水稻类病变突变体及抗病性的研究进展

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水稻白叶枯病研究进展

水稻白叶枯病研究进展

水解酶类 .水稻白叶枯病菌除不产生淀粉酶 外,纤维素酶、蔗糖酶、木聚糖酶、磷酸 脂酶、卵磷脂酶和蛋白酶均能产生。这些 酶在病叶组织中的活性均高于健叶组织。 通过对用Tn5诱变的无毒菌株的生化行为的 研究,我们发现所有无毒突变体除淀粉酶 活性有质的变化(阴性变为阳性外),蛋白 酶活性增强,EPS产量增加,大多数突变体 的果胶酶活性是从无到有,纤维素酶活性 基本不变,大多数突变体的脂酶活性有所 降低。这一研究结果表明Xoo的胞壁水解酶 和胞外多糖与其致病性并没有严格的相关 性。
条斑 气孔
+ + - +
65.0%
Xco-1-/Xcocola+
表1
水稻黄单胞两个致病变种的遗传和生理生化特征
(二)小种分化 小种分化是指病原菌在不同 品种特异性互作关系。自60年代起,日本、 菲律宾国际水稻所和我国相继对水稻白叶 枯病菌的小种分化进行了研究。由于对水 稻白叶枯病菌在水稻品种上特异性互作的 标准还存在不同的看法,各国间对水稻白 叶枯病菌小种的致病性分化分别表示为小 种和致病型(表2,3,4)。
水稻白叶枯病研究进展
白叶枯病是水稻上的重要病害,在全球五大洲 中,除欧洲外均有报道。环亚洲太平洋各国发生 较为频繁,其中亚洲,特别是南亚和东南亚各国 发生较高。在我国除新疆外,其它各省市都有报 道。尽管由于抗病品种的应用,水稻白叶枯病已 得到一定程度的控制,但每年尚有近1亿亩发病 面积,其中防治面积仍达3000万亩,所以该病在 我国仍是不容忽视的问题。 由于问题的重要性,世界各国,特别是亚洲国家 都特别重视对该病的研究。美国、日本、菲律宾 、印度和我国植物病理学家都对水稻白叶枯病的 研究做出重要贡献。
表5
日本与菲律宾国际水稻研究所推荐用以监测水稻 白叶枯病菌小种分布及新基因鉴定的国际鉴别品种

水稻“9311”突变体库扩建及部分突变性状分析

水稻“9311”突变体库扩建及部分突变性状分析

浙江大学硕士学位论文水稻“9311”突变体库扩建及部分突变性状分析姓名:***申请学位级别:硕士专业:作物遗传育种指导教师:***20070501NaCl营养液模拟盐环激进行耐盐突变体的筛选;用25%的PEG(6000)营养液进行耐旱突变体的筛选;用O.2%的basta喷雾进行耐除草剂的筛选;在4℃培养箱中进行耐寒突变体的筛选;各处理的筛选时问为8天。

筛选到的变异材料及时移栽大田,成熟后分单株收获种子(M3),继续催芽和根系性状观察,进行突变体突变特征的鉴定。

囤3.1苗期突变体的筛选Fig.3-1Thescreeningmethodofmulants33.2稻米品质性状突变体的筛选332JM2植株的稻米品质性状突变体筛选y射线诱变后代M2各单株上的稻穗(为M3种子,由于是M3种子长在M2植株上,为叙述方便,在结果与分析中仍称为M2品质突变体),在实验室分单株脱粒。

采用稻米测定的标准方法(GB5495),每个单株称取269种子,用JLGJ4.5型出糙机(浙江黄岩粮油仪器厂)去壳成糙米,在x射线胶片观测灯下观测糙米材料,对糙米外观性状(包括糙米颜色、大小、形状;胚大小;稻米垩白等)进行筛选,记载变异材料编号及相应变异性状。

稻米品质测定采用美国马里萨斯州生产的近红外谷物品质分析仪(NIRSystem5000).近红外测定时选用直径为36mm的石英测量杯,样品为糙米,样品水分含量经过平衡,为12%左右。

每样品装样一次,39糙米,通过改变测量杯的位置每样品扫描两次,在波长为1100~2498的范围内,每隔2rim采集反射强度,收集光谱。

根据收集的光谱基于近红外反射光谱技术平台WinISIII,version1.04(Infrasoftinternationalinc.,PortMatilda,Pa.,uSA)进行诱变群体M2单株品质性状分析。

本试验中着重分析了稻米直链淀粉含量、碱消值、蛋白质含量、苏氨2l4.1.4植株形态性状突变体特性通过Y射线处理,在籼稻“9311”中发现了一些不同类型的突变体。

水稻脆性突变体研究进展

水稻脆性突变体研究进展

影 响 水 稻 的 抗 倒 伏 ,还 影 响着 水 稻 的 产 量 和 品 质 。水 稻 脆 性 突 变 体 具 有 纤 维 素 含 量 低 、木 质 素 含 量 高 、营 养 成 分 改 变 和 脆 性 增 加 等 特 点 ,是 研 究 抗 倒 伏 育 种 的重 要 材 料 , 也 可 作 为 选 育 谷 秆 两 用 型 水 稻 的 中 间材 料 。综 述 了 水 稻 脆 性 突 变 体 的来 源 、形 成 机理 和脆 性 相 关 基 因 的 定 位 、 克 隆 及 其 功 能 的 研 究 进 展 ,并 阐述 了 脆 性 突 变 体 在 水 稻 常 规 育 种 、转 基 因育 种 和 谷 秆 两 用 稻 育 种 方 面 的 应 用 。 关 键 词 :水 稻 ;脆 性 突 变 体 ;基 因 克 隆 ;应 用研 究
福 建农 业 学报 2 ( ) 8 5 9 ,0 1 6 5 : 9 ~8 8 2 1
F ja o r a f Ag iu tr l ce cs u inJ u n l r l a i e o c u S n
文 章 编 号 :1 0 —0 8 ( 0 1 5 9 ~0 0 8 3 4 2 1 )0 —8 5 4
d a— up s i ait s Sn ei c n ito u e cl ls- ers ,l nnices n / rn tio - df ain o ie u l r oe r e v r i . ic t a n rd c el o ed cae i i-n rae a d o urt n mo ict n r p c ee u g i i o c
a s t il n u lt Co mony f u lo isyed a d q aiy. m l o nd, t e rc ite e s m u a t c l e u e n r e n e g an a — ta h ieS brtln s t n oud b s d i b e dig n w r i- nd sr w

