水稻抗稻瘟病遗传育种研究进展

向 聪，雷东阳，任西明，彭 晨

（湖南农业大学农学院，长沙410128）

水稻抗稻瘟病遗传育种研究进展

向 聪，雷东阳*，任西明，彭 晨

（湖南农业大学农学院，长沙410128）

稻瘟病是我国水稻生产中最严重的病害之一。简述了稻瘟病的危害、发病过程和抗性遗传机理，综述了稻瘟病抗性基因定位和克隆、分子标记辅助育种相关研究进展，探讨了水稻抗稻瘟病育种及其研究方向。

水稻；稻瘟病；抗性基因；分子标记

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，养活了全球50%的人口，近70%的东亚人以稻米为主食［1］。水稻生产对于解决粮食安全问题起到了不可估量的作用。然而，细菌、真菌、病毒和线虫等的侵染和危害，造成水稻严重减产甚至绝收，就发生面积和造成的产量损失而言，稻瘟病已成为水稻最为严重的病害［2］。

稻瘟病由子囊菌［Magnaporthe oryzae（Hebert）Barr］引起，是世界性的重要水稻病害之一，至今已有85个国家报道有稻瘟病发生，尤以亚洲和非洲发病最为严重。目前，在我国它与纹枯病、稻曲病并称为水稻三大病害。全球每年因稻瘟病造成的产量损失达11%～30%，直接经济损失约50亿美元［3］，损失的粮食足够养活6000万人口［4］。我国南北稻区每年均受到不同程度的稻瘟病危害，流行年份重病区普遍减产10%～20%，重度地区达到40%～50%，局部田块甚至失收［5］。我国在审定推广水稻新品种时，除了强调高产优质外，品种稻瘟病抗性鉴定是不可或缺的关键环节。目前市场上不乏一些产量高品质好的品种，但包括部分超级稻在内的一些组合稻瘟病抗性较差，一旦当年稻瘟病发病严重，就会导致大面积减产甚至失收。因此，水稻抗稻瘟病机理的研究和新品种创制，对于增加水稻产量，减少农药施用，培育广适性杂交稻组合都具有重要的意义。

1 稻瘟病致病机理及防治方法

1.1 稻瘟病致病过程

稻瘟病的发病过程较为复杂，它包括稻瘟病菌分生孢子的形成和萌发、附着胞的形成、侵染钉分化和侵染性菌丝扩展等过程［6］。稻瘟病菌通过分生孢子和菌丝体的形式在稻谷上越冬，来年达到适宜温湿度时就会产生大量分生孢子并借助风力传播到稻株上，当分生孢子附着到宿主时，其尖端便通过释放大量的粘胶和芽胞让其牢牢地吸附在宿主身上。然后分生孢子就会萌发形成芽管，芽管便会分化出附着胞，随后产生侵染栓穿透宿主组织的角质层和表皮细胞壁，并在宿主细胞中生长，侵染相邻细胞并深入到叶肉细胞［7～11］，被侵染的细胞又能产生新的菌丝和分生孢子，可重新侵染寄主，以菌丝体和分生孢子的形式在感病稻草和稻谷上越冬，来年春天继续侵染，形成侵染循环（图1）。

图1 稻瘟病侵染示意图

1.2 稻瘟病的防治方法

水稻在整个生育期内都有可能爆发稻瘟病，控制稻瘟病最常见的方法是传统化学防治和培育抗稻瘟病品种。化学防治主要是通过喷施农药来抑制稻瘟病的发生，一方面增加了生产成本、污染环境，不利于行业的可持续发展［12］，另一方面也会对人类造成直接或间接危害［13］。

