水稻廣譜抗病分子機理研究進展

蘇 菁，陳 深，朱小源

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所/廣東省植物保護新技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510640）

隨著全球氣候變化、人口增長以及耕作規(guī)模的變化，由病蟲害導(dǎo)致的全球主要農(nóng)作物的產(chǎn)量損失嚴重威脅糧食安全。據(jù)統(tǒng)計，由于病蟲害導(dǎo)致全球水稻產(chǎn)量損失25%～41%，玉米損失20%～41%，小麥損失10%～28%［1］。為減少農(nóng)作物病蟲害發(fā)生，大量化學(xué)農(nóng)藥的施用給環(huán)境帶來巨大負擔(dān)，威脅人類健康。對于糧食生產(chǎn)而言，利用抗性資源（抗病基因）培育抗病品種是應(yīng)對病害威脅的最經(jīng)濟、有效的方法，深入研究植物免疫及抗病機制更是發(fā)展綠色、高效病害防控技術(shù)的重要基礎(chǔ)，是確保作物穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的重要策略。

在與病原菌的長期抗衡和相互作用中，植物的監(jiān)測、防御系統(tǒng)也在不斷地進化，形成了多層次的防御機制，包括細胞外免疫，如氣孔免疫、根際免疫和胞間免疫；細胞表面和胞內(nèi)受體介導(dǎo)的免疫識別、信號傳遞和協(xié)調(diào)；也包括細胞和組織免疫的異質(zhì)性以及不同類型免疫層次之間的交叉協(xié)調(diào)。國際公認，植物擁有與動物相似的天然免疫系統(tǒng)（Innate Immunity system）［2］。植物的第一道免疫防線，是起始于細胞膜表面的模式識別受體蛋白（Pattern-Recognition Receptors, PRRs）對病原/微生物相關(guān)分子模式（Pathogen/ Microbeassociated Molecular Patterns, PAMPs/ MAMPs）或植物損傷相關(guān)分子模式（Damage-Associated Molecular Patterns, DAMPs）的識別、而激發(fā)的防御反應(yīng)。PAMPs是包括細菌的鞭毛蛋白、肽聚糖、脂多糖、幾丁質(zhì)等病原微生物保守的組分；DAMPs多為植物損傷后自身產(chǎn)生的小肽分子，如AtPeps、Oligogalacturonides 和 Systemin 等［3］。PRRs主要由跨膜受體激酶（Receptor Kinases,RKs）和跨膜受體蛋白組成，如FLS2、CERK1和PEPR1/2等。由PRRs識別PAMPs而觸發(fā)的免疫反應(yīng)，即模式分子激發(fā)的免疫（PAMP-triggered immunity, PTI）。PTI信號起始于PRRs對PAMPs的識別，PRRs通常需要與共受體蛋白結(jié)合、互作，通過位于細胞質(zhì)的受體類激酶（Receptor-Like Cyto plasmic Kinases, RLCKs）來傳遞免疫信號，經(jīng)由絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase, MAPK）級聯(lián)反應(yīng)途徑和Ca2+信號等途徑，實現(xiàn)對機體系統(tǒng)抗性的激活，如氣孔開閉、防衛(wèi)細胞的細胞壁增厚、產(chǎn)生裂解酶釋放免疫誘導(dǎo)因子以及誘導(dǎo)病程相關(guān)（Pathogenesis-Related, PR）基因表達等，限制病原體的入侵和增殖［2，4-6］。當(dāng)病原微生物突破第一道防線，向寄主植物細胞注入毒性因子（Virulence Factors）或效應(yīng)子（Effectors）來抑制植物的PTI后，可被植物細胞內(nèi)的抗性基因（Resistance Genes, R Genes）感知，啟動其抵抗效應(yīng)子入侵的免疫反應(yīng)（Effector- triggered immunity, ETI），即植物的第二道防線，主要是由一類具有核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域和富亮氨酸重復(fù)序列的受體蛋白（Nucleotide-Binding Domain and Leucine-Rich Repeat Receptors, NLRs）介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。NLR受體能迅速識別特定的病原效應(yīng)子而激活一系列免疫反應(yīng)，在病原菌侵染點發(fā)生超敏反應(yīng)（Hypersensitive Response, HR）將病原物殺死在局部侵染細胞中；并由信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)延伸到遠處組織，產(chǎn)生系統(tǒng)獲得性抗性（Systemic Acquired Resistance, SAR）［2,4］。因抗性反應(yīng)強烈而明顯，所以目前NLR是報道最多的一類免疫受體蛋白，該類抗病基因是抗病育種中最有利用價值也是應(yīng)用最廣的一類抗性基因。此外，一些數(shù)量性狀位點（Quantitative Trait Locus，QTL）也具有調(diào)控植物抗性的功能［7］。

