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本文聚焦水稻类病斑突变体（LMMs），其在无病原体时形成类似超敏反应（HR）的病斑，常具持久广谱抗病性，但多伴有生长迟缓等不良农艺性状。文章综述了 LMMs 的特征、基因调控机制，为理论研究和水稻育种提供方向。
引言
水稻是全球重要粮食作物，养活超半数世界人口。预计到 2030 年，需增产约 40% 以满足人口增长需求。然而，病原体引发的各种疾病严重制约水稻稳定生产，平均减产超 30%。
植物在自然环境中进化出复杂免疫机制，超敏反应（HR）作为一种特殊的程序性细胞死亡（PCD）形式，是植物抵御病原体的高效即时反应。当感知病原体感染，HR 能在感染部位及周围迅速启动，植物通过杀死自身细胞抑制病原体继续入侵或增殖。
水稻类病斑突变体（LMMs）是一类特殊突变体，在无病原体感染情况下，体内自发形成类似植物 HR 症状的坏死病斑，这些病斑可出现在叶片、叶鞘或穗部。大量研究表明，多数水稻 LMMs 具有持久广谱抗病性，伴随细胞死亡、活性氧（ROS）积累和防御基因激活，是潜在的抗病育种资源。但多数 LMMs 存在分蘖数、株高、结实率、每穗粒数、千粒重和产量下降等不良农艺性状，使其成为研究 PCD、植物防御机制以及植物免疫与生长平衡的理想遗传材料。
自 Sekiguchi 在 1965 年首次报道自然发生的类病斑突变体 sekiguchi lesion（sl）后，通过人工诱变鉴定出许多类似 LMMs，并利用正向和反向遗传方法对相应基因进行了鉴定、克隆和功能分析。至今，至少已在水稻中鉴定和克隆了 61 个 LMMs 及其对应基因。
水稻 LMMs 的特征和功能
众多水稻 LMMs 已被鉴定，对至少 61 个已克隆和鉴定致病基因的 LMMs 特征进行总结发现：病斑出现常伴随 ROS 积累、叶片衰老、叶绿体受损和叶绿素含量下降。病斑可在水稻整个生育期（从幼苗期到成熟期）出现，42 个突变体在幼苗期出现病斑，10 个在分蘖期出现，2 个分别在抽穗期、孕穗期和开花期出现。
一些非生物因素如紫外线辐射、温度和光照会影响 LMMs 病斑的出现。lmm8、lil1 等多个突变体及 SGR - 和 NPR1 - 过表达株系的病斑表型受光照诱导，光照下出现病斑，无光照时则无。lmpa 和 spl42 突变体的病斑表型与温度相关，30°C 时病斑严重，20°C 时无明显病斑。els1、lm2121 等突变体的病斑表型受光照和温度显著影响，glp1 突变体受紫外线 B 辐射触发病斑发展，spl7 突变体在高温或紫外线辐射下出现病斑。
遗传分析显示，多数 LMMs 表现出典型的隐性遗传，遵循孟德尔遗传定律，仅 lil1 和 Spl18 突变体分别表现为半显性或显性遗传。在抗病性方面，多数 LMMs 对稻瘟病和白叶枯病的抗性增强，61 个 LMMs 中，27 个对两种病害抗性均增强，10 个对稻瘟病抗性增强，11 个对白叶枯病抗性增强，但 sdr7 - 6 和 edr1 突变体对两种病害的抗性反应不同，对白叶枯病抗性增加，对稻瘟病抗性降低。
参与免疫反应的 50 个 LMMs 均表现出严重的细胞死亡，主要由包括 H2O2和 O2 - 在内的 ROS 积累引起。除 spl7、lms、spl11 突变体和 OsRac1 过表达株系外，46 个突变体中一种至十一种病程相关（PR）基因的表达显著上调，证实这些 LMMs 的防御反应被激活。