稻瘟病(Magnaporthe grisea)研究进展图片

稻瘟病(Magnaporthe grisea)研究进展图片

• 一个较大范围的遗传事件导致AVR2YAMO基因在其调聚位点失活 • 中国的谱系Ⅴ的菌株有同样大小AVR2YAMO E coR I片断(大约1.8kb) • 菌株有AVR2- YAMO调聚位点,具有与那 些研究相似的遗传不稳定性结果。
2.转位因子
• 转位因素提供了一个可证实的M.grisea遗 传变异的来源。已确定4簇的转位因子, 同时几个明显没有特征的重复DNA序列。 包括一个推断回复因素,即名为MGR538
三、致病的分子机理
• 1.侵入 • 2.扩展 • 3.孢子形成
1.侵入
• 稻瘟病菌已进化了一种复杂的机械侵入寄主组 织的机理,使用一种专门的附着胞,可能产生 最高的所知膨胀压。
• 附着胞发育特征包括附着胞孔,与基质相连接, 孔壁的覆盖物,和有局部浓缩的侵入栓,细胞外 的粘液和胶质物在侵入过程起关键作用。 • 遗传或化学方法阻止黑色素DHN的生物合成, 使附着胞不能产生侵染功能。沉积在原生质膜 和附着胞壁较厚一层黑色素,在附着胞内对可 溶性小分子渗透性起着栅栏作用。对构建巨大 的侵染栓压力起关键作用,估计在8obar,对非 生物降解,人工表面病菌使用机械侵入方式, 调节压力。构建的可溶性分子可能来源于糖原 的分解,因为在侵入前压力构建期,细胞质糖 原球体消失。
• 第二个惰性基因,PWL3,来自同一稷属 病菌和另一个惰性基因PWL4来自弯叶画 眉草,都已克隆。克隆的PWL3基因编码 一个无活性的蛋白质,PWL4基因编码一 个活性的蛋白质,但不表达 • PWL1 、 PWL3 和 PWL4 蛋白质分别与PWL2 蛋白质有74、49和55%相似性,PWL基因 看来是一个动态的,快速进化的基因族。
2.AVR2-YAMO无毒基因族
• AVR2-YAMO基因整个存在在一个调聚 15kbDNA片断内。这个基因编码含223氨 基酸的蛋白质。 • 在水稻病菌、马唐属病菌和狼尾草属病 菌中,存在AVR2-YAMO较高同源性的序 列。

