水稻白葉枯病抗性基因Xa21的分子生物學(xué)研究進(jìn)展

陳小林 顏群 高利軍 高漢亮
（廣西作物病蟲(chóng)害生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，南寧 530007）

由黃單胞桿菌水稻致病變種Xanthomonas oryzae pv. oryzae（Xoo）引起的白葉枯病是水稻重要細(xì)菌性病害之一。迄今，已有7個(gè)水稻白葉枯病抗性基因被克隆。Xa21是第一個(gè)被克隆的白葉枯病抗性基因，因具有廣譜抗性而受到廣泛的關(guān)注。對(duì)Xa21的發(fā)現(xiàn)、定位及克隆、表達(dá)特征、編碼產(chǎn)物XA21的生化特性、作用與調(diào)控以及XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)模式等方面的研究結(jié)果進(jìn)行綜述，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行展望。

水稻 白葉枯病 抗性基因 Xa21

由黃單胞桿菌水稻致病變種（Xanthomonas oryzaepv.oryzae，Xoo）引起的水稻白葉枯病是水稻最嚴(yán)重的細(xì)菌性病害之一［1，2］。受白葉枯病危害的田塊一般減產(chǎn)10%-20%，嚴(yán)重的減產(chǎn)50%以上，甚至絕收［3］。白葉枯病1909年首次在日本福岡地區(qū)出現(xiàn)，隨后在亞洲各國(guó)以及非洲、美洲和澳洲等地的水稻產(chǎn)區(qū)被發(fā)現(xiàn)，已成為一種世界性的水稻病害［4］。目前，我國(guó)除了新疆、西藏和東北北部以外，其余各稻區(qū)均有發(fā)生，尤其在南方稻區(qū)危害更為嚴(yán)重［3］?？剐曰虻难芯恳恢币詠?lái)都是水稻白葉枯病防治的重要內(nèi)容之一，并且已取得較大的成果。到目前為止，經(jīng)注冊(cè)確認(rèn)的和期刊報(bào)道的水稻白葉枯病抗性基因共38個(gè)，其中，Xa1、xa5、xa13，Xa21、Xa23、Xa26和Xa27等7個(gè)基因已成功被克?。?-11］。Xa21是第一個(gè)被克隆出來(lái)的水稻白葉枯病抗性基因，因其廣譜的抗性而受到廣泛的關(guān)注。

1 Xa21的發(fā)現(xiàn)、定位及克隆

Khush等［12］發(fā)現(xiàn)西非長(zhǎng)藥野生稻（Oryza longistaminata）在分蘗后期抗當(dāng)時(shí)菲律賓的全部6個(gè)小種。隨后經(jīng)雜交將其導(dǎo)入感病秈稻品種IR24，通過(guò)回交、雜交獲得BC4F2群體，分析其中兩個(gè)F2群體對(duì)菲律賓小種的抗性遺傳，表明其廣譜抗性由

一對(duì)顯性基因控制，為區(qū)別于已鑒定的抗性基因，命名為Xa21。后來(lái)進(jìn)一步育成以IR24為遺傳背景攜有Xa21的近等基因系IRBB21。

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各種DNA分子標(biāo)記技術(shù)包括RFLP、RAPD、SSR等相繼出現(xiàn)，為基因的定位、克隆打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Xa21基因發(fā)現(xiàn)后，許多科研工作者紛紛開(kāi)展其分子標(biāo)記定位工作。Ronald等［13］首先利用123個(gè)DNA標(biāo)記和985條隨機(jī)引物對(duì)含有Xa21的近等基因系進(jìn)行RFLP和RAPD分析發(fā)現(xiàn)，位于第11號(hào)染色體的標(biāo)記RG103和引物RAPD248、RAPD818與Xa21共分離，從而將Xa21定位在第11號(hào)染色體上；進(jìn)一步的遺傳作圖表明，3個(gè)DNA標(biāo)記與Xa21的遺傳距離均不超過(guò)1.2 cM。隨后，Song等［8］以RG103作為雜交探針從IRBB21的細(xì)菌人工染色體（BAC）和柯斯質(zhì)粒（cosmid）文庫(kù)中篩選出7個(gè)亞克隆，將亞克隆通過(guò)基因槍法導(dǎo)入到感病水稻品種TP309，獲得轉(zhuǎn)化植株。對(duì)轉(zhuǎn)化植株進(jìn)行Xoo接種試驗(yàn)，最后從1 500株轉(zhuǎn)化植株中篩選出50株轉(zhuǎn)化植株具有白葉枯病抗性，這50株轉(zhuǎn)化植株均攜帶有9.6 kb的KpnI亞克隆片段。進(jìn)一步的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，9.6 kb的KpnI基因組片段包含一個(gè)2.3 kb的HindIII DNA片段是水稻白葉枯病抗性所必需的。序列分析表明，9.6 kb的KpI片段包含一個(gè)3 075 bp的ORF以及一個(gè)843 bp的內(nèi)含子，即Xa21基因。

