水稻抗病虫遗传育种-专题

水稻抗病虫遗传育种专题水稻的意义：最重要的粮食作物重要的分子生物学研究材料研究项目、研究队伍等水稻的分类：禾本科、稻属，该属共有22个种，人类栽培利用的两个种：亚洲栽培稻非洲栽培稻亚洲栽培稻：分为籼亚种（Indica）和粳亚种（Japanica)热带粳稻、爪哇稻(Javanica)分布：自然界水稻分布和不同粒形（型）NatCommun2:467.2011水稻病虫害的种类：在生产上比较重要、遗传育种研究较多的一些病虫害：

稻瘟病、白叶枯病、纹枯病、细菌性条斑病、条纹叶枯病、东格鲁病、褐飞虱、白背飞虱总体而言，水稻以及水稻病虫害的研究工作，多开始于日本学者他们在上世纪初就开始了：水稻基本生物学性状的描述、重要农艺性状的遗传规律、病虫害种类及流行规律、抗病虫种质的收集、抗病虫育种、品质育种等，都是比较领先的；以后又在突变体构建、及现在的水稻分子生物学、抗病基因克隆方面等方面领先，最近几年中国学者逐渐赶上。

研究较多的还有韩国、印度、中国、IRRI、美国、法国、英国等，中国的研究大多开始于上世纪的30年代，许多水稻方面的研究工作都是参照日本的结果。（……….）1、水稻抗白叶枯病遗传育种病原菌：Xanthomonasoryzaepv.oryzae

危害：南方稻区，从苗期开始，北方稻区，从中、后期开始，主要在维管束中定殖，引起危害苗期，从根部侵入，萎焉型（Kresek）、青枯型移栽以后，从叶缘的水孔和伤口侵入分布：日本、东南亚、我国南方沿海、四川多雾的山区、江淮洼地等，籼稻重于粳稻，杂交稻重于常规稻品种

病害循环（流行）：

病稻种、病稻草、田间稻桩、杂草、田水越冬（过冬）（存活期？），春天：苗床开始活跃、秧田期到大田期，随灌水扩散、风雨等造成流行

在东南亚和我国的海南、广东等地周年危害早期的研究以日本为主，上世纪20-30年代集中在病原菌的生物学、生态学等，及抗病品种筛选和选育机插秧、直播、人工移栽等的栽培方式变化1957年日本的Kuhara(久原)发现抗病品种Asakaze(朝凤)在推广两年后，变成了感病品种，开始了病原菌致病力分化的研究，原因？建立鉴别系统1969年日本建立了第一套鉴别体系，用4个品种可将全日本的菌系分成三个群在增加两个品种、收集更多菌株进行鉴定时，分成了5个群鉴别系统Kozaka’system(1969)品种群VirulenceIIIIIIKinmaseGSSSKogyokuGRSSRanrajemasGRRSWase-AikokuGRRRIRRI也在菲律宾进行类似研究，70年代后期用五个籼稻品种建立了鉴别体系，将菲律宾菌系分成5-6个群（小种），研究发现：鉴别系统取决于菌株和品种收集的多少Buddenhagen&Reddy’ssystem(1972)ABCDEXYZBJ1RRRRRRSRTKM6RRRRSRRSSemoraManggaRRRSSSRRLZNRRSSSRRRTsao-tsuanRSSSSRSSJC70SSSSSSSS1982年，提出了小种（Race）的概念，认为寄主和病菌的关系符合“基因对基因”关系(同真菌病害)80年代初开始，日本和IRRI合作建立国际合作网，建立国际鉴别体系，便于比较，并肯定了“基因对基因”关系,为抗病遗传和基因鉴定与克隆奠定基础

我国在50年代开始，主要开展病害流行、预测预报、农业防治等研究，真正对鉴别体系和抗病遗传育种的研究是在70年代后期。（改革开放以后）以方中达教授为主进行的全国性的合作，1981年建立了第一个鉴别体系：用五个品种可以将病菌分成I-IV个群，主要是量的差异（获国家三等奖）。该系统的主要不足是籼粳品种都有、全国各地很难通用，所以许多省或者稻区也相继根据不同的病原物收集和生产推广品种建立了自己的鉴别系统

寻求更多的品种和更多的菌株进行重新研究，广东在80年代后期，首先发现有第V群存在，明显表现质的差别，以后在广西也发现。但到目前为主，主要局限于南方稻区。同样的问题：太宽，不同省份用的效果不一样；没有出现质的差别。抗病遗传

日本最早开始抗病遗传研究Kinmaze带有抗病基因Xa1

Kogyuku带有抗病基因Xa2Wase-Aikoku带有抗病基因Xa3

以后国际水稻研究所和其他国家分别开始了抗病资源的发掘和抗病新基因的鉴定

到二十世纪80年代时，已经鉴定了至少20个抗病基因

Xa4,xa5,Xa7,Xa8,Xa10,Xa11,xa13,Xa14,Xa15,Xa19,Xa20…..

