水稻白叶枯病的抗性 [105] 。Xa13正向调控水稻白叶枯病抗性，负向调控水稻育性。编辑Xa13基因启动子中病原菌诱导表达元件，突变体只丧失了受病原体诱导表达基因的能力，花药和叶片中的Xa13基因可以正常表达，从而兼具产量和白叶枯病抗性 [106] 。利用基因编辑技术，可以精确地敲除寄主植物中感病基因的启动子等关键组成部分，进而实现对病原微生物诱导的作物感病基因表达的调控。为创造抗病种质资源提供了可能。以水稻为例，通过敲除水稻中的感病基因OsSWEET11、OsSWEET13和OsSWEET14的启动子中的EBE区域，成功地阻止了Tal效应蛋白对这些感病基因的激活，从而导致水稻对BB的广泛抗性 [107] 。所以可通过基因编辑技术创制抗Xoo的水稻品种。

5. 小结与展望

Xoo与抗病基因之间的进化关系，犹如一场激烈的“军事竞赛”，充满了矛盾与统一。而随着我们对白叶枯病基因认识的加深，这为我们理解水稻与Xoo之间的相互作用提供了更为扎实的理论支撑和实践基础。截至目前，已发现的抗白叶枯病基因数量已达到48个，然而，这些基因中的大多数都存在着某些局限，如抗谱较窄、抗性表现不够强劲，或是受隐性基因所控制等。因此，在实际农业生产中，真正能够有效应用的抗病基因其实并不多。更为复杂的是，长期大规模种植仅依赖单一有效基因抗源的种质，必然导致Xoo种群遗传结构的变化，进而使得原本具有抗性的新种质失去其防御能力，如Xa4、Xa21等品种就面临这样的风险 [95] 。因此，我们需要在抗病基因克隆的基础上，进一步深入研究抗病基因对Xoo小种的识别机制以及抗性反应中的信号传导过程。这不仅是对水稻抗病性的提升，更是对我国乃至全球水稻产业健康稳定发展的重要保障。不断发掘新的抗病基因，对于提升水稻的抗病性能，确保粮食安全和农业可持续发展具有深远的意义。

文章引用

王 丹. 水稻白叶枯病抗性基因研究进展
Research Progress on Rice Bacterial Blight Resistance Genes[J]. 农业科学, 2024, 14(04): 437-450. https://doi.org/10.12677/hjas.2024.144056

参考文献