Xa21是水稻第11號(hào)染色體上多基因家族的一個(gè)成員，該家族包含至少8個(gè)成員［8，13］。隨后Song等又從水稻中克隆了6個(gè)Xa21基因家族成員，并將7個(gè)已克隆成員分別命名為A1、A2、B（Xa21）、C、D、E和F［8，14，15］。

2 Xa21分子生物學(xué)特性

2.1 Xa21的表達(dá)特征

許多水稻品系對(duì)病原菌的抗病反應(yīng)受水稻發(fā)育時(shí)期控制［16-19］。Century等［20］發(fā)現(xiàn)，Xa21介導(dǎo)的抗性強(qiáng)弱與水稻不同發(fā)育時(shí)期有關(guān)，從幼苗易受感染的2葉期開(kāi)始至5葉期，Xa21抗性表現(xiàn)逐漸增強(qiáng)，5葉期達(dá)到完全抗性的75%（9-10葉期表現(xiàn)完全抗性）；分析水稻不同發(fā)育時(shí)期Xa21的轉(zhuǎn)錄水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Xa21在不同發(fā)育時(shí)期的轉(zhuǎn)錄水平無(wú)明顯差異，且不依賴于Xoo侵染或創(chuàng)傷，因此推測(cè)Xa21介導(dǎo)的抗病反應(yīng)調(diào)控在轉(zhuǎn)錄后水平。而Zhao等［21］研究卻發(fā)現(xiàn)，Xa21轉(zhuǎn)錄在水稻2葉期處于低水平，隨發(fā)育時(shí)期逐漸升高，在分蘗盛期達(dá)到最高水平，與Xa21介導(dǎo)的抗性表達(dá)結(jié)果一致，據(jù)此推測(cè)Xa21抗性表達(dá)與Xa21轉(zhuǎn)錄水平有關(guān)，與Century等的研究結(jié)果相矛盾。前者采用的是半定量RT-PCR，而后者采用的靈敏度更高的qRT-PCR，且采取分期種植，同時(shí)取樣，降低環(huán)境因素的影響，結(jié)果更為可靠。

將帶有自身啟動(dòng)子和玉米啟動(dòng)子Ubi的Xa21分別導(dǎo)入水稻品種Kitaake獲得轉(zhuǎn)化植株，檢測(cè)轉(zhuǎn)化植株接種Xoo后不同時(shí)間點(diǎn)Xa21的表達(dá)，結(jié)果表明，Xa21的表達(dá)受Xoo侵染或創(chuàng)傷誘導(dǎo)；Ubi啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的Xa21呈組成型過(guò)量表達(dá)；接種試驗(yàn)表明組成型過(guò)量表達(dá)Xa21可以克服水稻白葉枯病抗性受發(fā)育時(shí)期的控制，使其水稻在苗期即表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗性［22］。

2.2 編碼產(chǎn)物XA21的生化特性

Xa21編碼產(chǎn)物XA21是一個(gè)由1 025個(gè)氨基酸組成的類受體蛋白激酶，包括幾個(gè)重要部分：LRR，跨膜區(qū)，近膜區(qū)和胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域［8］。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)前人已進(jìn)行綜述［23］，在此不再贅述。

XA21的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域（XA21K）包含絲氨酸-蘇氨酸激酶的所有保守氨基酸殘基特征。體外試驗(yàn)表明，大腸桿菌中表達(dá)的XA21K融合蛋白能夠自磷酸化；磷酸化氨基酸分析結(jié)果顯示，只有絲氨酸和蘇氨酸殘基能發(fā)生磷酸化，說(shuō)明XA21K是一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶；XA21K在含有10 mmol/L錳離子的緩沖液中的活性是含有鎂離子緩沖液的15倍以上；XA21對(duì)ATP的Km和Vmax分別是0.4 μm和8.4 nmol（mg·min）；XA21K自磷酸化反應(yīng)通過(guò)分子內(nèi)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且發(fā)生在多個(gè)絲氨酸和蘇氨酸殘基。此外，將保守的Lys736殘基置換成谷氨酸導(dǎo)致XA21的自磷酸化功能完全喪失［24，25］。