上世纪90年代日本学者曾进行了一次全面的等位性测定目前已鉴定出30个抗水稻白叶枯病基因，包括21个显性基因和9个隐性基因；其中:12个全生育期、18个成株期抗性基因。在国际水稻新基因命名委员会正式注册的约有19个；Xa1、Xa-3、xa5、xa13、Xa21、Xa26和Xa27等7个基因已被克隆

Xa21

Khushetal（1990）从印度引进一个源自西非马里的长药野生稻（O.longistaminata），能抗所有的印度白叶枯病小种、菲律宾九个小种、日本小种Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，以及中国7个致病型中的6个（感Ⅴ型）。经杂交导入IR24后，通过回交、自交获得了BC4F2群体.分析其中两个F2群体对菲律宾小种1、2、4和6的抗性遗传，表明是由一对显性基因控制的，与已鉴定的17个抗性基因不同，被命名为Xa21。Ikedaetal（1991）首先将其定位于第11染色体Songetal（1995）克隆了Xa21，是第一个被克隆的抗病基因Xa22谢岳峰等（1990）从云南地方品种中“扎昌龙”鉴定了一对显性基因控制中国致病型I、Ⅱ、Ⅳ和Ⅶ，菲律宾小种1～6，日本小种I、Ⅱ和Ⅲ共12个小种（致病型）。等位性测试表明该抗性基因是一个新的显性成株抗性基因，定名为Xa22，位于第11染色体长臂末端Xa23

章琦（1997）从普通野生稻（Oryzarufipogon）中发现了能抗10个菲律宾小种（1～10）、7个中国致病型（I～Ⅶ）3个日本主要小种（I～Ⅲ）共20个小种（致病型）的代表菌株的材料，与感病籼稻品种金刚30（JG30）杂交，获得CBB23,遗传表明带有新基因Xa23，定位于第11染色体上Xa25高东迎（2001）将杂交稻汕优63的恢复系明恢63的成熟胚进行组培，在继代培养中以白叶枯病菌液作为选择压进行离体筛选，获得了一个抗病的体细胞无性突变系HX3。等位性测定结果表明：HX3携有一个新的显性成株抗性基因，被暂命名为Xa25Xa26王石平（2006）从明恢63中鉴定了一个新的抗病基因Xa26，克隆后的功能验证表明：抗病基因的多功能性，涉及花粉育性。(GeneDevelopment2006)Xa27IRRI的

Amante-Bordeosetal（1992）通过种间杂交、胚拯救和回交等手段，将小粒野生稻（O.minuta,BBCC,Acc.101141）的白叶枯病抗性导入栽培稻IR31917-45-3-2并选育出78-1-5BC2F3株系，该株系抗菲律宾小种2、3、4、5和6。GuKeyu等（2004；2005）在新加坡国立大学定位克隆了该基因.(Science2005)1、试验材料的确定病菌的选择IRRI和TARC国际鉴别小种的代表菌株流行菌群（小种）近期发生频率上升很快的菌群感病品种/亲本标准系对绝大多数小种（致病型）高度感病生育期适中纯合的品种2、

抗性鉴定

病菌的提纯复壮单胞分离、提纯、有正常活力和基本同质纯合的群体使用前在鉴别品种上接种，检验其毒力及专化反应接种菌株数的确定

多个菌株单个菌株(小种)（致病型）3、接种方法剪叶针刺4、

接种时期孕穗期苗期和孕穗期分两次5、抗性调查

接种与调查的间隔时间要因时、因地制宜，多在感病对照品种充分发病、病情发展相对稳定时进行接种后14～21天调查。以抗感分布曲线所形成的峰谷为界限划分抗性类型。抗、感分界的数值参照亲本表现来决定6、抗性遗传研究配组方式由于抗病供体品种多来自境外，综合性状较差，甚至存在严重缺点，习惯上以抗病供体为父本，以具有良好农艺性状的感病亲本为母本，多数抗病基因为显性，便于区别真伪杂种各世代的群体容量（大小）两个亲本品种及F1群体，10～20株。F2分离世代种300株以上，若为连锁遗传，群体应尽量增大些。BC1F1一般为100~150株；F3家系数约占F2群体的1/3左右，每家系约种植25～30株。7、遗传分析

