水稻对稻瘟病抗性的分子生物学研究进展
～128 中国水稻科学(ChineseJRiceSci),1999,13(2):123123
水稻对稻瘟病抗性的分子生物学研究进展
吴建利 庄杰云 李德葆 郑康乐
(1中国水稻研究所,杭州310006;
)
2)
1)1)2)1)
浙江农业大学生物技术研究所,杭州310029)
ProgressonRiceMolecularBiologyofResistancetoBlastFungus
WUJianli,ZHUANGJieyun,LIDebao,ZHENGKangle
)
1)1)2)1)
2)
(1ChinaNationalRiceResearchInstitute,Hangzhou310006;
310029)
InstituteofBiotechnology,ZhejiangAgriculturalUniversity,Hangzhou
Abstract:Progressonricemolecularbiologyofresistancetoblastfunguswasreviewed,whichincludesmolecularmarkersused
formapping,chromosomelocationofriceblastresistancegenes,allelismofriceblastgenes,cloningofavirulencegenesfromriceblastfungusandthemostrecentadvancestowardsthecloningofriceblastresistancegenes.
Keywords:blast;genecloning;genemapping;molecularmarker;resistance;rice
摘 要:介绍了水稻对稻瘟病抗性的分子生物学研究进展,主要包括:用于定位作图的分子标记的种类和特点、稻瘟病抗性基因的分子标记定位、稻瘟病抗性基因的等位性比较研究、稻瘟病菌生理小种无毒基因的克隆以及稻瘟病抗性基因克隆研究进展等。
关键词:水稻;稻瘟病;基因定位;分子标记;抗性基因;基因克隆中图分类号:Q75;S435.113.1
稻瘟病是由子囊菌Magnaporthegrisea(Hebert)Barr
[无性世代为Pyriculariagrisea(Cooke)Sacc.引起的广泛发生在世界各稻区的最重要水稻病害之一。一般还只能采用传统的化学防治和种植抗性品种来控制病害。而化学防治既昂贵又缺乏长期有效的杀菌剂,且污染环境。但是由于病原菌小种遗传的复杂性和致病性的多样性,抗病新品种常于推广数年内很快就丧失抗性,在适宜于稻瘟病菌的环境条件下,造成大面积粮食减产。据估计,在1975～1990年的16年间由稻瘟菌引起的全球粮食损失高达1.57亿t,年平均超过1千万t。尽管如此,长期的实践表明,抗稻瘟病品种的选育仍然是最经济有效的防病措施。
近年来,以DNA分子标记为基础,定位了一系列稻瘟病抗性基因。同时,在分子水平上明确了特定病原菌小种与标记定位的抗性基因间的对应关系。由于分子标记是以遗传物质本身作为标记,克服了以往形态等标记的缺陷,拥有数量大、检测对象范围较广等众多优点,而且应用DNA分子标记辅助新品种选育理论上可大大加速育种的进程,减少大量盲目筛选,降低人力与物力的投入,展示出广阔诱人的前景。
此外,通过构建高饱和度的分子图谱,就有可能据此采用定位克隆等方法对抗病基因进行克隆,研究基因表达的调节与控制、基因产物的结构与功能等,从而全面阐明水稻稻瘟病抗性机理。
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要基础。目前大约有20多种分子标记。其中限制性长度多态性(RFLP)是最初应用于作图的分子标记。水稻上所应用的水稻cDNARFLP标记主要包括水稻随机基因组DNA克隆、
克隆以及小麦、大麦、玉米等作物cDNA克隆等。1988年Mc2
Couch等人据此构建了首张水稻分子图谱。这张由55个籼
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爪杂交F2构建的图谱总共包含135个标记(包括同工酶标记),覆盖水稻基因组的1389cM。其后,日本和美国学者分
4,55
别构建了更为饱和的分子连锁图。Kurata等人所用群体为粳籼交F2代,探针以水稻各种组织器官来源的cDNA克隆为主,其图谱包含1383个RFLP标记,覆盖了水稻基因组
1575cM,平均图距达1.14cM。Causse等人利用的则是回
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交群体,使用了包括RFLP小卫星和RAPD标记等在内的
726个标记,其图谱覆盖了1491cM,平均间隔达到2cM。上
述图谱可作为目前水稻分子连锁图的代表,并得到了广泛的应用。此外还有许多关于水稻分子图谱的报道,其中包括我国学者构建的图谱。
由于RFLP标记是共显性标记,检测可靠性高,且大量的
RFLP标记已在水稻基因组中定位,所以在任何类型的群体
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中,RFLP标记一直是基因定位研究中的基础性标记。迄今为止,大多数稻瘟病抗性基因都是用RFLP标记定位的。但是,技术较复杂,大规模应用受到限制。RFLP的检测费时较长、
1998年5月18日收到,1998年7月15日收到修正稿。
1 定位抗性基因的分子标记
开发利用新型分子标记是基因定位和遗传图谱构建的重
第一作者简介:吴建利,男,1964年生,助理研究员,在职博士研究生。
随着聚合酶链式反应(PCR)技术的诞生和基因组结构研究的深入,产生了许多以PCR为基础的分子标记,这类标记具有简单、快速和经济的优点,弥补了RFLP的不足,因此以PCR为基础的一系列分子标记越来越广泛地应用于基因定位和图
谱构建的研究。例如朱立煌等人7
利用RAPD标记在第8染色体上定位了一个稻瘟病抗性主基因Pi2zh,这也是首次在第8染色体上发现的稻瘟病抗性主基因。
以PCR为基础的分子标记非常丰富,主要包括:序标位(sequencetaggedsite,STS)、DNA扩增指纹(DNAamplifica2
tionfingerprinting,DAF)、
随机扩增多态性DNA(randomamplifiedpolymorphicDNA,RAPD)、
扩增子长度多态性(am2pliconlengthpolymorphism,ALP)、扩增片段长度多态性(amplifiedfragmentlengthpolymorphism,AFLP)、特异扩增子多态性(specificampliconpolymorphism,SAP)、简单序列长度多态性(simplesequencelengthpolymorphism,SSLP)、单链构象多态性(single2strandconformationpolymorphism,SSCP)和抗性基因同源序列(resistancegeneanalog,RGA)等。这些标记大多数作为辅助标记来提高图谱的饱和度,比较常用的有RAPD、AFLP和微卫星等。最近,植物中微卫星标记的开发利用研究进展很快,这种标记的多态性很高,Tem2
nykh等人8
构建了一幅完全由300个微卫星标记组成的水稻连锁框架图,覆盖水稻基因组的12条染色体。这势必大大加速基因的精细定位和图谱饱和度的进一步提高,为基因克隆奠定了坚实的基础。
在这些以PCR为基础的标记中,RGA标记对抗性基因的定位和克隆具有十分特殊的意义。近年来,在玉米、水稻、番茄、马铃薯、亚麻、甘蔗、烟草和拟南芥等作物中克隆了若干抗性基因,包括植物对病毒、细菌、真菌和线虫的抗性基因,如烟草抗花叶病毒病基因N、水稻抗白叶枯病基因Xa221、拟南芥抗丁香假单胞杆菌基因RPS2、亚麻抗锈病基因L6以及甘
蔗抗胞囊线虫的HS1PRO21基因等9～13
。通过进一步的研究发现,许多抗性基因产物有一些普遍存在的共同结构,如核苷酸结合位点(nucleotidebindingsite,NBS)、富亮氨酸重复子(Leucine2richrepeats,LRR)和丝氨酸