將野生型XA21和XA21K736E（Lys736置換成Glu736）分別導(dǎo)入水稻品種TP309中，通過(guò)免疫共沉淀將XA21和XA21K736E分別從轉(zhuǎn)基因植株總蛋白中分離出來(lái)，進(jìn)行自磷酸化檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)野生型XA21能發(fā)生自磷酸化，而XA21K736E不能發(fā)生自磷酸化，表明該位點(diǎn)的突變導(dǎo)致XA21激酶功能失

活，進(jìn)一步的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該位點(diǎn)的置換導(dǎo)致突變蛋白XA21K736E穩(wěn)定性降低。磷酸化位點(diǎn)分析表明XA21近膜（JM）結(jié)構(gòu)域的Ser686，Thr688及Ser689殘基均能發(fā)生自磷酸化，3個(gè)位點(diǎn)同時(shí)被丙氨酸置換后導(dǎo)致突變后的蛋白XA21S686A/T688A/S689A穩(wěn)定性降低。上述結(jié)果表明，水稻發(fā)育過(guò)程中XA21的Ser686，Thr688和Ser689自磷酸化功能對(duì)自身穩(wěn)定性具有保護(hù)作用，減弱蛋白酶對(duì)XA21的水解作用［26］。

3 Xa21的抗病分子機(jī)理

早在20世紀(jì)40年代Flor［27］就提出了植物與病原菌互作的“基因?qū)颍℅ene-for-gene）假說(shuō)”。該假說(shuō)的建立，為從分子生物學(xué)角度解釋寄主抗性奠定了理論基礎(chǔ)［27-29］。植物抗性基因與病原菌無(wú)毒基因產(chǎn)物之間互作而產(chǎn)生的抗性是植物抗病性的重要形式。植物模式識(shí)別受體（Pattern recognition receptors，PRRs）識(shí)別病原相關(guān)分子模式（Pathogen associated molecular patterns，PAMPs），激活體內(nèi)信號(hào)途徑，誘導(dǎo)防衛(wèi)反應(yīng)，限制病原物的入侵，這種PRRs對(duì)病原物的PAMPs識(shí)別引起的植物抗性，稱為植物免疫［30-32］。

3.1 Ax21的鑒定

帶有Xa21的水稻對(duì)白葉枯病菌的P6小種表現(xiàn)抗性［8，13］，根據(jù)基因?qū)蚣僬f(shuō)，P6小種理論上應(yīng)存在XA21專一性識(shí)別的無(wú)毒因子（avrXa21）。因此，自Xa21被克隆出來(lái)后，avrXa21的鑒定成為研究Xa21抗病分子機(jī)制的重要內(nèi)容。先后從白葉枯病菌P6小種中克隆了8個(gè)對(duì)avrXa21活性必需的基因［33-35］。根據(jù)序列特征和功能，這些基因可分為3類：第一類是硫代謝相關(guān)基因，包括raxP、raxQ和raxST；第二類I型分泌系統(tǒng)基因（Type one secretion systems，TOSS），包括raxA、raxB和raxC；第三類雙組分系統(tǒng)基因，包括raxH和raxR。根據(jù)影響avrXa21活性的基因產(chǎn)物的功能，推測(cè)avrXa21很可能是一個(gè)通過(guò)I型分泌系統(tǒng)分泌并且硫化的多肽。生物測(cè)定avrXa21活性試驗(yàn)進(jìn)一步證明avrXa21通過(guò)I型而不是III型分泌系統(tǒng)分泌［36］。

Lee等［37］采用反向高效液相色譜法（RP-HPLC）從P6小種的上清培養(yǎng)物中分離并獲得1種能夠引起XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)的組分，將該組分通過(guò)液相質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS/MS）分析鑒定出8種對(duì)應(yīng)于Xoo的蛋白質(zhì)共15條多肽，其中2條多肽對(duì)應(yīng)于PXO_03968的N端和C端肽段。分別構(gòu)建8種蛋白質(zhì)編碼基因的P6突變體并進(jìn)行接種試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PXO_03968基因突變后，造成帶有Xa21的水稻感病，最后確定PXO_03968基因編碼avrXa21，并重新命名 為 Ax21（Activator of XA21-mediated immunity）。Ax21由194個(gè)氨基酸組成，其N端硫化的17肽（axYs22）是引起水稻白葉枯病抗性的活性多肽，是識(shí)別和結(jié)合XA21所必需的。