--根据F1和亲本品种的抗感反应，一般可以对被测品种抗性的显、隐性作出判断。--根据F2和BC1F1群体各个植株的抗感反应型及其频率分布，再结合F3各家系的抗感表现及其纯合或杂合分离的情况与频率分布为依据，对控制各被测品种抗性的基因数、分离比例、基因效应、基因互作等进行系统概括，确定其遗传模式是一对基因还是两对（或两对以上）基因遗传，是独立分离或连锁遗传等，并进行有关参数估算和统计检测传统的抗病育种方法取得了很好控制病害的效果

日本、韩国以粳稻为主，气候温和，病菌变异相对较小，将Xa1，Xa2和Xa3等抗病基因转育到推广品种

IRRI在收集、鉴定抗病品种的同时，开展抗病基因的转发掘、抗病品种的选育、聚合，IR26Xa4;IR72Xa7….

中国粳稻Xa3

籼稻Xa4，Xa7等分子标记辅助选择、聚合育种和转基因

2、抗稻瘟病的遗传育种

稻瘟病的病原：稻梨孢菌（Pyriculariaoryzae）(Magnaporthegreasea)

危害：从苗期开始一直到抽穗，只要气候条件合适，都可以侵入寄主，形成苗瘟、叶瘟、节瘟、穗瘟和粒瘟等，产量损失在10-20%，严重时达50%，甚至100%。

分布：日本、美国、中国的北方粳稻区、四川、云南等地多雾山区

水稻抗病虫遗传育种

病害循环（流行）：冬季在病残体、稻桩和杂草越冬，春天秧田和大田灌水时，开始初侵染，以后反复再次侵染，一直到收获。日本上世纪初开始筛选和种植抗病品种，取得成效；在1922年佐佐木不同品种上的分离物（菌系）的致病范围不一样，开始了病原菌致病性分化和品种抗病性遗传的长期研究：寄主-病原物之间的相互关系或者说鉴别系统的建立鉴别系统的建立：1951年日本品种关东51和关东53（导入中国杜稻和莉枝江的抗源）推广后丧失抗性，重新关注。1961年，日本全国性的稻瘟病生理小种普查工作：确定12个不同抗性的品种作为鉴别品种，将全日本的生理小种分成18个，有效地指导了抗病遗传育种工作，1976年Flor“基因对基因”学说的理论指导下，日本开展了培育单个基因品种作为鉴别品种，提高了对小种的鉴别能力，有利于新抗病基因的发掘；对小种也进行了重新鉴定，共有23个生理小种Kiyosawa（清泽久茂，1981）的系统

50-60年代，在美国、韩国、印度和菲律宾等国也开始了鉴别体系的研究，由于国家之间在品种的遗传组成和病原菌的组成不同，国际间在这方面的交流较少，各自建立自己的体系用于本国的研究虽然日本和美国之间成立合作小组，建立了国际鉴别体系，包括8个品种：3个粳稻和5个籼稻组成，但没有被广泛应用

中国在50-60年代各省开始了一些菌系鉴别工作：沈阳农大、吉林、福建、浙江、四川等省做了一些工作。文革后，1976-1979年全国性的协作组进行小种普查工作和抗源鉴定。1981年确定了7个品种作为鉴别品种，全国的小种分为A-G共7群47个小种。（ZA、ZB、ZC….）品种产地类型分类编号Tetep越南籼型ZA64ZA49珍龙13浙江籼型ZB32四丰43浙江籼型ZC16东农363黑龙江籼型ZD8关东51日本粳型ZE4合江18黑龙江粳型ZF2丽江新团黑谷云南粳型ZG1ZG1小种的编号：A_G从上往下排，能侵染，该群以下不侵染品种编号之和+1）

该体系的建立，对了解全国稻瘟病菌的总体结构和小种分布、抗源品种的分布、抗病育种目标的制定等取得很大成效（国家科技进步一等奖）该体系包括了籼型和粳型、抗病遗传背景不清楚、实际应用中问题很多，目前各省在此基础上，分别加入了各省主栽品种或代表性品种作为补充。九五期间，“863”项目：参照日本的单基因鉴别品种，建立我国实用的单基因或鉴别能力强的通用体系。我国幅员辽阔、稻作类型丰富、生态气候差别大，加上病原菌变异快，实际很难获得这样的体系。抗病性遗传育种：