水稻突变体库的建立和应用研究

水稻突变体库的建立和应用研究

水稻突变体库的建立和应用研究近年来,随着基因编辑和高通量测序技术的飞速发展,水稻的研究也在不断深入。

而建立水稻突变体库,则是深入研究水稻基因功能的一个重要途径。

一、水稻突变体库的建立水稻突变体库的建立可以通过自然突变、人工诱导突变、基因编辑等手段实现。

1.自然突变自然环境中,水稻种子发生的各种突变现象称为自然突变。

自然突变可发生在植物种子的任何一个位置,包括种子表皮、胚芽和子叶。

因此,建立自然突变体库需要大量的品种资源和大量的随机筛选。

目前,已有一些水稻突变体库通过自然选择建立。

2.人工诱导突变人工诱导突变利用化学物质或物理手段来诱导植物种子发生基因突变,主要包括化学处理法和物理诱变法。

比较流行的诱变方法有亚硫酸氢钠处理、辐射诱变、化学处理等。

3.基因编辑与诱变方法相比,基因编辑技术能够直接对基因进行准确的编辑和调控。

目前,已有多种基因编辑技术应用于水稻基因编辑,包括CRISPR/Cas9、TALEN和ZFN等。

二、应用研究水稻突变体库对于研究水稻的基因功能和农业生产有着很大的意义。

1.基因功能研究通过水稻突变体库,可以筛选出各种基因突变体,进而研究每个基因的功能和作用机制。

基因编辑技术可以用于制造有针对性的基因突变,从而帮助研究人员更准确地研究每个基因的功能。

2.优良特性筛选水稻突变体库还可用于筛选优良水稻品种。

通过筛选出在某种环境下表现优异的品种,可以帮助农业生产者进行更有针对性的种植和育种。

3.抗病性研究通过水稻突变体库,可以筛选出对疾病有抗性的突变体,进而研究疾病的致病机制和治疗方法。

结论在现代农业发展过程中,水稻作为重要的粮食作物在人们日常生活中扮演着重要的角色。

水稻突变体库的建立和应用研究,可以更好地为保障国家粮食安全做出贡献。

通过突变体库,我们可以更加清晰地研究每个基因的功能和特性,甚至可以为未来的水稻育种提供更多有价值的资源。

水稻细菌性条斑病和抗性育种研究进展

水稻细菌性条斑病和抗性育种研究进展
与栽培稻相比,野生稻更富含细条病抗性资源, 岑贞陆等¨1鉴定了1251份野生稻和栽培稻材料,其 中,977份广西野生稻中有37份表现为抗性反应, 150份国际稻圃材料中有23份表现为抗性反应, 124份广西区试品种中有3份表现为中抗,表明野 生稻、地方老品种及外引品种中抗源较为丰富。徐 羡明等一1从2017份普通野生稻中,筛选出30份抗 细条病材料。彭绍裘等¨刮对分布于我国云南省的 3种野生稻进行了生态和病害的考察,发现疣粒野 生稻和药用野生稻对水稻白叶枯病和细条病均表现 出高抗。此外,黄大辉等【1川从31份药用野生稻发 现了15份抗病材料,抗性材料比率高达48.4%。 综合分析认为,水稻细条病的抗源是丰富的,特别是 普通野生稻中存在丰富的抗性资源,发掘野生稻的 细条病抗性资源,对抗病品种的选育有着重要的 意义。
Key words:Rice;Bacterial leaf streak;Gene;Breeding
水稻细菌性条斑病(bacterial leaf streak,BLS,简 称细条病)是由Xanthomonas oryzae pv.oryzicola,(简 称XooC)侵染引起的细菌性病害。该病是目前威胁 我国南方稻区水稻生产的重要病害,也是我国、美国 和澳大利亚等国重要的检疫性水稻病害…。据估 计,当气候条件适宜时,水稻细条病能在感病品种上 引起15%一25%损失,严重时可达40%一60%¨1。 发掘利用新抗源,培育抗病品种是控制该病害最经
辐射诱变结合常规选育和新兴的水稻无融合生 殖育种技术,无形中推动了水稻细条病抗性育种的 发展,足见多种育种方法综合利用在细条病抗性育 种中的潜力。分子标记辅助选择(molecular marker. assisted selection,MAS)技术,在细条病抗性育种中 也得到初步的应用。陈志伟等日3j筛选出3个细条 病抗性QTL紧密连锁的SSR标记,并应用于把高抗 细条病的品种Acc8558中的抗病基因导人到高感细 条病的品种珍汕97B中的回交育种中,感病亲本抗 性得到明显提高。用这种方法可实现选育持久抗病 品种,如将多个不等位的抗病基因聚合到同一品种

分子标记辅助选择在水稻抗病育种研究进展

分子标记辅助选择在水稻抗病育种研究进展官华忠摘要:随着水稻高密度分子遗传图谱的构建和重要农艺性状的基因或QTL的定位,分子标记辅助选择逐渐用于质量和数量性状的遗传改良。

本文综述了分子标记辅助选择在水稻抗稻瘟病、抗白叶枯病和抗细菌性条斑病的育种应用的研究进展,存在的问题和展望。

关键词:分子标记辅助选择,水稻育种,稻瘟病,白叶枯病,细菌性条斑病水稻是全球重要的粮食作物之一,全世界有25亿以上的人口主食大米,其中中国是世界上最大的水稻生产和消费国,60%人口以稻米为主要食粮。

自从实现杂交水稻三系配套以来,我国杂交水稻年种植面积1533.33万hm2左右,约占水稻总面积的50%,而产量则占水稻总产的近60%[1],为我国粮食生产做出了巨大贡献。

然而,水稻病害的危害一直严重地影响着水稻生产。

水稻病害种类很多,全世界有近百种,我国正式记载的达70余种,其中具有经济重要性的有20余种[2]。

稻瘟病、白叶枯病发生面积大,流行性强,危害严重,两者均为水稻“三大病害”之一;同时由于近年来随着感病杂交水稻的大面积推广,细菌性条斑病发生日趋广泛和严重,也已成为我国南方稻区最重要的水稻病害之一。

因此,筛选出具有持久抗瘟能力的种质资源做供体亲本,采用相宜的杂交配组方式,从而培育具有持久抗瘟能力的不育(保持)系和恢复系,并推广和种植抗病品种,是防治水稻稻瘟病病害的最经济有效的措施。

目前国内多数育种单位还基本上是靠传统的方法进行抗病育种,依赖于抗性鉴定和植株表型的选择,常常受到没有合适的致病菌株和病菌发病条件的限制,鉴定结果不准确,育种效率低[3]。

此外,用传统方法构建基因累加系(即基因聚合)是很困难的,难于选育出聚合多个抗病基因的持久抗病品种。

利用生物技术培育持久抗病性品种是现代开辟的新途径。

例如分子标记辅助选择(Maker assisted selection, MAS),这种技术是通过分析与抗病基因紧密连锁的分子标记的基因型来对目标基因进行选择。

水稻白叶枯病抗性基因Xa21的分子生物学研究进展

水稻白叶枯病抗性基因Xa21的分子生物学研究进展陈小林;颜群;高利军;高汉亮【摘要】由黄单胞杆菌水稻致病变种Xanthomonas oryzae pv.oryzae(Xoo)引起的白叶枯病是水稻重要细菌性病害之一.迄今,已有7个水稻白叶枯病抗性基因被克隆.Xa21是第一个被克隆的白叶枯病抗性基因,因具有广谱抗性而受到广泛的关注.对Xa21的发现、定位及克隆、表达特征、编码产物XA21的生化特性、作用与调控以及XA21介导的免疫反应模式等方面的研究结果进行综述,并对今后的研究方向进行展望.【期刊名称】《生物技术通报》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】7页(P8-14)【关键词】水稻;白叶枯病;抗性基因;Xa21【作者】陈小林;颜群;高利军;高汉亮【作者单位】广西作物病虫害生物学重点实验室广西农业科学院植物保护研究所,南宁530007;广西作物病虫害生物学重点实验室广西农业科学院植物保护研究所,南宁530007;广西作物病虫害生物学重点实验室广西农业科学院植物保护研究所,南宁530007;广西作物病虫害生物学重点实验室广西农业科学院植物保护研究所,南宁530007【正文语种】中文由黄单胞杆菌水稻致病变种(Xanthomonas oryzaepv.oryzae,Xoo)引起的水稻白叶枯病是水稻最严重的细菌性病害之一[1,2]。

受白叶枯病危害的田块一般减产10%-20%,严重的减产50%以上,甚至绝收[3]。

白叶枯病1909年首次在日本福冈地区出现,随后在亚洲各国以及非洲、美洲和澳洲等地的水稻产区被发现,已成为一种世界性的水稻病害[4]。

目前,我国除了新疆、西藏和东北北部以外,其余各稻区均有发生,尤其在南方稻区危害更为严重[3]。

抗性基因的研究一直以来都是水稻白叶枯病防治的重要内容之一,并且已取得较大的成果。

到目前为止,经注册确认的和期刊报道的水稻白叶枯病抗性基因共38个,其中,Xa1、xa5、xa13,Xa21、Xa23、Xa26和Xa27等7个基因已成功被克隆[5-11]。