序列分析表明，Ax21同源序列存在于所有已測(cè)序的Xanthomonas菌株、苛養(yǎng)木桿菌（Xylella fastidiosa）、嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌（Stenotrophomonas maltophilia） 中；axYS22多 肽 序 列 在 已 測(cè) 序Xanthomonas菌株中高度保守，從而確定了Ax21是病原相關(guān)分子模式，XA21是模式識(shí)別受體，同時(shí)也解釋了XA21具有廣譜抗性的原因［37］。

3.2 XA21的作用與調(diào)控

激酶包括精氨酸-天冬氨酸（RD）和非RD激酶。RD激酶帶有一個(gè)保守的精氨酸殘基位于具有催化性的天冬氨酸殘基前面；而非RD激酶則缺少保守的精氨酸，取而代之的是半胱氨酸或甘氨酸。植物基因組分析顯示水稻基因組存在328個(gè)編碼非RD激酶的基因，這些激酶主要位于細(xì)胞表面［38］，包括XA26，Pid2及XA21［8，39，40］。動(dòng)植物細(xì)胞表面的模式識(shí)別受體（PRRs）通常都帶有非RD激酶或與之相關(guān)，從而控制先天免疫信號(hào)傳導(dǎo)的早期事件［38，41，42］。模式識(shí)別受體FLS2是一個(gè)非RD激酶，它通過(guò)與RD激酶BAK1互作從而啟動(dòng)擬南芥防御反應(yīng)［41］，暗示了XA21可能與RD激酶互作從而介導(dǎo)水稻免疫反應(yīng)。

XA21家族成員XA21D，缺少跨膜區(qū)和激酶結(jié)構(gòu)域，對(duì)Xoo的抗性與XA21的抗譜相同，但抗性水平下降。Xa21與Xa21D LRR核苷酸序列具有99%的一致性，暗示XA21的LRR決定了水稻對(duì)病原菌種的特異性識(shí)別［43］。XA21識(shí)別Ax21，從而激活下游的磷酸化反應(yīng)［4］。有趣的是，XA21胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域保守的Lys736殘基（XA21K736E）突變導(dǎo)致XA21激酶功能失活，但能表現(xiàn)出類似于XA21D

的抗性水平［25］，表明XA21的激酶功能似乎不是介導(dǎo)先天免疫反應(yīng)所必需的，暗示可能存在與XA21共同發(fā)揮功能的調(diào)節(jié)子。

此外，近膜區(qū)的Ser686/Thr688/Ser689殘基突變導(dǎo)致XA21穩(wěn)定性下降，抗性減弱［25］，以及Thr705殘基突變導(dǎo)致XA21不能自磷酸化［44］等，表明XA21-Ax21的結(jié)合通過(guò)近膜區(qū)的調(diào)控來(lái)激活非RD激酶結(jié)構(gòu)域，引起XA21自磷酸化和激活下游蛋白，從而介導(dǎo)免疫反應(yīng)信號(hào)傳導(dǎo)。

XA21作用過(guò)程復(fù)雜，受到多基因的調(diào)控。目前，已報(bào)道的XA21結(jié)合蛋白有XB3［45］、XB10［46］、XB15［47］、XB24［48］和BiP3［49］。XB3具有E3泛素連接酶活性，是XA21蘇氨酸-絲氨酸蛋白激酶的作用底物。當(dāng)病原菌侵染時(shí)，XB3與XA21復(fù)合物的形成，促進(jìn)了XB3的磷酸化，從而引起下游信號(hào)及抗病反應(yīng)，是XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)的正調(diào)控因子［45］。具有ATP酶活性的XB24能夠結(jié)合并促進(jìn)XA21的自磷酸化。Xb24沉默植株增強(qiáng)XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)；反之，Xb24過(guò)表達(dá)植株則減弱XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)［48］。Xb10編碼轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY62，XB10與XA21結(jié)合，能夠抑制病原菌誘導(dǎo)的防衛(wèi)基因表達(dá)，從而負(fù)調(diào)控XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)［46，50］。XB15是一類PP2C蛋白磷酸酶，負(fù)調(diào)控細(xì)胞死亡和XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)［47］。此外，BiP3是一類內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶蛋白，過(guò)表達(dá)Bip3水稻植株導(dǎo)致XA21穩(wěn)定性降低，蛋白酶裂解被抑制，XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)減弱［49］。