廣譜抗性（Broad Spectrum Resistance, BSR）指一個基因?qū)δ骋徊≡牟煌》N或兩種以上病原菌具有抗性。由于NLR通常只能識別一個或特定幾個病原菌小種的效應(yīng)子，因此經(jīng)典的ETI抗病反應(yīng)通常具有小種特異性［8］。而PTI免疫通常會引起植物發(fā)生一系列非特異辨識的、共通的防御反應(yīng)，增強植物對其他入侵病原物的抵御能力，因而介導(dǎo)PTI抗性的關(guān)鍵基因多具有廣譜性。除此之外，一些可識別兩種以上病原菌的PRRs、NLRs或QTLs也介導(dǎo)或廣譜抗性；一些參與了防御信號調(diào)節(jié)的調(diào)控因子（Defense Regulators, DRs），因它們參與基因轉(zhuǎn)錄、蛋白翻譯和修飾、胞內(nèi)運輸和代謝催化等各個環(huán)節(jié)，而具有抗譜廣、抗性持久等特點［9］。

水稻生長的各個階段會受到70多種病原微生物的侵害，嚴重影響其生產(chǎn)安全。在這些病害中，由稻瘟菌（Magnaporthe oryzae）引起的稻瘟病、紋枯菌（Rhizoctonia solani）引致的紋枯病、水稻黃單胞菌（Xanthomonas oryzaepv.oryzae, Xoo）和（Xanthomonas oryzaepv.oryzicola, Xoc）誘發(fā)的白葉枯病和條斑病，以及稻曲菌（Ustilaginoidea virens）引發(fā)的稻曲病是世界范圍內(nèi)具破壞性的水稻病害［4，7，9］。其中，稻瘟病是最具破壞性的水稻真菌病害，可導(dǎo)致全球水稻產(chǎn)量減少30%，是足以養(yǎng)活6 000萬人的損失［8,10-11］。白葉枯病和條斑病是水稻上的主要細菌性病害，可使水稻產(chǎn)量減少20%～30%［12］。人們利用抗病資源已收到改良效果，但由于水稻病原菌分布的多樣性和易變性，小種?；禺愋曰蚪閷?dǎo)的水稻品種單一抗性衰退問題突出，迫切需要挖掘廣譜抗性基因、闡釋廣譜抗病機理，并有效地應(yīng)用于水稻優(yōu)質(zhì)抗病新品種選育，是該領(lǐng)域的必然發(fā)展方向。