OsNramp5_基因突变影响水稻重要农艺性状的研究进展

中国水稻科学(Chin J Rice Sci), 2022, 36(6): 562-571 562 DOI: 10.16819/j.1001-7216.2022.20220316 OsNramp5基因变异影响水稻重要农艺性状的研究进展李小秀1吕启明1, 2袁定阳1, 2, *(1湖南大学研究生院隆平分院, 长沙 410125; 2湖南杂交水稻研究中心/杂交水稻国家重点实验室, 长沙 410125; *通信联系人, email: *********************.cn)Research Progress on the Effects of OsNramp5 Mutation on Important Agronomic Traits in RiceLI Xiaoxiu1, LÜ Qiming1, 2, YUAN Dingyang1, 2, *(1 Longping Branch of Graduate School, Hunan University, Changsha 410125,China; 2Hunan Hybrid Rice Research Center / State Key Laboratory of Hybrid Rice, Changsha 410125, China; *Correspondingauthor,email:*********************.cn)Abstract: Developing low-cadmium (Cd) rice cultivars is the most economical and effective way to solve the problem of “Cadmium Rice”. Previous studies have shown that OsNramp5 is the major transport gene for Cd uptake in rice. The functional deficiency of OsNramp5 leads to a significant decrease in the content of Cd in rice grains, and the uptake of manganese (Mn) is also affected. However, in previous studies on the effect of OsNramp5 variation on rice growth and development, the conclusions were inconsistent. The systematic understanding of the effects of OsNramp5 mutation on important agronomic traits in rice will promote the development of new rice cultivars with low-Cd and high-quality. This manuscript focuses on the effects of OsNramp5 mutation on the content of metal ions, growth and development, yield and quality of rice, so as to provide scientific guidance for the breeding of new rice cultivars with low Cd accumulation by OsNramp5 mutation.Key words: rice; OsNramp5; cadmium; manganese; agronomic trait摘要:筛选和培育镉(Cd)低积累水稻品种是解决稻米镉污染问题最经济、有效的办法。