3.3 XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)模式

2010年，Park等［51］綜合已有的研究結(jié)果提出了XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)模式：XA21多肽合成后經(jīng)過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)加工，然后運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)膜后發(fā)揮功能。Ax21不存在時(shí)，ATP酶XB24結(jié)合于XA21的胞內(nèi)近膜區(qū)，促使XA21特定絲氨酸/蘇氨酸殘基發(fā)生自磷酸化而處于失活狀態(tài)；當(dāng)Ax21識(shí)別并結(jié)合到XA21胞外LRR區(qū)域時(shí)，促使XA21從XB24/XA21蛋白復(fù)合體中解離出來(lái)，同時(shí)激活XA21的非RD激酶域。自磷酸化的Thr705 將磷?；D(zhuǎn)移給XA21的另一個(gè)殘基，從而激活了XA21。推測(cè)XA21可能將磷?；鶊F(tuán)轉(zhuǎn)移給XB3，從而激活下游的有絲分裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase，MAPK）級(jí)聯(lián)反應(yīng)，并將信號(hào)傳遞到核內(nèi)WRKY轉(zhuǎn)錄因子，從而調(diào)控防御相關(guān)基因的表達(dá)。隨后XB15結(jié)合到XA21胞內(nèi)近膜區(qū)的Ser697位點(diǎn)，使XA21已磷酸化的氨基酸殘基去磷酸化，從而減弱XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)（圖1）。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，XA21識(shí)別Ax21后，其胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域被剪切釋放并定位轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，這一過(guò)程是引起XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)所必需的［39］。由于轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子OsWRKY62（XB10）負(fù)調(diào)控XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)［46］，因此推測(cè)位于細(xì)胞核的XA21激酶結(jié)構(gòu)域與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子結(jié)合從而調(diào)控轉(zhuǎn)錄重新編程。雙分子熒光互補(bǔ)（Bimolecular fluorescence complementation，BiFC）分析表明水稻原生質(zhì)體細(xì)胞核內(nèi)，XA21激酶結(jié)構(gòu)域與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子OsWRKY62在細(xì)胞核內(nèi)確實(shí)存在直接的相互作用［52］。這些研究結(jié)果表明一種新的免疫受體作用模式：受體識(shí)別保守的微生物特征標(biāo)簽，相關(guān)激酶轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)直接與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子相互作用。

圖1 XA21介導(dǎo)的免疫反應(yīng)模型［50］

4 展望

Xa21是第一個(gè)被克隆的具有廣譜抗性的水稻白葉枯病抗性基因，對(duì)其進(jìn)行深入研究對(duì)植物抗病性理論的發(fā)展和水稻抗病育種應(yīng)用均具有重要的指導(dǎo)意義。盡管人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)植物對(duì)疾病的抗性反應(yīng)是R基因與avr基因產(chǎn)物互作的結(jié)果，但是關(guān)于寄主與病原菌的信號(hào)識(shí)別、傳遞以及防御反應(yīng)等復(fù)雜過(guò)程目前了解較少。研究XA21與Ax21之間的互作對(duì)于病原菌與寄主互作模型的建立、互作機(jī)理的認(rèn)識(shí)具有十分重要意義。目前，對(duì)XA21的分子生物學(xué)特性和抗病分子機(jī)理等已有較為深入的了解，但還有很多問(wèn)題未回答。例如，XA21對(duì)Xoo的抗性涉及信號(hào)通路，具體的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍需繼續(xù)探索；除了已知的結(jié)合蛋白外，XA21是否還存在其他直接作用的靶標(biāo)，數(shù)量有多少；XA21磷酸化是如何激活離子通道和NADPH氧化酶復(fù)合體等問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。盡管Xa21能抗當(dāng)時(shí)印度和菲律賓的所有小種［12］，但是隨著Xa21在抗病育種中的應(yīng)用，單一抗源的水稻品種在局部地區(qū)產(chǎn)生了新的致病菌株，或者地區(qū)間不同水稻種質(zhì)資源與不同病原菌小種的互作常表現(xiàn)出不同的抗性反應(yīng)。例如，IRBB21對(duì)廣東、廣西及浙江等地的白葉枯病小種IV、V及VI均不抵抗［53-55］，因此，IRBB21應(yīng)慎用于當(dāng)?shù)氐目拱兹~枯病育種。聚合多個(gè)抗病基因或發(fā)掘新的廣譜抗性基因應(yīng)用于水稻育種具有重要的意義。此外，以高度保守的信號(hào)分子Ax21作為藥物靶標(biāo)應(yīng)用于水稻白葉枯病防治是一個(gè)重要的研究方向。

［1］ Huang X, Kurata N, Wei X, et al. A map of rice genome variation reveals the origin of cultivated rice［J］. Nature, 2012, 490（7421）：497-501.