LMMs 病斑表型和抗病性增强的原因多样，26 个 LMMs 由基因单碱基替换引起，3 个由单碱基插入或缺失导致，oscul3a 突变体由 11 - bp 替换和 8 - bp 缺失造成，lmm24 突变体由两个碱基突变和 54 - bp 插入引起，scyl2 - 1 和 rbl1 突变体分别由 12 - 和 29 - bp 缺失导致，7 个由基因表达上调引起，8 个由基因表达下调引起。尽管多数 LMMs 具有广谱抗病性，但农艺性状不佳，不过 lmm9150 突变体在抗稻瘟病和白叶枯病的同时，产量相关农艺性状与野生型无显著差异，表明有望培育出抗病且不减产的 LMMs。
LMM 基因的鉴定、克隆和功能分析
至少 61 个 LMM 基因已被鉴定和功能验证，其中 40 个通过图位克隆鉴定，6 个利用 T - DNA 插入突变体克隆，15 个通过反向遗传学方法（包括 RNA 干扰（RNAi）、异位表达和敲除）鉴定。这些基因广泛分布在水稻 12 条染色体上，染色体 1 和 3 上各有 10 个，染色体 2、4、7、8、10、12 上分别有 7、5、5、5、6、5 个，染色体 5、6、9、11 上各有 1 个。
亚细胞定位表明，40 个 LMM 蛋白定位于单一位置，10 个位于细胞核，9 个位于叶绿体，7 个位于细胞质，6 个位于内质网（ER），4 个位于质膜，2 个位于线粒体，1 个位于过氧化物酶体，1 个位于高尔基体。7 个 LMM 蛋白有两个定位位置，OsSCYL2 定位于三个细胞器（高尔基体、反式高尔基体网络和前液泡区室）。功能分析显示，克隆的 LMM 基因主要参与基因转录和蛋白质翻译、泛素 - 蛋白酶体途径、蛋白质磷酸化、囊泡运输、代谢途径、植物激素信号传导等过程。
水稻 LMM 基因的调控途径
- 参与基因转录和蛋白质翻译的 LMM 基因：转录因子（TFs）在植物生长发育和响应中起关键作用，决定转录起始并调节靶基因时空表达水平。多个转录调节因子家族控制水稻 LMM 表型。SPL7 编码热应激 TF，具有转录活性，过表达和敲除 SPL7 均导致病斑形成和对稻瘟病、白叶枯病抗性增强，同时生长受阻，适度表达则可在不出现病斑和严重生长缺陷的情况下提高抗性。OsLSD1 编码锌指蛋白，调节水稻 PCD，其表达受光照诱导、黑暗抑制，反义转基因 OsLSD1 水稻出现病斑且对稻瘟病抗性增强。OsNPR1 是系统获得性抗性的关键调节因子，赋予水稻持久广谱抗性，过表达 OsNPR1 的植株在温室中叶片出现病斑，对白叶枯病抗性显著提高，且其是 OsCUL4 - OsDDB1 - OsDWD1 E3 连接酶复合物的底物，与 OsDWD1 相互作用，OsDWD1 敲除株系的抗性增强依赖于 OsNPR1 积累。Mediator（MED）是保守的多亚基复合物，在转录起始时连接转录因子和 RNA 聚合酶 II 控制基因表达。SPL38 编码 MEDIATOR SUBUNIT 16（OsMED16），与几丁质酶前体蛋白 OsPR3 相互作用并抑制其活性，spl38 突变体出现病斑且对稻瘟病和白叶枯病抗性增强，过表达 OsMED16 则使水稻对稻瘟病更敏感，ospr3 osmed16 双突变体无病斑表型，表明 OsMED16 以 OsPR3 依赖的方式负调控细胞死亡。
RNA 剪接和编辑相关基因也调节病斑发展。OsNBL3 是 P 型 PPR 蛋白，参与线粒体基因 nad5 内含子 4 的剪接，功能缺失导致自发细胞死亡和抗病性增强。OsLMS 编码双链 RNA 结合结构域蛋白，其剪接位点单碱基突变导致剪接错误，出现病斑表型和对稻瘟病抗性增强。SPL42 编码胆色素原脱氨酶，参与叶绿素和血红素生物合成，与 MORFs 相互作用影响 RNA 编辑，其第二外显子单碱基突变降低酶活性，导致红褐色斑点叶表型。
翻译过程中，SPL33 编码 eEF1A - 样蛋白，功能丧失导致细胞死亡、叶片早衰和对稻瘟病、白叶枯病抗性增强，病原体相关分子模式触发的免疫和效应子触发的免疫在 spl33 突变体中均被激活。LML1 编码 eRF1 蛋白，lml1 突变体出现病斑和生长延迟表型，LML1 与 SPL33 形成复合物，该复合物在水稻和酵母中保守。