水稻类病变突变体及其基因的研究进展


[ 1 5 ]宋
敏 .农 业 知 识产 权 [ M] .北 京 : 中 国农 业 出 版社 ,
2 7 3 1 6 5 ) ( 曲阜师范大学生命科学学 院 , 山东 曲阜 摘
要: 类病变 突变 在植 物抗病及细胞程序性死 亡等过程 中发挥着 极其重 要的作用同时 , 在水 稻类病 变基 因的定位 、 克 隆及作 用机 理等方 面 的研 究也取 得 了较大 进
的逆 境 、 损伤 或病 原物 侵 害时 , 就 能在 叶片上 自发 形成 坏死 斑 ( 1 e s i o n ) , 其 症状 与某 种 病原 物侵 染 时
的超 敏 反 应 ( h y p e r s e n s i t i v e r e s p o n s e , H R) 症 状 非 常类 似 , 这类 突 变体 被 称 为 类 病 变 突 变 体 … 。根 据病 斑形 成方 式 的不 同 , 类 病 变 可 分 为 扩散 型 和
山东 农 业 科 学
2 0 1 3 , 4 5 ( 5 ) : 1 3 3—1 3 7
S h a n d o n g A g r i c u l t u r a l S c i e n c e s
水 稻 类 病 变 突变 体 及 其基 因的 研 究 进 展
王海杰 , 秦 月月, 董 娜 , 赵 力, 李文英 , 李 秀兰
周扩散 , 最 后 扩散 到 整 个 叶 片 甚 至茎 秆 或 整 个 植
株; 而起始 型是 指无 外界 因 素激 发 的条 件 下 , 细胞
1 水 稻 类 病 变 突 变体 的 抗 病 性
与其 他 突变 体一 样 , 类 病 变 突变 体 既 可 自发 形成 , 也可 人工 诱变 而成 , 但 前者 的 突变频 率非 常 低, 大 多数 采用 人 工诱 变获 得 。近年 来 , 人 们 利用
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植物病理学报ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA㊀41(1):1-9(2011)收稿日期:2009-05-04;修回日期:2010-09-23基金项目:国家自然科学基金资助项目(30771329;30800677);国家转基因重大专项(2008ZX 08009-003);浙江师范大学创新团队项目通讯作者:马伯军,教授,主要从事植物抗病分子遗传学研究;E-mail:mbj @第一作者:陈析丰(1980-),男,浙江温州人,硕士,主要从事植物抗病分子遗传学研究㊂췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍专题评述水稻类病变突变体及抗病性的研究进展陈析丰,金杨,马伯军*(浙江师范大学化学与生命科学学院,金华321004)摘要:植物类病变突变体是一类在没有病原物侵染情况下就能自发产生坏死斑的突变体,这类突变往往导致植株的抗病增强和防御相关基因的组成性表达㊂水稻中已报道了将近200个来源不同的类病变突变体,截至2009年5月底52个水稻类病变突变体已被鉴定和命名,其中6个控制类病变性状的基因被克隆,它们分别编码不同的蛋白,包括热激蛋白转录因子㊁E3泛素连接酶㊁酰基转移酶㊁质膜蛋白激酶㊁锌指蛋白和锚蛋白㊂尽管这些蛋白不是直接与植物抗病途径相关,但是在41个已鉴定的水稻类病变突变体中,绝大多数提高了对白叶枯病或稻瘟病的抗性,表明这些类病变基因的突变激活了植株的防御系统,并且不同的类病变基因可能参与了不同的抗病信号传导途径㊂深入研究水稻类病变突变体对作物抗病的分子机理研究和栽培品种的遗传改良都具有重要的意义㊂关键词:水稻;类病变突变体;基因鉴定;抗病性Progress on the studies of rice lesion mimics and their resistant mechanism to the pathogens㊀CHEN Xi-feng ,JIN Yang ,MA Bo-jun㊀(College of Chemistry and Life Sciences ,Zhejiang NormalUniversity ,Jinhua 321004,China )Abstract :Lesion mimic mutants are characterized as the formation of necrotic lesions in the absence of pathogens ,and such genetic defects often result in enhanced resistance to pathogen infection and constitutive expression of defense response genes.About 200rice lesion mimics were found by different strategies ,52of which had been identified by the end of May ,2009.Six genes had been cloned from these identified mutants and encoded distinct proteins including heat stress transcription factor ,E3ubiquitin ligase ,acyltransferase ,cy-toplasmic protein kinase ,zinc finger protein and ankyrin repeats protein.Although none of these proteins ap-peared to be directly involved in plant defense pathways ,most of the 41lesion mimics exhibited the resistance to Xanthomonas campestris pv.oryzae or Magnaporthe grisea and constitutive expression of typical defense-response marker genes such as callose ,autofluorescence martials ,phytoalexin ,reactive oxygen specie ,and pathogen-related genes.It was indicated that these lesion mimic mutations activated the defense system in plants ,but they probably functioned in distinct signaling pathways.Thus ,extensive studies of rice lesion mi-mics will promote the better understanding of molecular mechanisms on the crop resistance to pathogens and genetically improve resistance breeding in crops.Key words :rice ;lesion mimics ;gene identification ;pathogen resistance中图分类号:S432.21㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:0412-0914(2011)01-0001-09㊀㊀植物类病变突变体(lesion mimic mutant )是指一类在没有逆境㊁损伤或病害情况下就能自发形成㊀植物病理学报41卷类似病原物侵染的坏死斑(lesion)的突变体[1]㊂第一个植物类病变突变体是从玉米中被发现的[2],近年来在拟南芥[3]㊁大麦[4]㊁水稻[5]㊁玉米[6]㊁花生[7]和大豆[8]等其他植物中也发现了大量这类突变体㊂由于植物类病变突变体都能自发地表现出坏死的表型,这使学者们推测它们可能具有一些共同的机制[9]㊂近年来发现类病变坏死的表型与植物防卫过程中的过敏反应(hypersensitive