1 水稻主要病害廣譜抗性研究進展及現(xiàn)狀

自1955年Flor提出植物—病原菌互作的“基因?qū)颉奔僬f以來［13］，科學(xué)家們對抗性基因及抗病相關(guān)基因開展了廣泛研究，克隆了一批調(diào)控植物抗性的基因。我國在植物免疫學(xué)領(lǐng)域發(fā)表論文量增長迅速，并在2015年以后論文發(fā)表量躍居第一，已經(jīng)成為在國際上推動植物免疫學(xué)發(fā)展的重要生力軍［14］。隨著對廣譜抗病的需求不斷提升，各國對廣譜抗病領(lǐng)域的研究也不斷加強，據(jù)統(tǒng)計，近20年來全球農(nóng)業(yè)領(lǐng)域關(guān)于廣譜抗性研究的論文數(shù)量超過2 500篇，我國學(xué)者在該領(lǐng)域做出了突出貢獻，發(fā)表的研究論文占比28.54%，居世界第1位［15］。關(guān)于水稻抗病基因的報道主要集中于對稻瘟病和白葉枯病的抗性，其中對水稻稻瘟病抗性有貢獻的有100多個主效R基因和500多個QTLs。具有白葉枯病抗性的主效基因超過40個，有11個基因被克隆。此外，也發(fā)現(xiàn)了一些對紋枯病、稻曲菌和病毒抗性有貢獻的QTL基因，不過這些基因尚未克?。?］。其中，賦予水稻廣譜抗性的主效R基因約有10個，QTL有4個，還有至少5個DR基因?qū)Σ煌≡锉憩F(xiàn)出廣譜抗性（表1）。

表1 已克隆的廣譜抗病基因、QTL和防御反應(yīng)基因Table 1 Representative cloned broad-spectrum resistant genes, QTLs and defense-response genes

1.1 稻瘟病廣譜抗性資源的挖掘

在已克隆的37個水稻稻瘟病R基因中，除了一個編碼β-凝集素受體激酶的Pi-d2［16］、一個編碼包含ARM重復(fù)結(jié)構(gòu)域的Ptr外，其他R基因都是顯性基因，并且?guī)缀醵季幋aNLR蛋白［17］。NLR基因一般特異識別與其對應(yīng)的病原效應(yīng)子，多不具有廣譜性，目前被證實對來自世界各稻區(qū)生理小種表現(xiàn)出持久而廣譜的抗源品種，多為自身包含了3～5個抗病基因的稻種，如越南品種Tetep、西非稻種Moreberekan以及廣泛栽培的稻種IR64和三黃占2號等［18］。而被證實具有廣譜抗性的基因僅6個左右，例如，從小粒野生稻IRBL9-W中分離的Pi9，對源自13個國家的至少43個稻瘟病菌小種達到高抗水平［19］；Pi5對來自菲律賓和韓國的32個稻瘟病菌小種表現(xiàn)出抗性［20］；Pi50對來自中國各主要稻區(qū)的523個稻瘟病菌生理小種表現(xiàn)出持久抗性，并已被用于水稻抗病育種［21］；從抗病品種谷梅4號克隆的Pigm對源于世界多國的50個稻瘟病菌生理小種表現(xiàn)出持久抗性［22］。此外，分別從國際水稻所IRBL1、IR24水稻品系中鑒定到的Pi1和Pib，從泰國稻種Jao Hom Nin克隆到的Pi7以及華南稻種三黃占2號克隆的Pi56也被報道具有稻瘟病廣譜抗性［23-26］。

非典型NLR類的R基因在稻瘟病廣譜抗性中也發(fā)揮了重要作用，但抗性往往沒有NLR類R基因所介導(dǎo)的強。Pi21是一種稻瘟病QTL基因，其編碼一個具有富含脯氨酸的金屬轉(zhuǎn)運/解毒結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，賦予了對稻瘟菌的非小種特異性抗性，對水稻稻瘟病抗性具有負調(diào)控作用，其功能喪失的等位突變pi21產(chǎn)生對廣泛分布的10個稻瘟病生理小種的廣譜抗性［27］。ptr編碼包含4個Armadillo重復(fù)的蛋白，具有E3連接酶活性的，正調(diào)控了水稻對多個稻瘟病菌小種的廣譜抗性［28］。此外，因DR基因通過一定途徑抵抗病原菌的入侵或參與防御信號調(diào)節(jié)，可以激發(fā)作物產(chǎn)生部分抗性（或不完全抗性），而具有抗譜廣、抗性持久等特點。如具有E3連接酶活性的環(huán)指蛋白OsBBI1，可調(diào)節(jié)對稻瘟病菌多種生理小種的抗性［29］；通過全基因組關(guān)聯(lián)研究，從抗病品種地谷中鑒定出的bsr-d1被認為是一個新的稻瘟病廣譜抗性基因［30］。一種編碼單子葉植物特異性S結(jié)構(gòu)域受體樣激酶SDS2的過表達能增強對稻瘟菌的抗性［31］。