2. 参与泛素 - 蛋白酶体途径的 LMM 基因：泛素化修饰是真核生物重要调控过程，由泛素激活酶（E1）、泛素结合酶（E2）和泛素连接酶（E3）调控，将泛素连接到底物上，标记底物被 26S 蛋白酶体降解。OsCUL3a/SPL88 是 RING E3 泛素连接酶组分，调节细胞死亡和免疫，与 OsNPR1 相互作用并降解它，oscul3a 突变体中 OsNPR1 积累导致病斑形成，敲除 OsNPR1 显著抑制细胞死亡，表明 OsCUL3a 通过降解 OsNPR1 负调控水稻细胞死亡和免疫。EBR1 编码 E3 泛素连接酶，是水稻 PCD 和免疫的负调节因子，与 OsBAG4 相互作用并使其泛素化降解，ebr1 突变体中 OsBAG4 积累触发 PCD 和自身免疫，降低 OsBAG4 表达可抑制细胞死亡和抗病性。SPL11 具有 E3 泛素连接酶活性，是植物细胞死亡和防御反应的负调节因子，SDS2 与 SPL11 相互作用并磷酸化它，spl11 突变体中 SDS2 突变部分抑制病斑和抗病性，且 SDS2 与水稻免疫正调节因子 OsRLCK118 和 OsRLCK176 相互作用，OsRLCK118 磷酸化 NADPH 氧化酶 OsRbohB 诱导 ROS 爆发。SPIN6 编码 Rho GTPase 激活蛋白，被 SPL11 泛素化降解，敲除 SPIN6 导致 PCD 和对稻瘟病、白叶枯病抗性增强。
OsPUB15 编码胞质 U - box 蛋白，与 PID2K 相互作用，过表达 OsPUB15 导致自发细胞死亡病斑和植物基础防御反应组成性激活。OsUbc13 负调控病原体免疫，OsUbc13 - RNAi 株系出现 HR - 样病斑和对稻瘟病、白叶枯病抗性增强，其与 OsSnRK1 相互作用，沉默 OsUbc13 抑制 OsSnRK1a 的 K63 连接的多聚泛素化，增强 SnRK 活性，敲低 OsSnRK1a 降低稻瘟病抗性。OsRPT5A 属于 26S 蛋白酶调节亚基 6A，其第八外显子点突变导致叶片广泛坏死。SPL35 编码含 CUE 结构域蛋白，与 E2 蛋白 OsUBC5a 相互作用，敲低 OsUBC5a 导致类似 spl35 突变体的病斑，表明 SPL35 可能参与泛素化过程。
3. 参与蛋白质磷酸化的 LMM 基因：蛋白质磷酸化是植物发育和环境适应中信号转导的关键过程，通过精确磷酸化信号级联中的关键成分，植物可开启或关闭生长或防御所需的特定信号通路，由蛋白激酶和蛋白磷酸酶动态可逆催化。
水稻中至少 6 个与蛋白质磷酸化相关的基因可调节病斑形成。OsMKK6 编码 MAP 激酶激酶，rsr25 突变体中其突变导致红褐色斑点，OsMKK6 与 OsMPK4 相互作用并磷酸化它，形成负调控免疫反应的 MAPK 级联。SLES 含激酶结构域，属于 Raf MAPKKK 家族，其第六外显子单核苷酸替换导致病斑局限于叶鞘、叶绿素含量降低、ROS 爆发和对病原体感染抗性提高的突变表型。SPL36 编码含亮氨酸丰富结构域的受体样蛋白激酶，其编码区 1462 位单碱基替换导致半胱氨酸变为精氨酸，引起细胞死亡、生长发育迟缓以及对水稻细菌性病原体抗性增强。
LIL1/ALS1 编码富含半胱氨酸的受体样激酶，其第四外显子错义突变产生半显性等位基因，导致 LIL1 表达水平显著升高，出现病斑表型。LMM24 编码受体样胞质激酶，lmm24 突变体第四外显子两个核苷酸替换和 54 bp 插入导致深褐色病斑、对稻瘟病抗性增强和叶片早衰。OsWAK25 编码壁相关激酶，过表达株系出现小坏死斑、PR 基因上调、对稻瘟病和白叶枯病抗性增强，但对纹枯病和稻瘟病菌更敏感，其与 Type 2C 蛋白磷酸酶 XB15 相互作用，过表达 XB15 会削弱 OsWAK25 赋予的对白叶枯病的抗性。