已有研究表明［14～16］，选育抗病品种是控制水稻稻瘟病的最佳途径。而选育和推广水稻抗病品种应从源头做起，即发掘和筛选优良的抗稻瘟病基因资源，但稻瘟病菌生理小种变异性强、变异速度快，新推广的水稻抗病品种常在种植几年后便会丧失抗性从而失去推广价值［17，18］。应用分子标记选择（Marker-assisted Selection，MAS）技术将单个或多个抗谱广的稻瘟病抗性基因导入或聚合到同一个水稻品种中，是培育具有持久抗稻瘟病品种的有效手段［19］。通过传统育种手段和现代分子标记技术的结合，将持久、广谱抗稻瘟病基因导入到同一品种中，不仅缩短了育种年限，还大大提高了育种效率和应用效果［20］。

2 稻瘟病的抗性遗传

稻瘟病抗性一般由1～2对基因控制，少数由3对或更多主效基因控制，也存在一部分隐性或不完全显性抗病基因控制，不同抗病基因之间相互独立或存在互作关系［21，22］。段永嘉［23］对近90个水稻品种稻瘟病抗性遗传规律进行了分析，发现供试品种中除少数受3对基因控制外，其余均受1对或两对显性基因控制。

3 稻瘟病抗性基因的定位与克隆

稻瘟病抗性遗传分析工作始于1922年。20世纪60～80年代中期，日本学者Kiyosawad等针对抗稻瘟病基因进行了深入研究，鉴定了14个主效抗稻瘟病基因（Pita，Pita2，Pik，Pikp，Piks，Pikm，Pikh，Piz，Pizt，Pia，Pib，Pish，Pii，Pit）。近年，随着分子生物学的快速发展，水稻基因组测序完成，更多稻瘟病抗性基因被定位。迄今已报道了80多个稻瘟病抗性基因［24］，其中超过40个被定位［25］。科学家们采用图位克隆等方法已经成功克隆25个稻瘟病抗性基因（表1）。这些基因分布于除水稻第3染色体外的其余11条染色体上，主要成簇分布在第6、11和12染色体上。如Pi2、Pi9和Piz-t同为Piz位点上的复等位基因，Pi1、Pik-h／Pi54、Pik-m和Pik-p同为Pik位点上的复等位基因，Pid3与Pi25等位，Pia与PiCO39等位［26］。抗稻瘟病基因Pi9首先由Amante-Bordeos等［27］从小粒野生稻导入栽培稻中，并获得了与其紧密连锁的RFLP标记RG64和R2132，遗传距离分别为2.8和2.7 cM，随后被精细定位于水稻第6染色体短臂的NIP基因和PK基因之间。在抗谱表现方面，Pi9对来自13个国家的43个稻瘟病菌株均表现高抗，属广谱抗性基因［28］。广谱稻瘟病抗性基因Pi40，来源于‘IR65482-4-136 -2-2’，被定位于标记S2539和RM3330之间的70 kb的区域［29］。该基因对来自菲律宾和韩国的多个生理小种表现出较好抗性，且对其毒性最强的菌株表现较强的抗性。此外，Huang等［30］利用抗病品种‘湘资3150’将抗稻瘟病基因Pi47定位在第11染色体上，位于标记RM224和RM206之间。Deng等［31］精细定位了Pigm（来源于‘谷梅4号’）。该基因抗谱广，对9个来自中国不同系的生理小种表现出良好抗性。大量抗稻瘟病基因的定位与克隆对水稻抗病育种起到了极大的推动作用。

表1 已克隆的稻瘟病抗性基因

4 分子标记辅助选择技术在水稻稻瘟病抗性改良上的应用

4.1 传统育种方法改良水稻稻瘟病抗性的局限

传统育种主要是通过田间杂交和回交，再结合田间抗性鉴定以及农艺性状的综合选择，经过多年多代筛选，选育抗病品种。这就要求育种家具有丰富的实践经验。因此，仅仅采用传统育种手段改良水稻稻瘟病抗性，程序繁琐、工作量也较大、选择空间偏小，由于其后代选择主要依据田间抗性鉴定，不同的生态区域和不同年份的发病程度不同都会对鉴定结果产生较大影响，并且抗性基因在多年多代筛选的过程中存在丢失的风险，不容易选择到含有抗病基因的优良株系，其选择效率较低［31］。