1.2 稻瘟病廣譜抗性的分子機制

如前言所述，經(jīng)典的ETI抗性通常具有小種特異性，而PTI免疫多具有廣譜性。水稻廣譜抗病機制的研究主要涉及PTI和ETI信號的協(xié)調(diào)。研究發(fā)現(xiàn)，在PTI和ETI信號中，植物免疫反應(yīng)的激發(fā)通常會引起一些共通的下游反應(yīng)，如活性氧（Reactive Oxygen species, ROS）迸發(fā)、PR基因表達、抗毒素合成以及木質(zhì)素增厚等［4］。例如，OsBBI1的過表達促使水稻植物在細胞中積累高水平的H2O2，在細胞壁中積累高水平的酚類化合物，導(dǎo)致細胞壁變厚，從而調(diào)節(jié)對稻瘟病菌多種生理小種的抗性［29］；受體樣激酶SDS2，通過與兩種受體樣胞質(zhì)激酶OsRLCK118和OsRLCK176相互作用誘導(dǎo)細胞程序性死亡，伴隨著ROS爆發(fā)，進而增強對稻瘟菌的抗性［31］。

自 1999年，Kawasaki［32］報道了水稻 OsRac1是激發(fā)ROS產(chǎn)生和細胞死亡的調(diào)節(jié)因子、Ono［33］證明組成性激活OsRac1能夠提高水稻對稻瘟病和白葉枯病的抗性以后，圍繞著這個有GTP酶活性的小分子GTP結(jié)合蛋白的研究逐漸揭開了水稻天然免疫的信息網(wǎng)絡(luò)。一系列研究表明，OsRac1是模式識別受體和抗性蛋白這兩類免疫受體的下游關(guān)鍵信號開關(guān)，在R基因和DR基因介導(dǎo)的廣譜抗病信號傳遞中起著重要調(diào)控作用。OsRac1能夠被R蛋白Pit與OsSPK1（一個鳥苷酸交換因子）的結(jié)合所激活，進而啟動免疫［34］；在Pia 和Pid3介導(dǎo)的抗病應(yīng)答中也發(fā)揮重要作用［35］。OsRac1對DR基因介導(dǎo)的廣譜抗性信號傳導(dǎo)發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，它能與OsRAR1、RACK1、HSP90和HSP70等形成抗病復(fù)合體（Defensome），該復(fù)合體的重要調(diào)控原件OsRac1GEF，既可通過胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域與OsFLS2（細菌鞭毛識別蛋白）互作，又可與OsCERK1（真菌幾丁質(zhì)識別蛋白）互作，說明OsRac1與細菌和真菌病害誘導(dǎo)調(diào)控的免疫信號通路都有關(guān)聯(lián)［36］。OsRac1參與E3泛素連接酶介導(dǎo)的免疫調(diào)控，SPL11能促進SDS2蛋白和一個小GTP 酶激活蛋白SPIN6的降解，是協(xié)調(diào)OsRac1由活性態(tài)（GTP結(jié)合型）向無活性態(tài)（GDP結(jié)合型）的一個開關(guān)［31,37］。因此，作為R和DR基因介導(dǎo)免疫的重要信號節(jié)點，OsRac1可能是植物免疫信號傳遞的中心，操縱OsRac1活性可能會獲得具有廣譜抗病性的水稻新種質(zhì)。