［2］ Mew TW. Current status and future prospects of research on bacterial blight of rice［J］. Annu Rev Phytopathol, 1987, 25（1）：359-382.

［3］ 章琦. 水稻白葉枯病抗性的遺傳與改良［M］. 北京：科學(xué)出版社, 2007：2.

［4］ Ronald PC. The molecular basis of disease resistance in rice［J］. Plant Mol Biol, 1997, 35（1-2）：179-186.

［5］ Yoshimura S, Yamanouchi U, Katayose Y, et al. Expression of Xa1, a bacterial blight-resistance gene in rice, is induced by bacterial inoculation［J］. PNAS, 1998, 95：1663-1668.

［6］ Iyer AS, McCouch SR. The rice bacterial blight resistance gene xa5 encodes a novel form of disease resistance［J］. Mol Plant Microbe Interact, 2004, 17：1348-1354.

［7］ Chu Z, Ouyang Y, Zhang J, et al. Genome-wide analysis of defenseresponsive genes in bacterial blight resistance of rice mediated by the recessive R gene xa13［J］. Mol Genet Genomics, 2004, 271：111-120.

［8］ Song WY, Wang GL, Chen L, et al. A receptor kinase-like protein encoded by the rice disease resistance gene Xa21［J］. Science, 1995, 270：1804-1806.

［9］ 王春連. 水稻抗白葉枯病基因Xa23的圖位克?。跠］. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院, 2006.

［10］ Sun X, Cao Y, Yang Z, et al. Xa26, a gene conferring resistance to Xanthomonas oryzae pv. oryzae in rice, encodes an LRR receptor kinase-like protein［J］. Plant J, 2004, 37：517-527.

［11］ Gu K, Tian D, Yang F, et al. High-resolution genetic mapping of Xa27（t）, a new bacterial blight resistance gene in rice, Oryza sativa L［J］. Theor Appl Genet, 2004, 108（5）：800-807.

［12］ Khush GS, Bacalangco E, Ogawa T. A new gene for resistance to bacterial blight from O. longistaminate［J］. Rice Genet News Lett, 1990, 7：121-122.

［13］ Ronald PC, Albano B, Tabien R, et al. Genetic and physical analysis of the rice bacterial blight disease resistance locus, Xa21［J］. Mol Gen Genet, 1992, 236（1）：113-120.

［14］ Wang GL, Holsten TE, Song WY, et al. Construction of a rice bacterial artificial chromosome library and identification of clones linked to the Xa27 disease resistance locus［J］. Plant J, 1995, 7：525-533.

［15］ Song WY, Pi LY, Wang GL, et al. Evolution of the rice Xa21 disease resistance gene family［J］. Plant Cell, 1997, 9：1279-1287.

［16］ Goel RK, Gupta AK. Host age in relation to resistance in rice to bacterial blight caused by Xanthomonas campestris pv. oryzae［J］. Trop Agric, 1990, 67：368-370.

［17］ Kim KD, Hwang BK, Koh YJ. Evaluation of rice cultivars under greenhouse conditions for adult-plant resistance to Pyricularia oryzae［J］. J Phytopath, 1987, 120：310-316.

［18］ Ogawa T. Methods and strategy for monitoring race distribution and identification of resistance to bacterial leaf blight（Xanthomonas

campestris pv. oryzae）in rice［J］. Japan Agric Res Quart, 1993, 27：71-80.

［19］ Yeh WH, Bonman JM, Lee EJ. Effects of temperature, leaf wetness duration, and leaf age on partial resistance to rice blast［J］. J Plant Prot Trop, 1989, 6：223-230.

［20］ Century KS, Lagman RA, Adkisson M, et al. Short communication：developmental control of Xa21-mediated disease resistance in rice［J］. Plant J, 1999, 20（2）：231-236.

［21］ Zhao J, Fu J, Li X, et al. Dissection of the factors affecting development-controlled and race-specific disease resistance conferred by leucine-rich repeat receptor kinase-type R genes in rice［J］. TAG Theoretical and Applied Genetics, 2009, 119：231-239.