4.2 应用分子标记技术改良水稻稻瘟病抗性

分子标记选择是基因组研究技术在育种中的应用，通过分析与目标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，它不受其他基因效应和环境因素的影响。将其与传统育种方法结合起来，可以大大提高育种效率。

研究表明，当标记与目标基因的遗传距离小于5 cM时，选择到含有目的基因的准确率达99.75%以上［32］。李进斌等［33］利用SSR分子标记OSR32对云南220份水稻材料的抗稻瘟病基因Pita进行检测，将筛选到的15份含目标基因的材料进行温室稻瘟病菌接种鉴定，室内接种鉴定结果与SSR检测结果一致，证明了分子标记选择抗性基因的可靠性。王飞等［34］利用含有抗稻瘟病基因Pigm的籼稻品种‘谷梅4号’为供体亲本，利用与之连锁的indels标记S5477和S9742，通过与高产易感稻瘟病品系‘武运粳29196’连续多代回交杂交，获得82个含有Pigm基因的株系，并从中筛选出两个综合性状与‘武运粳29196’十分相似的株系DH036和DH158，这2个新品系保持了‘武运粳29196’的丰产性，但显著提高了其稻瘟病抗性。聂元元等［35］通过杂交、回交和分子辅助标记三种手段，将抗稻瘟病基因Pi1、Pi2和Pi9成功导入到三系杂交稻恢复系‘R225’中，并对其BC3F3代进行稻瘟病抗性鉴定，其中含有1个或2个抗性基因的目标株系的稻瘟病抗性均达到中抗水平以上。孙永建等［36］以含广谱抗稻瘟病pi9的‘C12’为供体，通过常规育种结合分子标记辅助选择将Pi9基因导入到‘R997’中，获得13个农艺性状优良且抗性较好的改良新材料，为后续杂交配组选育出综合抗性强的新品种奠定了基础。袁定阳等［37］以‘R7689’为供体，利用与Pi25、Pi-d（t）基因紧密连锁的SSR标记RM330、RM262，通过杂交转育与分子标记相结合的途径，成功将两个抗性基因导入大面积应用的两系不育系‘矮培64S’中，并获得5个基因纯合且综合农艺性状稳定的F8代抗性改良不育系。肖武名等［38］利用分子标记辅助选择将主效抗病基因Pi46（t）（来源于广谱抗稻瘟病种质H4）导入到强恢复系‘广恢998’中，选育出抗稻瘟病恢复系‘R1198’，并且选配出安丰优1198、华优1198、宁优1198等抗稻瘟病优质组合。王忠华等［39］利用共显性标记对350个杂交F3代株系进行抗稻瘟病基因Pi-ta早期筛选，得到118个含Pi-ta的抗病纯合株系。

在抗稻瘟病多基因聚合育种方面，Hittalmani等［40］利用MAS技术将Pi-1、Pi-z5和Pi-ta聚合到同一水稻品系‘BL124’中，显著提高了其稻瘟病抗性。严小微等［41］聚合Bph14、Bph15、Bph3（抗褐飞虱基因）、Pi-1（抗稻瘟病基因）、Xa-7（抗白叶枯病基因），选育的‘海恢818’，其褐飞虱抗性、稻瘟病抗性、白叶枯病抗性等综合抗性比其亲本有显著提高。朱玉君等［42］以6份抗白叶枯病育种材料（BB1，BB2，BB3，BB4，BB5，BB10）为父本，抗稻瘟病水稻品系‘BL1’为母本，将抗瘟基因Pi25、抗白叶枯病基因Xa4、Xa21、Xa5和Xa13以及恢复基因RF3和RF4聚合，共得到20份候选恢复系，携带恢复基因RF3和RF4、稻瘟病抗性基因Pi25及多个白叶枯病抗性基因，选出4个兼抗稻瘟病和白叶枯病的优良恢复系。陈学伟等［43］利用‘地谷’（含Pi-d（t） 1）、‘BL-1’（含Pi-b）和‘P-i4号’（含Pi-ta2）等3个稻瘟病抗性材料与‘G46B’进行聚合杂交，在F2代群体中筛得15株同时含Pid（t）1、Pi-b、Pita2等3个抗性基因的材料，其稻瘟病抗性显著提高。楼珏等［44］将抗瘟基因Pi-GD-1（t）和Pi-GD-2（t）（来源于‘三黄占2号’）、抗白叶枯病基因Xa23（来源于‘CBB23’）、抗褐飞虱基因Bph18（t）（来源于‘IR65482’）导入到‘温恢845’、‘温恢117’和‘温恢143’等3个恢复系的遗传背景中，获得了8个兼抗稻瘟病、白叶枯病和褐飞虱的聚合系，具有更高的生产应用价值。柳武革等［45］将Pi-1、Pi-2（均来源于‘BL122’）导入不育系‘GD-7S’中，筛选得到5个同时含Pi-1、Pi-2的纯合改良不育株系。