近幾年，轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的新型廣譜抗病機制研究獲得了較大突破。Bsr-d1編碼一個C2H2型的鋅指轉(zhuǎn)錄因子，可直接與兩個過氧化物酶基因的啟動子結(jié)合，激活其轉(zhuǎn)錄、減少H2O2的積累，而MYB轉(zhuǎn)錄因子MYBS1可以特異性結(jié)合到Bsr-d1啟動子并抑制其轉(zhuǎn)錄。全基因組關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，Bsr-d1啟動子區(qū)域一個從A到G的堿基自然變異產(chǎn)生了天然等位基因bsr-d1，使之具有與MYBS1更高的親和力，抑制了BSR-D1的轉(zhuǎn)錄，降低了下游過氧化物酶基因的表達量，使得bsr-d1植株中積累大量H2O2，使植株具有非小種特異性和持久抗性［30］。轉(zhuǎn)錄因子理想植物結(jié)構(gòu)1（IPA1，也稱為OsSPL14）是水稻理想株型建成的核心因子，最新研究表明，受到稻瘟病菌攻擊時，IPA1在S163處的磷酸化改變了其DNA結(jié)合特異性，與WRKY45的啟動子結(jié)合，進而激活WRKY45的轉(zhuǎn)錄，最終導(dǎo)致對多種稻瘟菌的免疫增強而當(dāng)抗性信號激活后，IPA1的磷酸化即迅速解除，繼續(xù)行使其調(diào)控生長的功能，實現(xiàn)了單個基因?qū)χ参锟剐院彤a(chǎn)量的協(xié)調(diào)［38］。NLR蛋白PigmR 對水稻稻瘟病具有較強的抗性，通常強的抗性選擇會導(dǎo)致病原菌優(yōu)勢群的快速變異，而喪失抗性的持久性。另一個NLR蛋白PigmS可通過與PigmR相互作用以平衡免疫，PigmS通過抑制PigmR-PigmR同源二聚化而非PigmR-PigmS異源二聚化來競爭性地減弱PigmR介導(dǎo)的抗性，降低PigmR對稻瘟病菌的選擇壓力，從而使水稻持久保持廣譜抗病性［22］。最近，發(fā)現(xiàn)具有RRM反式激活結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子PIBP1與PigmR相互作用，通過PigmR啟動的PIBP1核聚集而與防御基因OsWAK14和OsPAL1的啟動子結(jié)合而激活免疫，觸發(fā)稻瘟病抗性［39］。

1.3 白葉枯病廣譜抗性資源的挖掘

水稻白葉枯病抗性基因的結(jié)構(gòu)相對多樣。目前已在水稻栽培品種、野生品種或突變?nèi)后w中鑒定出約46個抗白葉枯病基因，其中7個顯性和4個隱性基因已被克隆或解析了分子機理［7，40］。這些基因編碼多種類型的蛋白質(zhì)，提示白葉枯病R基因介導(dǎo)的抗性具有多種機制。只有Xa1編碼的是經(jīng)典NLR蛋白，Xa21和Xa3/Xa26編碼質(zhì)膜定位的富亮氨酸重復(fù)的受體樣激酶（Leucine-Rich Repeat Receptor-Like Kinase, LRR-RLK），Xa4編碼細胞壁相關(guān)激酶（Wall-Associated Kinase, WAK），編碼轉(zhuǎn)錄因子的xa5，以及編碼具有潛在轉(zhuǎn)錄因子功能的跨膜蛋白（Transmembrane Protein, TM）或質(zhì)外體蛋白（apoplast protein）Xa10、Xa23、xa13、xa25、xa41和Xa27。其中，Xa21、Xa23和xa5對大多數(shù)白葉枯病菌株表現(xiàn)出較高抗性，被公認為白葉枯病廣譜抗性基因［4，7，41-43］。