日本最早开始研究，佐佐木1923年报道了抗感杂交F2代表现3：1的比例，多年的研究认为：水稻抗稻瘟病是以主效基因为主的：存在显性、隐性和复等位1994年王国梁研究越南的抗病地方品种Morebroke，表现中等程度的持久抗性，分子标记定位了若干QTLs。我国大约从70年代后期开始，一方面引进日本的单基因抗病品种进行育种，一方面进行抗源发掘、用日本的标准菌株和抗病基因进行等位性测定研究。

比较多的研究集中在对云南稻种资源、太湖流域粳稻资源、国外引进资源的抗性鉴定与利用、籼稻品种的抗性遗传与抗病基因转育利用等，这些工作都分别得到国家攻关、自然科学基金等多个项目的资助目前的研究进展：1、病原菌：70年代后期发现病菌生活史中存在有性世代，获得不同交配型菌株，在实验室进行病原菌的有性杂交，克隆或定位无毒基因（目前至少有4个无毒基因被克隆）2002年8月美国完成了稻瘟病菌的全基因组测序工作，有关致病机理、致病性变异等研究非常深入利用分子标记研究病原菌群体多样性、田间菌株的遗传组成、变异性预测工作

已定名的水稻稻瘟病抗性基因基因符号

染色体

基因符号

染色体

基因符号

染色体

Pi-aPi-bPi-iPi-kPi-tPi-fPi-zPi-taPi-shPi-is-1Pi-se-1Pi-se-3Pi-(t)Pi-1Pi-3Pi-5(t)Pi-6(t)1126111

1161211

1111114116412Pi-7(t)Pi-8(t)Pi-9(t)Pi-10(t)Pi-11(t)Pi-h-1(t)Pi-12(t)Pi-13(t)Pi-14(t)Pi-15(t)Pi-16(t)Pi-17(t)Pi-18(t)Pi-19(t)Pi-20(t)Pi-21(t)Pi-22(t)1146

581212

62127111212126Pi-23(t)Pi-24(t)Pi-25(t)Pi-26(t)Pi-27(t)Pi-28(t)Pi-29(t)Pi-30(t)Pi-31(t)Pi-32(t)Pi-kur1Pi-mPi-lm2Pi-tq6Pi-tq1Pi-zhPi-1575125610811121241111126812目前的研究进展：寄主方面：新抗源的进一步发掘，作为材料贮备：资源品种、野生种质中抗性基因的鉴定和转育抗病基因的克隆：日本克隆了Pi-ta、Pi-b；美国克隆了Pi-1，更多的研究小组在进行新抗病基因的克隆（不同手段）抗病基因的全基因组扫描：抗病基因的分子标记（SSR）：抗病基因的聚合和MAS研究抗病转基因：外源和内源基因多有3、水稻抗飞虱遗传育种传统的灰飞虱防治办法：化学药剂问题：成本、污染环境和产品、杀害天敌、害虫抗药性..传播多种病毒病和其他病害4-5个生物型：Biotype1E.S.Asia(1979)Biotype2菲律宾、越南Biotype3IRRI实验室（1991）Biotype4S.AsiaBiotype5（1993）至少有28个抗性基因(位点)Bph被鉴定，主要在籼稻和野生稻：Bph10:O.australiensis(Ishiietal1994)Bph12：O.latifolia(Yangetal2002)Bph13：O.eichingeri(Liuetal2001)Bph14和Bph15：O.officinalis(huangetal2001)Bph18：O.australiensis(Jenaetal2006)Bph20和Bph21：O.officinalis(Rahmanetal2009)被克隆的有Bph14,编码CC-NB-LRR基因（2009）Bph26编码acoiled-coil-nucleotide-binding-site–leucine-richrepeat(CC–NBS–LRR)protein(2014)Bph3,编码

aclusterofthreegenesencodingplasmamembrane–localizedlectinreceptorkinases(OsLecRK1-OsLecRK3)(2014)Bph6的精细定位研究—武汉大学何光存教授TAG(2010)121:1601-11材料与方法Swarnalata，9311，日本晴等三个品种(F2，F3，BC2F1…--BC4F3–NIL-9311，NIL-NIP)生物型4（biotype4）,武汉田间采集，保存于籼稻品种TN1集团接种：秧苗的存活率，0-9级，以TN1为对照昆虫的死亡率和存活昆虫的体重等三个指标0–4.0（HR）4.1–7.0(MR)7.1–9.0(HS)140F2plants,分离比3:1(108:32).主要结果-536个SSR标记在两个基因池筛选，197个有多态，-三个标记RM3643、RM6997、RM5742在抗、感池有差别-在140个F2单株鉴定-第四染色体长臂，表型变异的77.5%L4、L5、L12、L13和L14，抗性位点在RM1699