综述：水稻细菌性条斑病管理的遗传育种与生物防治策略：综合评述

《Plant Stress》：Genetic breeding and biocontrol strategies for managing bacterial leaf streak in rice: A comprehensive review

　　

水稻黄单胞菌稻生致病变种（Xanthomonas oryzae pv. oryzicola，Xoc）是水稻的一种关键细菌病原体，引起细菌性条斑病（bacterial leaf streak，BLS），这是一种具有破坏性和检疫性的病害，常导致显著的产量和品质损失，并对水稻生产构成严重挑战。在当前水稻生产体系中，为BLS开发有效的绿色防控策略是一项必须应对的关键挑战。尽管利用抗病基因进行遗传育种似乎是控制BLS的一种高效且持久的策略，但迄今为止，由于有效对抗BLS的主要抗病（R）基因资源有限，该领域进展缓慢。为了全面了解如何利用抗病基因对抗BLS，本综述系统地整理并分析了水稻BLS抗性中关键遗传资源的功能。这些资源包括：（1）R基因，例如Rxo1、bls1/2和Xo1/2；（2）数量性状位点（quantitative trait loci，QTLs），如qBlsr5a、qBLSR-11-1、qBLS6.2等；（3）多种防御相关（defense-related，DR）基因。此外，本文还收集了对抗BLS的生防菌（biocontrol agents，BCAs），总结了通过微生物及其拮抗代谢产物以及植物源化合物抑制Xoc的研究。基于此，研究人员提出了包括工程化嵌合Bs2-NRC2/3/4或Xa27和Xa23的启动子以识别保守的Xoc效应子，以及编辑OsSULTR3;6、OsHXK5、OsF3H03g等基因启动子中的效应子结合元件（effector-binding elements，EBEs）以阻止诱导的策略。研究人员还提出了一种新的对抗BLS的生物防治策略，该策略利用不同功能的BCAs并对微生物组（Microbiome，M）基因进行遗传修饰以招募有益微生物。

本文是一篇关于通过遗传育种和生物防治策略管理水稻细菌性条斑病（BLS）的综合评述，系统总结了相关遗传资源和生防手段的研究进展。

**1. 引言**
水稻细菌性条斑病（BLS）由病原菌*Xanthomonas oryzae* pv. *oryzicola*（Xoc）引起，对全球水稻生产构成严重威胁。由于化学杀菌剂存在抗药性和环境问题，开发可持续的管理策略，包括利用寄主抗性基因和生防菌（BCAs），成为环境友好型防控的关键方向。与引起水稻白叶枯病（BB）的亲缘病原菌*Xanthomonas oryzae* pv. *oryzae*（Xoo）相比，有效对抗Xoc的主要抗病（R）基因数量有限。这可能是由于Xoo和Xoc感染模式及效应子库的差异所致。Xoo侵染维管束导致系统性感染，而Xoc在细胞间隙中定殖。Xoc缺乏Xoo特有的细胞壁降解纤维二糖水解酶基因*CbsA*。两者虽都含有转录激活类效应子（TALEs）和非TALEs，但组成不同，例如Xoc不含有对应于水稻BB R基因*Xa23*和*Xa27*的TALEs，因此这些基因的激活也能赋予水稻对Xoc的抗性。尽管Xoc特异性R基因稀缺，但研究仍发现了非寄主R基因*Rxo1*、主要R基因*Xo1*和*Xo2*，以及与BLS抗性相关的数量性状位点（QTLs）和防御相关（DR）基因。鉴于化学农药的限制，利用有益微生物及其代谢产物作为BCAs的生物防治策略日益受到重视，但针对Xoc的研究相对有限。本综述旨在汇编对抗Xoc的拮抗微生物及抗病基因资源，为BLS的生态友好型管理策略提供支持。