1.4 白葉枯病廣譜抗性的分子機制

白葉枯病抗性基因?qū)oo的完全抗性是賴于白葉枯病菌的轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)子（transcription activator-like effectors，TALE）的轉(zhuǎn)錄激活，而轉(zhuǎn)錄激活發(fā)生在XooTALE與相應(yīng)R基因的啟動子相結(jié)合之時［41-45］。目前所有被檢測的田間白葉枯病分離株中都存在avrXa23，迄今為止，Xa23對測試的幾乎所有天然白葉枯病菌株都表現(xiàn)很強的抗性［43］。xa5因為編碼基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄因子γ亞基，具有廣譜性，廣泛應(yīng)用于提高水稻對白葉枯病的抗性。已揭示的分子機制是所有Xoo的毒性TALE與顯性Xa5而非隱性xa5相互作用，導(dǎo)致毒性TALE在隱性xa5背景下能有效激活感病基因的轉(zhuǎn)錄本，從而預(yù)防水稻白葉枯?。?4-45］。此外，xa5被認定為Xoc抗性的主效QTL［46］，同樣的，所有Xoc的毒性TALE都只與顯性Xa5互作，導(dǎo)致在含有xa5的水稻品種中，Xoc的毒性TALE不能有效激活相應(yīng)的感病基因，而使攜帶xa5的水稻品種對Xoc表現(xiàn)出廣譜抗性［45,47］。因此，xa5基因在育種中的利用越來越受到人們的重視［48］。

Xa21和Xa3/Xa26編碼細胞質(zhì)膜定位的LRR受體激酶，對全球大多數(shù)Xoo具有廣譜和基礎(chǔ)模式觸發(fā)免疫［49］。Xa21是第一個被克隆的水稻白葉枯病抗性基因，能特異性識別Xoo的第14位酪氨酸（Y14）硫酸化的RAxX，從而觸發(fā)強烈PTI免疫［50］。Xa21介導(dǎo)的廣譜抗病信號網(wǎng)絡(luò)已被廣泛研究，幾種Xa21結(jié)合蛋白，包括ATP酶（XB24）、E3泛素連接酶（XB3）、PP2C磷酸酶（XB25）、WRKY轉(zhuǎn)錄因子（XB10）、OsSERK2和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶蛋白，在Xa21觸發(fā)的抵抗中起重要作用具有正或負調(diào)節(jié)模式的白葉枯?。?］。雖然，Xa3/Xa26及其直向同源物也表現(xiàn)出對不同白葉枯病菌株的廣譜抗性，受限于它們在白葉枯病中的致病相關(guān)分子模式至今尚未確定，相應(yīng)的廣譜抗性分子機制也有待研究。

同樣，一些QTL和DR基因?qū)Π兹~枯菌表現(xiàn)出廣譜抗性。微效QTL基因GH3-2編碼吲哚-3-乙酸（IAA）-酰胺合成酶，通過抑制病原體誘導(dǎo)的IAA積累來防止水稻細胞壁疏松，觸發(fā)廣譜的基礎(chǔ)抗性，抵抗細菌Xoo、Xoc和稻瘟菌的入侵［51］。水稻GDSL脂肪酶OsGlip1和OsGlip2功能相近，通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)對水稻免疫產(chǎn)生負面影響，抑制OsGlip1和OsGlip2可增強對細菌Xoo和稻瘟菌的基礎(chǔ)抗性［52］。水稻bsr-k1編碼具有RNA綁定功能的含三角狀四肽重復(fù)（Tetratrico peptide Repeats，TPR）結(jié)構(gòu)域的蛋白，BSR-K1蛋白與OsPAL基因的RNA結(jié)合促進其消解，最終導(dǎo)致疾病易感性。而在bsr-k1突變體中，截短的bsr-k1蛋白不能結(jié)合和消化OsPAL基因mRNA，OsPAL轉(zhuǎn)錄本積累可以大量提高木質(zhì)素的合成與積累，增強PR基因的表達，具有廣譜抗細菌Xoo和稻瘟菌的特性［15,53］。WRKY45通過介導(dǎo)水楊酸信號在苯并噻二唑誘導(dǎo)的疾病抗性中發(fā)揮關(guān)鍵作用，過表達WRKY45增強了對細菌病原體Xoo、Xoc以及真菌病原的抗性，但過量表達WRKY45的水稻植株易受紋枯菌的侵染，限制了其在遺傳改良中的應(yīng)用［54-55］。