［22］ Park CJ, Lee SW, Chern M, et al. Ectopic expression of rice Xa21 overcomes developmentally controlled resistance to Xanthomonas oryzae pv. Oryzae［J］. Plant Sci, 2010, 179（5）：466-471.

［23］ 萬(wàn)丙良, 張獻(xiàn)龍. Xa21基因的分子生物學(xué)研究進(jìn)展［J］.中國(guó)水稻科學(xué), 1998, 12（2）：115-118.

［24］ 白輝, 李莉云, 劉國(guó)振. 水稻抗白葉枯病基因Xa21的研究進(jìn)展［J］.遺傳, 2006, 28（6）：745-753.

［25］ Liu GZ, Pi LY, Walker JC, et al. Biochemical characterization of the kinase domain of the rice disease resistance receptor-like kinase XA21［J］. J Biol Chem, 2002, 277（23）：20264-20269.

［26］ Xu WH, Wang YS, Liu GZ, et al. The autophosphorylated Ser686, Thr688, and Ser689 residues in the intracellular juxtamembrane domain of XA21 are implicated in stability control of rice receptorlike kinase［J］. Plant J, 2006, 45（5）：740-751.

［27］ Flor HH. Inheritance of pathogenicity in Melampsora lini［J］. Phytopathology, 1942, 32：653-669.

［28］ Flor HH. Current status of the gene-for-gene concept［J］. Annual Review of Phytopathology, 1971, 9（1）：275-296.

［29］ 王育鵬, 劉登義, 李征, 等. 自然植物種群中病原菌與寄主植物相互作用的遺傳學(xué)［J］. 生態(tài)學(xué)雜志, 2005, 24（2）：190-194.

［30］ Medzhitov R, Janeway CA Jr. Innate immunity：impact on the adaptive immune response［J］. Curr Opin Immunol, 1997, 9（1）：4-9.

［31］ Medzhitov R. Toll-like receptors and innate immunity［J］. Nat Rev Immunol, 2001, 1（2）：135-145.

［32］ Boller T, Felix G. A renaissance of elicitors：perception of microbe-associated molecular patterns and danger signals by pattern-recognition receptors［J］. Annu Rev Plant Biol, 2009, 60：379-406.

［33］ Shen Y, Sharma P, da Silva FG, et al. The Xanthomonas oryzae pv. lozengeoryzae raxP and raxQ genes encode an ATP sulphurylase and adenosine-5'-phosphosulphate kinase that are required for AvrXa21 avirulence activity［J］. Mol Microbiol, 2002, 44（1）：37-48.

［34］ da Silva FG, Shen YW, Dardick C, et al. Bacterial genes involved in type I secretion and sulfation are required to elicit the rice Xa21-mediated innate immune response［J］. Mol Plant Microbe Interact, 2004, 17（6）：593-601.

［35］ Burdman S, Shen Y, Lee SW, et al. RaxH/RaxR：a two-component regulatory system in Xanthomonas oryzae pv. oryzae required for AvrXa21 activity［J］. Mol Plant Microbe Interact, 2004, 17（6）：602-612.

［36］ Lee SW, Han SW, Bartley LE, et al. From the Academy：Colloquium review. Unique characteristics of Xanthomonas oryzae pv. oryzae AvrXa21 and implications for plant innate immunity［J］. PNAS, 2006, 103：18395-18400.

［37］ Lee SW, Han SW, Sririyanum M, et al. A type I-secreted, sulfated peptide triggers XA21-mediated innate immunity［J］. Science, 2009, 326（5954）：850-853.

［38］ Dardick C, Ronald P. Plant and animal pathogen recognition receptors signal through non-RD kinases［J］. PLoS Patho, 2006, 2：e2.

［39］ Chen X, Shang J, Chen D, et al. A B-lectin receptor kinase gene conferring rice blast resistance［J］. Plant J, 2006, 46：794-804.

［40］ Sun X, Cao Y, Yang Z, et al. Xa26, a gene conferring resistance to Xanthomonas oryzae pv. oryzae in rice, encodes an LRR receptor kinase-like protein［J］. Plant J, 2004, 37：517-527.

［41］ Chinchilla D, Zipfel C, Robatzek S, et al. A flagellin-induced complex of the receptor FLS2 and BAK1 initiates plant defence［J］. Nature, 2007, 448：497-500.