**2. 主要抗病基因介导的BLS抗性**
*Xo1*基因编码含zfBED和核苷酸结合富亮氨酸重复（NLR）结构域的蛋白，其对非洲Xoc小种的抗性依赖于TALEs的中心3.5个重复序列，但与转录激活活性无关。此抗性可被亚洲Xoc小种产生的截短型TALEs（truncTALEs）所抑制。*Xo1*与白叶枯病抗性基因*Xa1*等位。truncTALEs与Xo1存在蛋白互作，但其抑制机制尚不清楚。另一个显性R基因*Xo2*来自孟加拉国水稻品种，能抗多数中国Xoc菌株，精细定位确定染色体2上的NLR基因*Osa002T0115800*为候选基因。*Xo1*和*Xo2*均为NLR型R基因，但可能代表不同功能类型，聚合两者可能拓宽抗谱。
从野生稻（*Oryza rufipogon*）中鉴定出的隐性BLS抗性基因*bls1*编码一个丝裂原活化蛋白激酶（MAPK），其表达降低赋予广谱抗性。另一个隐性抗性基因*bls2*也被定位到染色体2上。*bls1*编码OsMAPK6，其突变严重影响水稻生长，而*bls2*对产量性状无影响，是更有利的基因编辑育种靶标。
工程化其他病原体对应的水稻R基因是获得BLS抗性的有前景策略。例如，白叶枯病抗性基因*Xa27*和*Xa23*可分别被Xoo的对应TALEs AvrXa27和AvrXa23激活。通过设计启动子使其能被Xoc的保守TALEs激活，或利用基因编辑技术向*Xa23*启动子中敲入多种Xoc TALEs的效应子结合元件（EBEs），都能赋予广谱抗性。利用异源R基因也是一种可行策略。首个被鉴定的此类R基因*Rxo1*编码玉米NLR蛋白，能识别Xoc的效应子AvrRxo1，在转基因水稻中引发过敏性反应。最近研究通过共表达辣椒NLR基因*Bs2*与NLR所需细胞死亡（NRC）型辅助基因（*NRC2/3/4*），成功构建了能识别Xanthomonas属保守效应子AvrBs2的传感器/辅助NLR系统，在水稻中赋予BLS抗性而不影响植株适应性。

**3. 赋予水稻BLS抗性的QTLs**
QTL定位和全基因组关联分析（GWAS）鉴定出众多与BLS抗性相关的位点。最突出的是在抗性品种Acc8558中发现的*qBlsr5a*，精细定位显示其候选基因为*LOC_Os05g01710*，编码转录因子IIA gamma亚基，同时也是隐性白叶枯病抗性基因*xa5*。抑制*Xa5*表达可增强对Xoc的抗性，该位点在多个遗传背景和Xoc菌株中被验证。另一个主要QTL，位于11号染色体的*qBLSR-11-1*，来自籼稻品种Dular。源自多亲本高代互交（MAGIC）群体的广谱抗性QTLs（*qXO-2-1*、*qXO-4-1*和*qXO-11-2*）能抗多种Xoc和Xoo菌株。此外，还有13个BLS抗性QTLs从水稻品种HZ和Nekken及其衍生的重组自交系（RIL）群体中报道。多项GWAS研究也显著扩展了候选区域列表，其中*qBLS6.2*（*OsBLS6.2*）是一个被验证的、位于主要效应QTL内的候选基因，编辑该基因可增强对Xoc的抗性。通过将主要QTLs定位到12条染色体上发现，只有少数位点如染色体5上的*xa5*区域、染色体11上的*qBLSR-11-1*和MAGIC来源的广谱QTLs在独立研究中被重复验证。因此，聚合这些已验证的主要QTLs是更有前景且持久的BLS控制策略。

**4. 参与水稻BLS抗性的防御相关基因**
许多DR基因在病原侵染时表现出动态表达变化，并正向或负向调控BLS抗性。

**4.1. BLS抗性的正调控因子**
**4.1.1. 细胞壁完整性与质外体防御**：细胞壁是抵抗Xoc的第一道物理屏障。多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白基因*OsPGIP4*和*OsPGIP1*在接种Xoc后表达上调，过表达能增强BLS抗性并激活茉莉酸（JA）信号和细胞壁相关防御。β-葡萄糖苷酶基因*OsBGLU19*和*OsBGLU23*也参与完全抗性。
**4.1.2. 蛋白激酶信号级联**：MAPK级联是免疫信号的核心。MAPK激酶*OsMPKK10.2*磷酸化MPK6促进BLS抗性。*OsMAPK12-1*正调控对Xoc和Xoo的抗性。CBL互作蛋白激酶*OsCIPK15*也正调控抗性。植硫激肽受体基因*OsPSKR1*被Xoc诱导，过表达增强抗性并激活水杨酸（SA）信号。
**4.1.3. 转录因子与转录后调控因子**：R2R3-MYB因子*OsMYBxoc1*被Xoc诱导，通过抑制铁转运蛋白基因*OsNRAMP5*的表达限制铁积累来增强抗性。*OsWRKY30*是广谱正调控因子。热激因子*OsHsfB4d*转录激活小热激蛋白基因*OsHsp18.0-CI*增强抗性。微小RNA*OsmiR395*靶向硫酸盐同化和转运基因，正调控抗性。
**4.1.4. 激素信号与代谢调控**：*GH3-2*编码IAA-酰胺合成酶，通过失活生长素（IAA）赋予广谱抗性。*OsEDS1*通过依赖于JA的途径正调控抗性。参与维生素B₆合成的*OsPDX1.2*可被Xoc效应子AvrRxo1靶向降解，其组成型表达促进ABA生物合成和气孔关闭，增强抗性。胱硫醚β-合酶基因*OsCBSX3*正调控抗性，其与光系统II亚基PsbO互作可促进H₂S产生，而硫氧还蛋白*OsTrxZ*则抑制此过程。
**4.1.5. 转运蛋白与离子稳态**：ABC转运蛋白基因*OsABCG43*参与镉导入，叶片中Cd积累能直接削弱病原菌毒力。含有赖氨酸基序的蛋白*LYP4*和*LYP6*作为细菌肽聚糖的感知器，参与免疫激活。