一些DR基因功能激活或缺失的植物會因免疫的持續(xù)激活而表現(xiàn)出細胞死亡表型，又稱為類病斑突變體（Lesion Mimic Mutant, lmm），因時常伴有持續(xù)的免疫激活和細胞死亡而使作物對不同病原物抗性均有不同程度提升，水稻中spl11、spl28、Lrd6-6、oscul3a、ebr1等同時表現(xiàn)出對白葉枯病和稻瘟病的廣譜抗性［56］。

1.5 其他水稻病害的廣譜抗性研究

除抗稻瘟病和白葉枯病的R基因外，人們目前尚未發(fā)現(xiàn)抗其他水稻病害的R基因，只是鑒定出了許多抗其他水稻病害的QTL，其中一些QTL已被分離并對其分子機理進行了研究。這些QTL基因?qū)λ炯y枯病、水稻稻曲病、水稻條紋葉枯病、水稻黑條矮縮病或其他水稻病害表現(xiàn)中等抗性。目前已檢測到50多個水稻紋枯病抗性QTL，其中，qSB-9TQ和qSB-11LE已初步定位；人們在除了第7和第9染色體外的至少10條水稻染色體上可檢測到抗稻曲病QTLs，但未見進一步定位［7］。目前至少已鑒定出6個抗條紋葉枯病主效QTLs，在這些定位的QTL中，只有抗紋枯病的qSTV11KAS（名為STV11）被克隆，其編碼一種磺基轉(zhuǎn)移酶，能夠催化水楊酸轉(zhuǎn)化為磺化水楊酸，且大量的秈-秈稻品種而非粳-粳稻品種含有功能性STV11，這與大多數(shù)粳-粳稻品種更易感染條紋病毒的發(fā)現(xiàn)一致［57］。除STV11以外，其他QTLs均未被克隆，抗病機理研究報道亦寥寥無幾。目前，對這些病害的研究更多集中在病原菌的分離鑒定、菌株的致病能力分析以及不同水稻對有毒菌株的抗性分析等［58-61］。

2 水稻廣譜抗病研究的機遇和挑戰(zhàn)

我國是人口大國，解決好糧食安全生產(chǎn)問題一直是我國經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵問題。根據(jù)《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015—2030年）》，農(nóng)業(yè)部出臺了圍繞創(chuàng)新、開放、共享綠色發(fā)展理念的行動方案，綠色生產(chǎn)成為我國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢。為實現(xiàn)作物病害的綠色生態(tài)調(diào)控、保障農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展，國家在植物保護、病害綠色可持續(xù)防控上繼續(xù)加大資助力度，以國家自然科學(xué)基金委員會為例，2019年在植物保護學(xué)科領(lǐng)域資助各類項目360余項，金額達1.7億元［15］。

政策引導(dǎo)和資金投入推動了我國作物廣譜抗病研究的發(fā)展，國際、國內(nèi)合作搭建了優(yōu)良先進的研究平臺，引進技術(shù)結(jié)合自身創(chuàng)新，我國在植物抗病機理研究上取得了矚目成就，諸如首次解析了植物抗病小體（Resistosome）的蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)及其介導(dǎo)的免疫激活新機制、抗病與產(chǎn)量平衡、水稻對病毒抗性調(diào)控等［14-15］。以基因編輯—間隔短回文重復(fù)序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat, CRISPR）為代表的基因改造技術(shù)在水稻新資源創(chuàng)制中的重要性越來越顯著。對pi21基因或同時對Pita、Pi2和ERF922三個基因進行編輯，都能獲得對稻瘟病抗性顯著提高的水稻新種質(zhì)；對水稻Xa13以及SWEET11/13/14等基因進行編輯，創(chuàng)制了白葉枯抗性增強的水稻［62-63］。

