蘇 菁，陳 深，朱小源

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所/廣東省植物保護(hù)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yán)重威脅糧食安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(fù)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(jì)、有效的方法，深入研究植物免疫及抗病機(jī)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(jìn)化，形成了多層次的防御機(jī)制，包括細(xì)胞外免疫，如氣孔免疫、根際免疫和胞間免疫；細(xì)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(xì)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(rèn)，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(xì)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(xì)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(xì)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(shí)現(xiàn)對機(jī)體系統(tǒng)抗性的激活，如氣孔開閉、防衛(wèi)細(xì)胞的細(xì)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(dá)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(xì)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(xì)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(diǎn)發(fā)生超敏反應(yīng)（Hypersensitive Response, HR）將病原物殺死在局部侵染細(xì)胞中；并由信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)延伸到遠(yuǎn)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(qiáng)烈而明顯，所以目前NLR是報(bào)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(diǎn)（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(qiáng)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(yùn)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(diǎn)［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(yán)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(xì)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，小種專化特異性基因介導(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(jī)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(jìn)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(qiáng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(xiàn)，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(bào)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(xiàn)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(xiàn)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(shí)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(shí)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(dá)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(bào)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(qiáng)。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(yùn)/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(fù)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(diǎn)。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(rèn)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(dá)能增強(qiáng)對稻瘟菌的抗性［31］。

1.2 稻瘟病廣譜抗性的分子機(jī)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(jī)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(dá)、抗毒素合成以及木質(zhì)素增厚等［4］。例如，OsBBI1的過表達(dá)促使水稻植物在細(xì)胞中積累高水平的H2O2，在細(xì)胞壁中積累高水平的酚類化合物，導(dǎo)致細(xì)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(xì)胞程序性死亡，伴隨著ROS爆發(fā)，進(jìn)而增強(qiáng)對稻瘟菌的抗性［31］。

自 1999年，Kawasaki［32］報(bào)道了水稻 OsRac1是激發(fā)ROS產(chǎn)生和細(xì)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(jìn)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(xì)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(xì)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(jìn)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(diǎn)，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(jī)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(dá)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(jìn)而激活WRKY45的轉(zhuǎn)錄，最終導(dǎo)致對多種稻瘟菌的免疫增強(qiáng)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(shí)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(qiáng)的抗性，通常強(qiáng)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(jī)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(jī)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(xì)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(rèn)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(jī)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(qiáng)的抗性［43］。xa5因?yàn)榫幋a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(jī)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(rèn)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(xì)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(qiáng)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(fù)調(diào)節(jié)模式的白葉枯病［4］。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(jī)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(xì)胞壁疏松，觸發(fā)廣譜的基礎(chǔ)抗性，抵抗細(xì)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(fù)面影響，抑制OsGlip1和OsGlip2可增強(qiáng)對細(xì)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(jìn)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(qiáng)PR基因的表達(dá)，具有廣譜抗細(xì)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(dá)WRKY45增強(qiáng)了對細(xì)菌病原體Xoo、Xoc以及真菌病原的抗性，但過量表達(dá)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(xì)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(xì)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(jī)理進(jìn)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(jìn)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(jī)理研究報(bào)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(jī)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(jì)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(shí)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(hù)、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(hù)學(xué)科領(lǐng)域資助各類項(xiàng)目360余項(xiàng)，金額達(dá)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(jìn)的研究平臺，引進(jìn)技術(shù)結(jié)合自身創(chuàng)新，我國在植物抗病機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)行編輯，創(chuàng)制了白葉枯抗性增強(qiáng)的水稻［62-63］。

基于廣譜抗病機(jī)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(dá)到提高作物廣譜抗病性的目標(biāo)［64］。田間試驗(yàn)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(jī)遇，也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。首先，廣譜抗病新基因的發(fā)掘效率和準(zhǔn)確性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)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(jī)理達(dá)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(yùn)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(jī)理以及病害發(fā)生、發(fā)展過程中復(fù)雜的互作機(jī)理和植物響應(yīng)侵害的分子免疫機(jī)制都是未來的重點(diǎn)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(qiáng)烈的危機(jī)感，又要有信心積極應(yīng)對。首先是進(jìn)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(jī)理；并利用先進(jìn)、高效的方法獲得廣譜抗病性增強(qiáng)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(jī)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(qiáng)化和維持的調(diào)控機(jī)制；（3）解析作物—病原—環(huán)境互作不同生物間信息流、精細(xì)調(diào)控作物免疫及與病原生物互作的機(jī)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(jī)制，利用基因編輯、小RNA誘導(dǎo)沉默等負(fù)向調(diào)控的策略設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)理的基礎(chǔ)上，注重新鑒定的廣譜抗病基因在育種實(shí)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。