4. 参与细胞内囊泡运输的 LMM 基因：细胞内囊泡运输维持细胞内物质交换和信号传递，将货物从供体膜运输到靶膜，在植物免疫反应中起重要作用。SPL28 编码网格蛋白相关衔接蛋白复合物 1 的中等亚基微 1（AP1M1），参与高尔基体后囊泡运输途径，在 apm1 - 1 Delta 酵母突变体中表达 SPL28 可挽救膜运输缺陷。OsSCYL2 属于 SCYL 蛋白家族，是网格蛋白介导的囊泡运输组分，与 SPL28 相互作用，依赖网格蛋白 OsCHC1，功能丧失导致病斑表型和对细菌性病原体抗性增强。水稻外囊体亚基 OsSEC3A 参与胞吐作用，与其他外囊体亚基相互作用，可结合磷脂，参与植物抗病性，ossec3a 突变体出现病斑表型和防御反应增强，且与参与稻瘟病抗性的 SNAP25 型 SNARE 蛋白 OsSNAP32 相互作用。LRD6 - 6/LMR/SPL4 编码 AAA ATP 酶，具有 ATP 酶活性，对 MVBs 介导的囊泡运输至关重要，防止抗菌代谢物生物合成，lrd6 - 6 突变体表现出 MVBs 介导的囊泡运输失调、基础防御增强和自发细胞死亡。LMPA 编码质子泵 ATP 酶蛋白，定位于质膜，其启动子 433 - bp 片段插入导致启动子活性降低，叶表面出现红褐色病斑，病斑表型对高温敏感，低温下无明显病斑。
GTPases 在囊泡运输中起分子开关作用，在非活性 GDP 结合状态和活性 GTP 结合状态间转换。OsDRP1E 是大型 GTPases，可通过自身相互作用形成高阶复合物，负调控细胞色素 c 释放和 PCD，功能丧失导致病斑和抗病性增强，E409V 替换降低其 GTP 酶活性，阻碍高阶复合物形成，影响线粒体形态，增加细胞质细胞色素 c 浓度。OsRac1 编码具有 GTP 结合和 GTP 酶活性的 GTPase，调节水稻 ROS 产生和细胞死亡，过表达组成型激活形式的 OsRac1 诱导 ROS 产生和叶组织坏死病斑，过表达显性负性形式则阻断 ROS 产生、细胞死亡和病斑形成，且 OsRac1 与广谱稻瘟病抗性基因 PigmR 相关，PigmR 激活 OsRac1 刺激 ROS 产生并触发免疫反应。
5. 参与代谢途径的 LMM 基因：酶是催化生命活动的蛋白质，植物生长和代谢由多种酶共同调节，酶功能紊乱会导致植物代谢失调。至少 19 种参与不同代谢途径的关键酶已被鉴定可调节水稻病斑发展，赋予自身免疫和细胞死亡特性。OsPPO1/LMM8 和 RLIN1/LLM1 分别编码原卟啉原 IX 氧化酶和粪卟啉原 III 氧化酶，参与四吡咯代谢，OsPPO1 突变导致叶片出现斑点和卷曲，过表达增强对除草剂的抗性，RLIN1 突变导致叶片出现病斑。
RBB1、Spl18、OsPSL 和 OsNSUN2 是转移酶。RBB1 编码葡糖胺 - 6 - 磷酸乙酰转移酶，rbb1 突变体酶活性和 UDP - GlcNAc 含量降低，广谱抗病性增强，蛋白质组分析显示其多个抗病相关蛋白 N - 糖基化改变，两个过氧化物酶 N - 糖基化修饰显著减少，敲除 Prx4 或 Prx13 增强免疫反应。Spl18 编码酰基转移酶，T - DNA 插入导致病斑表型。OsPSL 编码 β - 1,6 - N - 乙酰葡糖胺基转移酶，参与蛋白质糖基化修饰，psl 突变体中乙烯相关代谢酶增加，乙烯浓度升高，用乙烯生物合成抑制剂处理可部分挽救突变体表型。OsNSUN2 编码 RNA 5 - 甲基胞嘧啶（m5C）甲基转移酶，osnsun2 突变体中 m5C/C 相对密度降低，表现出叶绿体功能障碍、光合作用基因表达紊乱和严重