［42］ Wan J, Zhang XC, Neece D, et al. A LysM receptor-like kinase plays a critical role in chitin signaling and fungal resistance in Arabidopsis［J］. The Plant Cell, 2008, 20：471-481.

［43］ Wang GL, Ruan DL, Song WY, et al. Xa21D encodes a receptorlike molecule with a leucine-rich repeat domain that determines race-specific recognition and is subject to adaptive evolution［J］.

The Plant Cell, 1998, 10：765-779.

［44］ Chen X, Chern M, Canlas PE, et al. A conserved threonine residue in the juxtamembrane domain of the XA21 pattern recognition receptor is critical for kinase autophosphorylation and XA21-mediated immunity［J］. J Biol Chem, 2010, 285（14）：10454-10463.

［45］ Wang Y, Pi L, Chen X, et al. Rice XA21 binding protein 3 is a ubiquitin ligase required for full Xa21-mediated disease resistance［J］. The Plant Cell, 2006, 18：3635-3646.

［46］ Peng Y, Bartley LE, Chen X, et al. OsWRKY62 is a negative regulator of basal and Xa21-mediated defense against Xanthomonas oryzae pv. oryzae in rice［J］. Molecular Plant, 2008, 1（3）：446-458.

［47］ Park C, Peng Y, Chen X, et al. Rice XB15, a protein phosphatase 2C, negatively regulates cell death and XA21-mediated innate immunity［J］. PLoS Biology, 2008, 6（9）：e231.

［48］ Chen X, Chern M, Canlas PE, et al. An ATPase promotes autophosphorylation of the pattern recognition receptor XA21 and inhibits XA21-mediated immunity［J］. PNAS, 2010, 107（17）：8029-8034.

［49］ Park CJ, Bart R, Chern M, et al. Overexpression of the endoplasmic reticulum chaperone BiP3 regulates XA21-mediated innate immunity in rice［J］. PLoS One, 2010, 5（2）：e9262.

［50］ Peng Y, Bartley LE, Canlas P, et al. OsWRKY IIa transcription factors modulate rice innate immunity［J］. Rice, 2010, 3：36-42.

［51］ Park CJ, Han SW, Chen X, et al. Elucidation of XA21-mediated innate immunity［J］. Cellular Microbiology, 2010, 12：1017-1025.

［52］ Park CJ, Ronald PC. Cleavage and nuclear localization of the rice XA21 immune receptor［J］. Nat Commun, 2012, 3：920.

［53］ 曾列先, 黃少華, 伍尚忠. IRBB21（Xa21）對(duì)廣東稻白葉枯病菌5個(gè)小種的抗性反應(yīng)［J］. 植物保護(hù)學(xué)報(bào), 2002, 2（29）：97-100.

［54］ 何翎, 高利軍, 鄧國(guó)富, 等. 廣西水稻白葉枯病有效抗病基因和抗性親本的篩選［J］. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 39（27）：16604-16605.

［55］ 鄭康樂(lè), 莊杰云, 王漢榮. 基因聚合提高了水稻對(duì)白葉枯病的抗性［J］. 遺傳, 1998（4）：4-6.

（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Advances of Molecular Biology Researches on Rice Bacterial Blight Disease Resistance Gene Xa21

Chen Xiaolin Yan Qun Gao Lijun Gao Hanliang
（Guangxi Key Laboratory of Biology for Crop Diseases and Insect Pests，Plant Protection Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Nanning 530007）

The bacterial blight of rice caused by Xanthomonas oryzae pv. oryzae（Xoo）is one of the most destructive diseases in the world. Up to now, 7 bacterial blight resistance genes have been cloned. Xa21 is the first bacterial blight disease resistance gene cloned from rice and it has drawn great attention because of its broad spectrum resistance against Xoo. This paper briefly reviewed the discovery, mapping, cloning, expression properties of Xa21, biochemical properties, action and regulation of XA21 and XA21-mediated immunity. Future perspective on Xa21-related research were also discussed.

Rice Bacterial blight Resistance gene Xa21

2013-09-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題（2012BAD19B03），國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系廣西（水稻）創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，廣西作物病蟲(chóng)害生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（13-051-47-ST-3），廣西“特聘專家”專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助

陳小林，女，博士，研究方向：病原菌與植物的分子互作；E-mail：56297244@qq.com

高漢亮，男，研究員，研究方向：水稻抗病育種；E-mail：gxdwb2008@163.com