response,HR)非常相似,而且许多类病变突变体对某些植物病原体也表现出一定的抗性[3,4,10]㊂HR 是植物受非亲和性病原菌感染后,侵染部位细胞迅速死亡,从而限制病原菌增殖的一种植物的特异性防卫反应,属于细胞程序性死亡(programmed cell death,PCD)[11]㊂因此,类病变突变体成为了研究植物抗病性机制和PCD途径的理想材料,受到了诸多学者的广泛关注㊂目前,一些控制类病变性状的基因已经被克隆,如拟南芥lsd1基因编码1个含3个锌指结构域的类似转录因子蛋白[12],大麦mlo基因编码1个60kD的跨膜蛋白[4],玉米lls1基因的表达产物与芳香烃需氧降解有关的ARH(aromatic ring-hy-droxylating)双加氧酶相似[6]㊂尽管这些已克隆的类病变基因没有同源性,但是这些突变体均不同程度地提高了植株对病原菌的抗性,表现出一些发生抗病反应时的组织化学和分子特征,甚至启动了系统获得抗性(systematic acquired resistance,SAR)相关基因的表达[4,6,12]㊂这表明引发植物类病变坏死的原因可能是多样的,植物抗病信号转导网络也是非常复杂的,只有更多地鉴定和研究这些类病变突变体,才能全面解析植物类病变坏死及其抗病的机制㊂水稻既是单子叶模式植物,又是世界上最重要的粮食作物之一,所以近年来国内外对水稻的类病变突变体的研究相对比较多,也积累了许多重要的研究成果,但是目前还未见到有对水稻类病变进行综述性的报道㊂本文综述了国内外水稻类病变突变体的最新研究进展,主要介绍水稻类病变突变体的发掘与命名㊁突变基因的定位与克隆㊁突变体的抗病性及其机理研究等,对作物抗病机制及分子育种具有重要参考价值㊂1㊀水稻类病变突变体的发掘1.1㊀突变体的来源20世纪70年代,Sekiguchi等[13]在水稻中首次发现了类病变突变体,取名为sekiguchi lesion(sl),后来又相继报道了许多类似的水稻突变体㊂这些突变体除了少数来源于自然变异,绝大部分由物理诱变㊁化学诱变㊁转基因等方法得到㊂近年来,水稻类病变突变体的数目不断增加,到目前为止报道了将近有200个,如Iwata等[14]发现了9个类病变,其中2个自发突变㊁5个γ射线诱变和2个化学剂MNU(N-methyl-N-nitrosourea)诱变;Taka-hashi等[15]从MNU诱变库中筛选到93个类病变; Wu等[16]分别利用γ射线㊁快中子(fast neutron)和化学剂Diepoxybutane得到了70个类病变;Wang 等[17]筛选到18个γ射线诱变的类病变;由T-DNA和Tos17逆转座子插入引起的类病变突变也各报道了1个[18,19]㊂这些研究表明水稻中类病变突变的发生概率相当高,Wu等[16]曾报道突变率达到0.6%,如此高的诱发率说明许多突变都能导致植物细胞死亡,这可能就是植物类病变来源广泛的重要原因㊂1.2㊀突变体的命名尽管水稻中报道了大量的类病变突变体,但是大部分突变没有进行基因的等位分析和正式命名㊂国际谷物基因组数据库Gramene(http://www. /)目前只注册了32个水稻类病变基因㊂根据国内外的研究报道,截止2009年5月一共有52个水稻类病变基因被鉴定和命名(表1)㊂水稻类病变基因的命名主要有两种方式,Gramene 上统一以lrd(lesion resembling disease)命名,如Wang等[17]将18个筛选到的类病变命名为lrd27 ~lrd44(只鉴定分析了lrd32㊁lrd39㊁lrd40和lrd42),不过Gramene注册的lrd基因又有各自不同的名称,所以另一种命名方式是根据类病变发生时间㊁颜色㊁形状或导致植株抗病的特点,如spl (spotted leaf)㊁bl(brown leaf spot)㊁cdr(cell death and resistance to the blast fungus)㊁blm(blast lesion mimic)㊁ysl(yellow leaf spot)㊁fgl(faded green2㊀㊀1期㊀㊀陈析丰,等:水稻类病变突变体及抗病性的研究进展Table1㊀Summary of identified rice lesion mimic mutants up to May2009Gene symbol Source Original variety Resistance Inherence Chr.PutativefunctionReferencespl1Spontaneous Banshinriki-byogata M Recessive12-[14,16,20-22] spl2Spontaneous Katsumonbyo X Recessive2-[14,16,20-22] spl3γ-ray Norin8X Recessive3-[14,16,20-22] spl4γ-ray Norin8M,X Recessive6-[14,16,20-22] spl5γ-ray Norin8M,X Recessive7-[14,16,20-22] spl6MNU Kinmaze None Recessive1-[14,16,20-22]spl7γ-ray Norin8M,X Recessive5Heat stresstranscription factor[14,16,20-23]spl8MNU Kinmaze None Recessive5-[14,20,21] spl9γ-ray Norin8M Recessive7-[14,16,21,22,24] spl10MNU Kinmaze M,X Recessive10-[20,21,25] spl11EMS IR68M,X Recessive12E3ubiquitin ligase[4,16,22,26] Spl12MNU Hinohikari M,X Dominant--[21]spl12(t)Hybrid AsominoriˑIR24-Recessive2-[27]Spl13MNU Hinohikari M,X Dominant--[21]Spl14MNU Taichung65M,X Recessive--[21]Spl15MNU Koshihikari M,X Dominant--[21]spl16Diepoxybutane IR64None Recessive--[16]spl17Diepoxybutane IR64M,X Recessive--[16]Spl18T-DNA Nipponbare M,X Dominant10Acyltransferase[18]spl19Diepoxybutane IR64X Recessive--[16]spl20Fast neutron IR64M Recessive--[16]spl21Diepoxybutane IR64X Recessive--[16]spl22Diepoxybutane IR64X Recessive--[16]spl23Diepoxybutane IR64X Recessive--[16]Spl24Diepoxybutane IR64X Dominant--[16]spl25Diepoxybutane IR64X Recessive--[16]Spl26Diepoxybutane IR64M,X Dominant--[16]Spl27Diepoxybutane IR64X Dominant--[16]bl1Spontaneous Norin8-Recessive2-[28]bl2Spontaneous Norin8-Recessive6-[29]bl3Hybrid E-48ˑA-31-Recessive6-[29]bl4β-ray Norin8-Recessive3-[30]bl5β-ray Norin8-Recessive--[30]bl6β-ray Norin8-Recessive--[30]cdr1MNU Kinmaze M Recessive--[15]cdr2MNU Kinmaze M Recessive--[15]Cdr3MNU