基于廣譜抗病機理的研究，人們發(fā)現(xiàn)多數(shù)QTL和DR基因表現(xiàn)出廣譜抗性且不影響植株生長或產(chǎn)量，在水稻品種改良中具有潛在利用價值。2018年，Ranf嘗試將EFR 或XA21等PRRs轉(zhuǎn)化到感病品種中，結(jié)果受體的抗病性、甚至是廣譜抗性就能提高，說明PRRs下游的調(diào)控模塊具有較高的保守性?；赑RRs下游調(diào)控模塊的保守性，將模式植物中鑒定到的PRRs轉(zhuǎn)化到作物中，可望達到提高作物廣譜抗病性的目標［64］。田間試驗表明bsr-d1和bsr-k1基因不影響關(guān)鍵農(nóng)藝性狀或產(chǎn)量，成為水稻育種的潛在候選者［15］。

作物廣譜抗病研究既面臨大好機遇，也面臨嚴峻挑戰(zhàn)。首先，廣譜抗病新基因的發(fā)掘效率和準確性還遠遠不能滿足需求，亟需新方法和技術(shù)的研發(fā)和利用；其次，病原田間變異導(dǎo)致作物抗性的頻繁喪失，如何利用植物免疫機理研究的理論指導(dǎo)持久抗性基因的挖掘、如何結(jié)合抗性基因和廣譜抗性機理達到最佳防控效果等問題尚未解決； 第三，廣譜抗性的持久性問題、抗性—產(chǎn)量—品質(zhì)的平衡問題也還制約著抗病基因的育種應(yīng)用。此外，雖然醫(yī)學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、泛組學(xué)等新的研究思路、方法和技術(shù)手段的層出不窮，但科技工作者是否能夠融會貫通、革新的運用各種科技力量應(yīng)用于作物廣譜抗性改良中也是一大挑戰(zhàn)。

3 結(jié)語與展望

作物重大病害的發(fā)生規(guī)律、病原物致害機理以及病害發(fā)生、發(fā)展過程中復(fù)雜的互作機理和植物響應(yīng)侵害的分子免疫機制都是未來的重點研究方向［1］。針對作物廣譜抗病研究面臨的挑戰(zhàn)，我們既要有強烈的危機感，又要有信心積極應(yīng)對。首先是進一步深化對廣譜抗病作物種質(zhì)資源的研究，挖掘新類型的抗病基因；采用多種新方法結(jié)合分析的手段快速鑒定及克隆新型廣譜抗病基因，并全面解析其調(diào)控機理；并利用先進、高效的方法獲得廣譜抗病性增強的新材料，改良和提高作物抗病性。具體包括：（1）利用高通量的基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)以及泛基因組學(xué)分析的方法，通過全面解析植物的抗性和病原菌的致害機制的途徑，快速鑒定新型廣譜抗病基因、易感基因、新的MAMPs以及新型免疫受體；（2）通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)分析解析免疫受體免疫激發(fā)、強化和維持的調(diào)控機制；（3）解析作物—病原—環(huán)境互作不同生物間信息流、精細調(diào)控作物免疫及與病原生物互作的機制；（4）解析易感基因或小RNA跨界誘導(dǎo)病原靶基因沉默的普遍作用機制，利用基因編輯、小RNA誘導(dǎo)沉默等負向調(diào)控的策略設(shè)計抗病新途徑；（5）解析作物免疫與其他農(nóng)藝性狀的協(xié)同調(diào)控調(diào)控機制；（6）基于以上研究，人工重構(gòu)理想的作物免疫系統(tǒng)。

在深入理解廣譜抗病機理的基礎(chǔ)上，注重新鑒定的廣譜抗病基因在育種實踐中的應(yīng)用和評價，合理利用兼顧抗性、產(chǎn)量和品質(zhì)的基因，做到在提高抗性的同時既要兼顧與產(chǎn)量和品質(zhì)間的平衡，也要考慮與其他抗逆性等生態(tài)適應(yīng)性的關(guān)系。只有全面提升該領(lǐng)域的研究，才有利于滿足糧食安全、生態(tài)安全的重大需求。