**4.2. 负调控基因**
**4.2.1. 负调控水稻BLS抗性的防御相关基因**：靶向感病基因（S基因）是培育BLS抗性品种的关键策略。NLR基因*DEPG1*、受体样胞质激酶基因*NRRB*负调控抗性。脱落酸（ABA）缺陷突变体*Osaba1*通过增加气孔导度增强防御。开花相关基因*OsHd3a*和*OsFD1*负向调节JA信号和Xoc抗性。醛脱氢酶基因*OsALDH2B1*抑制防御反应。Raf样MAPKKK*OsEDR1*通过抑制OsMPKK10.2而削弱免疫。泛素连接酶适配体*OSK1*可被XopC2磷酸化，促进JA介导的气孔重新开放，增加感病性。硫酸盐转运相关基因*OsAPS1*和*OsSULTR2;1*负调控抗性。重金属转运蛋白基因*OsNRAMP1*功能丧失可触发活性氧（ROS）爆发。*OsLIC*磷酸化后抑制*OsWRKY30*转录。*OsASR6*抑制*OsCIPK15*表达。自抑制Ca²⁺-ATP酶基因*OsACA9*敲除可提高ROS水平。SPX家族基因*OsSPX3*、CDP-DAG合酶基因*OsCDS5*、谷氨酰胺合成酶基因*OsGS2*（编辑其uORF）以及去甲基化酶基因*OsROS1a*均被鉴定为负调控因子，敲除或抑制其功能可增强BLS抗性。
**4.2.2. TALE介导的水稻BLS感病基因**：TALEs通过结合启动子中的EBEs激活感病（S）基因来促进感染。硫酸盐转运蛋白基因*OsSULTR3;6*是主要Xoc毒力因子Tal2g的靶标。编辑其启动子中的EBEs可阻止诱导，降低感病性。编辑其编码序列（CDS）也能赋予抗性，但会影响种子营养和萌发。己糖激酶基因*OsHXK5*被Xoc菌株GX01的Tal10a激活，编辑其EBEs可赋予抗性，但其功能丧失会导致花粉发育异常和雄性不育。因此，编辑多个S基因启动子中的EBEs可在增强抗性的同时避免影响生长发育。SA羟化酶基因*OsF3H03g*和*OsF3H04g*分别被Tal2b和Tal2c靶向，编辑其EBEs可阻断感病性。另一个SA羟化酶*OsS3H*也负调控抗性。RNA结合蛋白基因*OsRBP11*是Xoc TAL3GD41的靶标，通过促进*OsNPR3*的可变剪接来破坏OsNPR1介导的免疫。这些案例表明Xoc通过多种TALEs干扰水稻SA介导的免疫。此外，TALE转运所需的寄主因子也是潜在的感病靶标。多个TALEs与水稻转录因子IIA gamma亚基OsTFIIAγ5相互作用，破坏OsTFIIAγ5或其互作蛋白OsTFIIAα/β可阻断TALE依赖的基因表达并获得广谱抗性。核输入蛋白OsImpα1a/b介导TALE的核转位，抑制它们可增强抗性。总体而言，激活SA和JA信号、提升植株内ROS水平、增强由病程相关（PR）基因介导的基础免疫是增强BLS抗性的关键机制，而抑制这些过程则导致感病。