Kinmaze M Dominant--[15]sl Hybrid Asahi M Recessive--[13,31-34]3㊀植物病理学报41卷Contiued Table1Genesymbol Source Original variety Resistance Inherence Chr.Putativefunction Referenceyslβ-ray Norin8-Recessive--[30] fgl Spontaneous Houki Asahi-Recessive10-[35] znγ-ray AC581-3-Recessive6-[36] lrdγ-ray Norin8M Recessive--[37] lrd32γ-ray Shuangkezao X Recessive--[17,38] lrd39γ-ray Zhonghua11X Recessive--[17,38] lrd40γ-ray Zhonghua11X Recessive--[17,38] lrd42γ-ray Zhonghua11X Recessive--[17,38] blm MNU Hwacheong M Recessive--[39,40] lmiγ-ray Zhongxian3037-Recessive8-[41,42] lmm1EMS Katy M,T Recessive--[43] attm1Tos17Nipponbare M,X Recessive5Cytoplasmic protein kinase[19] oslsd1RNAi Nipponbare M Recessive8Zinc finger protein[44] OsNPR1Overexpression LG X Dominant1Ankyrin repeats protein[45,46] M:Magnaporthe grisea;X:Xanthomonas campestris pv.oryzae;T:Thanatephorus cucumeris(Frank)Donk; None:No resistance to the pathogens tested.The symbol - means the item not determined.leaf)㊁zn(zebra necrosis)㊁lmi(lesion mimic initia-tion)等㊂其中,以spl命名的突变体最多,已经有28个(spl1~Spl12㊁spl12(t)㊁Spl13~Spl27)㊂2㊀水稻类病变基因的克隆水稻类病变的表型受单个显性或隐性基因控制,在52个水稻类病变中,9个显性遗传,43个隐性遗传㊂通过形态学标记㊁DNA分子标记和反向遗传学技术,22个类病变基因已被定位在水稻12条染色体上(表1)㊂其中,6个基因spl7[23]㊁spl11[26]㊁Spl18[18]㊁attm1[19]㊁oslsd1[44]和Os-NPR1[45]已经被克隆,它们各自编码不同功能的蛋白,参与不同的代谢途径,表明了导致植物细胞坏死的途径非常复杂和多样㊂此外,还有3个基因被精细定位,lmi基因被定位在8号染色体距标记C4135-9的0.08cM处[41],spl1基因被定位在12号染色体70kb的区间内[47],本课题组也利用DNA分子标记技术将spl5基因定位在了7号染色体80kb的区间内[48],目前正在对候选基因进行图位克隆和功能验证㊂2.1㊀spl7和spl11基因spl7和spl11基因都是用图位克隆的方法得到的㊂spl7基因编码1个热激转录因子HSF(heat stress transcription factor),在热胁迫下HSF能激活热激蛋白Hsp(heat shock protein)基因的表达,诱导产生热激应答反应[23];spl11编码1个具有E3泛素连接酶活性的蛋白,含有1个U-box和1个armadillo(ARM)重复保守结构域,前者在酵母中被认为与泛素化有关,而后者则在哺乳动物中被证明参与蛋白间的互作,推测SPL11蛋白可能是通过泛素化系统对植物的PCD和防卫反应起负调控作用[26]㊂这2个基因的突变都是由于基因编码区中单个碱基的替换造成的,spl7是保守结构域中氨基酸发生了替换,,而spl11是无义突变使蛋白的翻译提前终止[23,26]㊂2.2㊀Spl18和attm1基因Spl18是T-DNA激活标签(T-DNA activation tagging)插入突变,该T-DNA能显著性增强插入位点周围基因的表达[18]㊂Mori等[18]利用TAIL-PCR技术分析插入位点,发现Spl18基因编码1个酰基转移酶(acyltransferase),命名为OsAT1㊂野生型水稻中OsAT1基因表达水平很低,但是在Spl18突变体中其表达量非常高,用35S启动子过量表达该基因也能形成明显的类病变表型[18]㊂attm14㊀㊀1期㊀㊀陈析丰,等:水稻类病变突变体及抗病性的研究进展(Tos17triggered mutation1)是逆转座子Tos17插入突变,突变植株产生了一系列的防卫应答,并增强了对稻瘟病的抗性[19]㊂Takahashi等[19]通过TAIL-PCR技术检测到attm1突变位点发生在Os-Pti1a基因的第3个外显子中,该基因与西红柿抗病基因Pti1(Pro interacting1)高度同源,编码1个质膜蛋白激酶(cytoplasmic protein kinase),过量表达OsPti1a基因会降低植株的抗病能力,推测OsP-ti1a可能在水稻的防卫系统中起负调控的作用[19]㊂2.3㊀oslsd1和OsNPR1基因拟南芥类病变基因LSD1(lesions simulating disease resistance)编码1个锌指蛋白,在植物防卫反应和细胞程序性死亡信号途径中起负调控作用[12]㊂Wang等[44]通过反向遗传学的方法,在水稻中克隆了1个与LSD1同源的基因,命名为OsLSD1㊂在水稻中反义抑制OsLSD1基因的表达能引起类病变表型,过量表达该基因能促进转基因水稻愈伤组织的分化和增加植株中叶绿素B的含量,在烟草中过量表达OsLSD1基因能增强植株对1种真菌毒素(Fumonisins B1)的抗性,推测OsLSD1可能是植物PCD和愈伤组织分化的双功能调控因子[44]㊂拟南芥类病变基因AtNPR1(non-expresser of pathogenesis-related genes)是SAR抗病途径中的1个关键调节因子,它编码1个含双向核定位序列(bipartite nuclear localization sequence)和锚定蛋白(ankyrin)重复结构域的新蛋白[49]㊂Chern等[45]和Yuan等[46]分别在水稻中也克隆到了AtNPR1的同源基因 OsNPR1,过量表达Os-NPR1能使水稻植株表现出类病变坏死斑和增强对白叶枯病的抗性,RNAi抑制OsNPR1则使水稻对白叶枯病更加敏感㊂3㊀水稻类病变突变体的抗病性3.1㊀对水稻病原菌的抗性目前研究表明尽管不是所有的类病变基因都是植物防卫信号途径中所必须的,但是许多类病变突变体表现出了广谱抗病性,如拟南芥37个类病变突变体中,绝大部分提高了对1个或多个病原菌的抗性[50]㊂水稻类病变突变体也同样存在普遍抗病的现象,经抗病性鉴定的41个突变体中,38个对水稻病原菌增强了抗性,其中24个抗稻瘟病(Magnaporthe grisea),27个抗白叶枯病(Xan-thomonas campestris pv.oryzae),1个抗纹枯病[Thanatephorus cucumeris(Frank)Donk](表1)㊂这些用来鉴定的病原菌生理小种来自中国㊁日本㊁菲律宾㊁韩国㊁葡萄牙㊁哥伦比亚㊁美国等不同地区,水稻类病变突变体对这些生理小种的抗性存在显著的差异,如spl21㊁spl22㊁Spl24㊁cdr1~Cdr3等只对1个小种有抗性,spl1~spl3㊁spl10㊁Spl13~ Spl15㊁blm等则对多个小种有抗性,而spl4㊁spl5㊁spl7㊁spl11㊁Spl12等具有广谱的抗性[15,16,21,22]㊂3.2㊀抗病相关的组织和生理特征在类病变出现时,许多突变植株都伴有与病原菌侵染相关物质的组成性表达,包括酚类物质(au-tofluorescent