近年来，水稻与病原物互作的分子生物学机制受到广泛重视，在植物-病原物互作的识别、信号传导、防卫反应相关基因及其调控等方面取得不少进展。同时，水稻作为禾谷类作物功能基因组学和遗传转化研究的模式植物，其抗病分子生物学及遗传转化技术体系不断发展和成熟，并提出了一些新的水稻抗病基因工程策略，为通过基因工程来提高水稻抗病性奠定了基础。本文简要评述近年来水稻抗病基因工程的研究现状及其进展。
1 水稻抗病性分子生物学
1.1 水稻的R基因
水稻中已定位至少30个稻瘟病抗性位点(resistance loci)和25个白叶枯病抗性位点。其中抗稻瘟病 (Magnaporthe grisea)的Pib和Pi-ta和抗白叶枯病(Xanthomonas oryza pv. oryza，Xoo)的Xa21和Xa1基因已经被克隆鉴定。Xa21基因编码含 1025个氨基酸的蛋白，具有一个富含亮氨酸重复(leucine rich repeat，LRR)的胞外受体结构域、一个跨膜结构域和一个胞内丝-苏氨酸激酶结构域。该基因的发现首次将R基因的受体功能和下游信号传递功能联系在一起，即胞外LRR结构域感受病原菌信号后，活化胞内蛋白激酶，并激活下游信号，导致HR。Pi-ta基因编码的受体蛋白位于细胞质，N端含有核苷酸结合位点(nucleotide-binding site，NBS)，C端包括富含亮氨酸区域(leucine-rich domain，LRD)。与Pi-ta对应的稻瘟菌无毒基因AVR-Pita基因也被分离，该基因编码具有蛋白酶性质的多肽。瞬间表达Pi- ta和无毒基因AVR-Pita的水稻产生了HR并且激活抗病防卫反应基因的表达；酵母双杂交实验和far-Western analysis分析表明Pi-ta和AVR-Pita 发生了直接互作，而且Pi-ta的LRD区域可与AVR-Pita专化性地结合。这些实验结果证明Pi-ta和AVR-Pita的互作。
R基因介导的抗病性水平高，常表现高抗，是抗病基因工程中常用的抗源。但R基因和avr基因的互作表现为品种对小种的专化性抗性，所以植物抗病性常因病原菌群体生理小种的变化而被克服。稻瘟病和水稻白叶枯病都是“基因对基因”互作的病害体系，抗病品种抗性容易丧失。因此，利用R基因的抗病基因工程应着眼于创建非小种特异性(non-race specific)的抗性，以避免因R-avr基因的专化性互作造成抗性丧失。De Wit设想，将avr基因和R基因与病原菌侵染诱导表达的特异性启动子构成双组分系统转入植物，当病原物侵染时，引发过敏反应，表现抗病性。这为抗病基因工程提供了新的思路，但是目前还缺乏这种受病原菌侵染诱导的特异性启动子。随着最近对在水稻中可诱导表达的启动子及病原菌无毒基因的研究及分离克隆，这方面的研究将会有突破。利用R基因时还应充分评价和预测它的持久性。Vera Cruz等通过研究相应的无毒基因的侵袭力(aggressiveness)和生存适合度(fitness)成功地预测出水稻白叶枯抗病基因Xa7为一较为持久的抗病基因。
1.2 防卫反应基因和系统获得抗性
R基因和avr基因识别后，引发过敏反应，同时通过信号传导途径诱导一系列抗病防卫反应基因表达，产生系统获得抗性(systemic acquired resistance，SAR)。植物产生SAR后，能在较长时间内保持对多种病原菌的增强抗性。抗病防卫反应中表达的基因主要是编码病程相关蛋白(pathogenesis-related proteins，PRs)和植保素合成相关酶基因。PR蛋白在植物抗病性和系统获得抗性中起重要作用，有些PR蛋白在体外就有抗菌活性。已经克隆并鉴定了水稻中的几类PR蛋白基因，其中包括能降解真菌细胞壁的PR-3(编码几丁质酶)和PR-2( 编码β-1,3-葡聚糖酶)，以及有抗菌作用的类奇甜蛋白(thaumatin-like proteins，TLP，属PR-5类)等。通过转入自身或其它植物的防卫反应相关基因来提高水稻抗病性，已有大量的尝试。
植物系统获得抗病性的显著特点是产生广谱抗病性，这是因为SAR的产生是一系列防卫反应基因协同作用的结果。因此，通过调节SAR反应来获得广谱抗病性，是一条很有潜力的途径。NPR1是调节拟南芥中SAR信号传导途径的一个关键基因，与参与动物免疫反应的转录因子NF-κΒ羧基末端的锚蛋白重复单位结构域(ankyrin-repeat domain)有相似的功能域，组成型表达NPR1基因的拟南芥植株表现出对丁香假单胞杆菌(Pseudomonas syringae)和寄生霜霉菌(Peronospora parasitica)的广谱抗性。最近，研究表明水稻中也存在类似NPR1 介导的信号传导途径，组成型表达NPR1基因的水稻植株对白叶枯病和稻瘟病表现抗性。模拟病斑突变体(lesion mimic mutant)通常能在无病原物存在的情况下产生系统性过敏性环死斑，并表现出对多种病原物抗性的提高。Yin等最近鉴定了一个水稻模拟病斑突变体spl11，spl11的纯合体对水稻白叶枯病菌的2号、3号和4号小种及9个不同的M.grisea分离物都表现出一定抗性，Northern分析还表明spl11中一些已知的防卫反应基因表达量相应提高。