**5. 生防菌（BCAs）**
**5.1. 芽孢杆菌属（*Bacillus* spp.）**：*Bacillus* spp.是广泛应用的生防微生物，能产生多种生物活性化合物。**B. amyloliquefaciens** FZB42通过产生difficidin和bacilysin直接损伤Xoc细胞。**B. velezensis**菌株BR-01和504也表现出拮抗活性。**Paenibacillus polymyxa** Y-1通过多种代谢物包括polymyxin B1和E2抑制Xoc，其中polymyxin B1还能通过刺激苯丙烷类生物合成增强水稻抗性。Difficidin和bacilysin的保护率可达58.8%至72.3%，显示出较好的应用前景。
**5.2. 链霉菌属（*Streptomycetes* spp.）**：**S. bungoensis** TY68-3能有效抑制Xoc和Xoo。**Streptomyces** sp. KIB-H1083产生piericidin A，对Xoc有强抑制活性。**Streptomyces** sp. SS8和**S. shenzhenensis** TKSC3能单独或联合应用保护水稻，诱导系统抗性并促进生长，联合防控效果高达81%。**S. aureus** SPRI-371产生的aureonuclemycin（ANM）对Xoc有治疗作用。
**5.3. 假单胞菌属（*Pseudomonas* spp.）**：**Pseudomonas aeruginosa** PA1201产生的吩嗪-1-羧酸（PCA）通过引起氧化胁迫抑制Xoc。**P. aeruginosa** SF416也表现出理想拮抗活性。**P. oryziphila** 1257产生的非核糖体肽是抗Xoc的主要活性化合物。**P. mosselii** 923产生的pseudoiodinine对Xoc有强拮抗活性，其盆栽防效超过50%。
**5.4. 曲霉菌属（*Aspergillus* spp.）**：**Aspergillus** sp. IFB-YXS产生xanthoascin和terphenyl衍生物。**Aspergillus** sp. YJ191021产生asperthrin A，对Xoc的最低抑菌浓度（MIC）为12.5 μg/mL。**Aspergillus lentulus**产生两种异二聚体四氢呋喃酮衍生物。
**5.5. 毛壳菌属（*Chaetomium* spp.）**：**C. globosporum**产生indole alkaloids globosporines C和D。**C. globosum**含有编码抗菌肽CgR2150和CgR3101的基因。
**5.6. 其他拮抗真菌和微生物**：**Alternaria alternata** ZHJG5产生4-hydroxyalternariol-9-methyl ether和verrulactone A，对Xoc的MIC为0.5 μg/mL。**Nigrospora chinensis** GGY-3产生的tropolone衍生物stipitaldehyde对Xoc的半最大效应浓度（EC₅₀）为4 μg/mL。**Lysobacter antibioticus** 13-6产生吩嗪化合物破坏Xoc细胞膜。**Caudoviricetes**类的裂解性噬菌体pXoo2106和pXoo2107对Xoc和Xoo有强抑制活性。PCA可作为BLS管理的理想BCAs之一。
**5.7. 植物源代谢物或蛋白**：多种酚类化合物、生物碱berberine和jatrorrhizine、rhetsinine、melatonin、ethylicin以及4-allylbenzene-1,2-diol等植物源化合物均显示出对Xoc的抑制作用或BLS防效。Ethylicin兼具直接抑菌和诱导水稻抗病的作用，为BLS防控提供了更综合的途径。

**6. 结论与展望**
本文详述了R基因、抗性QTLs和DR基因对抗Xoc的功能，并综述了BCAs的应用。通过作物遗传育种培育抗病品种是最有效经济的途径。工程化R或感病基因是重要策略，但某些抗性基因的组成型过表达会带来生长缺陷。最近验证的传感器和辅助NLRs策略（如*Bs2*-*NRC2/3/4*）以及设计特定抗病基因的uORFs以实现翻译水平的快速诱导，为BLS抗性育种提供了新思路。阻断内源性感病基因功能是主流策略，例如编辑*OsSULTR3;6*和*OsHXK5*启动子中的EBEs。基于此，本文提出了五种遗传育种策略：(1) 工程化带NRC的R基因以识别Xoc保守效应子；(2) 工程化BLS正调控基因的uORFs；(3) 向广谱R基因（如*Xa27*、*Xa23*）启动子中敲入保守Xoc TALEs的EBEs；(4) 基因编辑BLS感病基因或负调控基因；(5) 基因编辑寄主感病基因启动子中的EBEs以阻止其被激活。
生物防治可弥补遗传育种在实际病害管理中的局限。本文系统总结了已验证对BLS有效的BCAs。合理组合作用机制不同的BCAs是高效管理水稻BLS的策略。有趣的是，水稻合成的4-羟基肉桂酸（4-HCA）能招募有益假单胞菌，这些微生物组（M）基因为抗病遗传育种提供了新策略。因此，本文提出了一种新的生物防治策略：利用不同作用方式的BCAs，结合对M基因的遗传改良以重塑叶际微生物群，实现对BLS的协同防控。