5 展望

迄今为止，稻瘟病与水稻的互作机理仍未十分明确；虽已发现大量抗稻瘟病基因，但除少数得到利用外，大部分基因还未被充分利用，且多数基因并非广谱，抗性不持久；此外，一些抗性基因和不利基因紧密连锁，导入这些抗性基因的同时也导入了不利基因，会产生负面影响。针对这些问题，笔者认为应着力从以下几方面开展下一步研究：

（1）继续探究稻瘟病与水稻的互作机理，为未来抗稻瘟病育种提供方向。

（2）继续挖掘抗稻瘟病种质资源和抗性基因，寻找更加广谱抗性的抗稻瘟病基因。

（3）开发更多新的、高效的与抗病基因紧密连锁的分子标记，降低不利基因对抗性基因的影响，提高育种效率。

（4）虽然定位、克隆了大量的抗性基因，但其中大部分基因的抗性机理尚不清楚，有必要深入研究水稻稻瘟病抗性遗传的分子机制和调控网络。

（5）对抗病基因的研究与实际应用存在一定程度的脱节，有必要利用抗病效果好的基因导入到当前生产上应用的综合性状优良但稻瘟病抗性较差的骨干亲本中。

随着农业生产方式的转型，我国农业部提出减化肥、减农药、增效益的“两减一增”水稻生产防控目标，水稻育种科研人员对水稻稻瘟病抗性研究愈加重视，越来越多的具有广谱稻瘟病抗性且兼具高产、优质等诸多优良农艺性状的材料和品种将创制出来。如2014年通过湖北省农作物品种审定的‘宜香优62’（宜香1A×恩恢62），就兼具优质、抗稻瘟病、产量高等优良性状［46］。湖南亚华种业选育的‘晶两优534’（晶4155S×五山丝苗）具有米质优、抗稻瘟病、高产稳产、广适性好等一系列优良性状，并于2016年分别通过国家长江上游中籼、长江中下游中籼新品种审定［47］。综上，水稻抗病新品种的选育已成为当今水稻育种的主导方向，未来聚合不同类型抗病虫基因且具有优良农艺性状的水稻新品种将是育种家的主攻目标。

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Research Progress in Genetic and Breeding of Rice Blast Resistance

XIANG Cong，LEIDongyang*，REN Xim ing，PENG Cheng
（College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Rice blast is one of themost serious diseases in rice production.The harm of rice blast，infection process and geneticmechanism of resistance were described in this paper briefly.The research progress of localization and cloning of rice blast resistance gene，molecularmarker assisted breedingwere Summarized.Rice blast resistance breeding and its research direction were discussed.

Oryza sativa L；rice blast；resistance gene；molecularmarker

S511.03；S435.111.4+1

A

1001-5280（2017）05-0547-06

10.16848／j.cnki.issn.1001-5280.2017.05.22

2017-05-07

向 聪（1993-），男，硕士研究生，Email：429437341＠qq.com。*通讯作者：雷东阳，教授，主要从事水稻遗传育种研究，Email：leidongyang1980＠126.com。

湖南农业大学大学生创新性实验计划项目（XCX16135）；湖南省科技计划项目（湘财教指〔2014〕66号）。