phenolic compound)积累㊁胼胝质(cal-lose)沉积㊁植保素(phytoalexin)水平上升和活性氧中间代谢物(reactive oxygen intermediate,ROI;主要指H2O2和O-㊃2)产生等,这些物质具有抵抗或抑制病原菌的作用,尤其是ROI能直接杀死病原菌并启动HR[50]㊂水稻类病变中也普遍存在这样的现象,如spl5㊁Spl12~Spl15㊁cdr1~Cdr3㊁blm等叶片中有明显的胼胝质或酚类物质沉积[15,39,51]; Spl18㊁cdr1~Cdr3㊁blm等在类病变形成后,植株中2种植保素Sakuranetin和Momilactone A的含量迅速上升[15,18,39];lrd40㊁cdr1~Cdr3㊁spl2㊁spl7㊁spl11等在类病变坏死斑的周围出现H2O2或O-㊃2的过量积累[15,38,52]㊂3.3㊀抗病相关基因和蛋白表达特征一般情况下,植物在受到病原物侵染时,一些与HR㊁SAR相关的抗病基因才会被诱导表达,而在水稻类病变中这些基因呈组成性表达㊂如受抗稻瘟病诱导表达的基因PR1(pathogenesis-related gene)和PBZ1(probenazole-inducible gene)在cdr1 ~Cdr3㊁spl1~spl7㊁spl9㊁spl11等中都有明显的表达,受大麦白粉病菌(powdery mildew fungus)诱导表达的草酸氧化酶(oxalate oxidase)基因HvOxOa 和HvOxOLP在spl1~spl7㊁spl9㊁spl11等中也有不同程度的表达,此外在spl3中还检测到过氧化物酶(Peroxidases)基因POX22.3和POX8.1的表达,这2个基因参与H2O2的代谢并受白叶枯病诱5㊀植物病理学报41卷导表达[15,22]㊂5个水稻类病变blm㊁cdr1㊁cdr2㊁spl1和spl6的蛋白组学研究也表明这些突变体中许多蛋白的表达量增加,其中包括防御相关的蛋白PBZ1㊁PR5㊁PR10㊁COMT(caffeic acid3-O-methyl-transferase)等,ROS代谢相关的酶CAT(catalase)㊁APX(ascorbate peroxidae)㊁SOD(superoxide dis-mutase)㊁GST(glutathione S-transferase)等,以及细胞衰老和死亡相关的蛋白PHB1(prohibi-tin)[40,53~56]㊂4㊀水稻类病变基因所涉及的信号转导途径由于类病变突变体往往表现出细胞死亡的调控异常㊁对病原菌的抗性增强以及防御系统的组成性表达,因此这类突变基因很可能参与了植物细胞中一些基础的㊁重要的信号传导途径,如活性氧的信号途径㊁水杨酸(salicylic acid,SA)信号途径㊁茉莉酸(jasmonate acid,JA)信号途径㊁乙烯信号途径㊁R基因(resistance gene)介导的抗病信号途径等[50]㊂氧迸发(oxidative burst)即ROI急剧增加是植物细胞防卫应答中最早期的信号之一,许多类病变突变体中都有H2O2和O-㊃2的积累[50],拟南芥㊁水稻类病变已有的研究和我们对spl5测定分析表明,这些突变体中ROI降解途径基本没有受到破坏,ROI的积累可能是其生物合成途径中的某些关键酶(如NADPH氧化酶)的活性失调所引起[15,54,57]㊂SA被认为是诱导SAR的必需信号分子,施加外源的SA及其类似物都能启动SAR[58]㊂拟南芥类病变基因AtNPR1是SA介导SAR途径中1个重要的调控因子,水稻中也存在类似的信号途径,过量表达NPR1基因能使植株产生SAR,但是它们的调节方式有所不同,水稻中内源SA水平较高,使过量表达的OsNPR1蛋白处于激活状态,而拟南芥中内源SA水平较低,过量表达的At-NPR1蛋白保持失活状态,只有施加化学诱导物或病原菌侵染才被激活[45,49]㊂JA-乙烯是植物发育和抗病信号网络中重要的介导因子,拟南芥类病变突变体cpr5㊁cpr22㊁ssi1和hrl1中的1个激活JA-乙烯途径的标记基因 PDF1.2基因呈组成性表达[59],而突变体cet组成性表达thionin基因,该基因的表达受JA 途径的直接调控[60]㊂此外,一些拟南芥类病变基因(EDS1㊁PAD4㊁NDR1)还参与R基因抗病途径的调控,这些基因属于R基因的2个下游途径[61]㊂虽然,在水稻中还没有报道类病变基因参与JA-乙烯途径和R基因介导的抗病途径,但是这些途径在单子叶和双子叶植物中相对比较保守,随着类病变基因研究的不断深入,很有可能通过这些途径来揭示它们的功能㊂5㊀水稻类病变突变体的应用前景由于类病变突变体普遍具有抗病性的特点,因此除了研究基因突变的原因及其信号途径,如何在作物育种和生产实践中合理利用和开发这一遗传资源是一个值得考虑的问题㊂目前,植物类病变的研究还处于理论性的阶段,主要原因可能是类病变往往会伴随细胞坏死㊁植株矮小㊁产量减少等一些不良的农艺性状,限制了它们在生产实践中的直接应用㊂尽管如此,有些具有非小种专一抗性的类病变还是引起了育种工作者们的重视,大麦类病变突变体mlo就是一个典型的实例㊂该突变体对几乎所有已知的白粉病(Erysiphe graminis f.sp.Hor-dei)的生理小种都具有持久抗性[4],自1979年第一次商业化推广带有mlo基因的大麦品种以来,一直保持高效的抗性,现在在欧洲许多国家已经开始大面积种植[62]㊂水稻中虽然发现了许多抗病基因,其中一些基因已经运用到抗病育种中去,如Xa21㊁xa5㊁Xa7㊁xa13㊁Pi-z t㊁Pi-k s㊁Pi-sh等[63,64],但是这些基因存在小种专一化和抗性不持久等问题,而且病原菌也在不断进化,这给水稻的抗病育种带来了很多困难,急需寻找一些具有广谱㊁持久抗性的遗传资源㊂类病变突变体的研究为水稻的抗病育种开启了一条新的道路,这些突变体不仅大部分提高了抗病性,而且有些还激活了植株的整个防御系统,表现出广谱的抗病性,将可能成为作物抗病分子育种的宝贵材料㊂参考文献[1]㊀Johal G S,Hulbert S H,Briggs S P.Disease lesionmimics of maize:a model for cell death in plants[J].BioEssays,1995,17(8):685-692.[2]㊀Hoisington D A,Neuffer M G,Virginia Walbot.Di-sease lesion mimics in maize:I.Effect of geneticbackground,temperature,developmental age,andwounding on necrotic spot formation with Les1[J].Dev.Biol.,1982,93:381-388.6㊀㊀1期㊀㊀陈析丰,等:水稻类病变突变体及抗病性的研究进展[3]㊀Dietrich R A,Delaney T P,Uknes S J.et al.Arabi-dopsis mutants simulating disease resistance response[J].Cell,1994,77(4):565-577.[4]㊀Buschges R,Hollricher K,Panstruga R.et al.Thebarley MLO gene:a novel control element of plantpathogen resistance[J].Cell,1997,88(5):695-705.[5]㊀Singh K,Multani D S,Khush G S.A new spottedleaf mutant in rice[J].Rice Genet.News.,1995,12:192-193.[6]㊀Gray J,Close P S,Briggs S P.et al.A novel sup-pressor of cell death in plants encoded by the Lls1geneof maize[J].Cell,1997,89(1):25-31. 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