多数已克隆的R基因具有较高序列一致性，蛋白产物往往具有相似的结构域，如C-端存在富亮氨酸重复序列（leucine-rich repeat，LRR），N-端存在核苷酸结合位点（nucleotide binding site，NBS），亮氨酸拉链（leucine zipper，LZ），跨膜结构域（transmembrane domain，TM），蛋白激酶（protein kinase，PK），以及果蝇Tool蛋白及哺乳动物白细胞介素-1受体(Toll and interleukin-1 receptor，TIR）等。根据已克隆的R基因所编码的蛋白质结构及其在细胞中的位置，可将R基因分为5类：
1、毒素还原酶类抗病基因：如第一个被克隆的玉米抗病基因Hm1，它负责对真菌Cochliobolus carbonum小种1的抗性。Hm1编码依赖于还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH，还原型辅酶Ⅱ)的HC-毒素还原酶(HCTR)，HCTR失活HC-毒素。而HC-毒素是真菌C.carbonum小种1产生的致病因子，它决定该病菌只能感染玉米的某些基因型[37]。
2、NBS-LRR类抗病基因：这类基因的共同特点是，在它们编码蛋白的近氮端存在着NBS，而在它们的近碳端则由LRR组成。这一类蛋白一般存在于细胞质中，NBS结构暗示着它们在发挥正常功能时有可能需要结合ATP或GTP。而LRR结构则表明它们可能作为受体，结合病原产生的某种诱导物，从而使起始细胞的信号传递过程产生抗病反应。该类R基因又可分成三个亚类，即LZ-NBS-LRR亚类，如RPS2、PRS5、RPP8、RPP13、RPM1、Rx2、Prf、Mi基因；TIR-NBS-LRR亚类，如RPS4、RPP5、N、L6、L11、M基因；NBS-LRR亚类，如I2、Xa1、Pib、Bs2、Cre3基因。
3、PK(蛋白激酶)类抗病基因：如番茄Pto、Fen、Lr10基因，其产物是一个位于细胞内的丝氨酸-苏氨酸激酶（Serine/Threonine-specific Protein Kinase）,它没有LRR结构域。
4、LRR-TM类抗病基因：番茄抗叶霉病不同生理小种的基因Cf-2、Cf-4、Cf-5、Cf-9和Hcr9-4E，以及甜菜抗包囊线虫的基因Hs1pro-1，其产物都是锚定于细胞膜上的糖蛋白受体，它们的N-端存在一个胞外LRR，而在C-端具有由疏水氨基酸组成的跨膜区。
5、LRR-TM-PK类抗病基因：水稻抗白叶枯病基因Xa21编码的蛋白是一个类受体蛋白激酶，它既含有与Cf-9蛋白相似的胞外LRR受体结构域，又含有与Pto蛋白相似的胞内PK结构域，在这两个区域之间存在一个跨膜区。
3 病原菌的无毒基因（avr）
许多经典的遗传学研究证明，无毒基因广泛存在于寄主植物的病原菌中，但对无毒基因的克隆和深入研究还是近10年的事。无毒基因编码的产物为激发子（elicitor），它与寄主抗病基因产物（受体）特异性结合，诱导寄主防卫反应的表达，从而导致非亲和性，产生抗病反应。无毒基因的克隆及其产物结构与功能的明确，对于研究病原菌与寄主的互作，防卫基因信号在细胞中的传导，以及病害发生和寄主的抗性反应机制具有重要的意义。
第一个被克隆的无毒基因来自丁香假单胞杆菌大豆致病型(Pseudomonas syringae pv. glycinea)小种6的avrA 基因[45]。目前，已有30多个无毒基因在多种植物病原菌，包括真菌、细菌、病毒和卵菌等中得到克隆。绝大多数已克隆的无毒基因之间，均无显著序列同源性。由序列一致性很高的抗病基因产物与没有明显序列同源性的无毒基因产物相互作用，介导产生的过敏性细胞坏死和抗病性，在产生速度、强度和组织特异性等方面均可能有显著差异。如Cf-9和Cf-4分别介导对含avr9和avr4叶霉菌的抗性，Cf-9和Cf-4氨基酸序列一致率高于90%，而avr9和avr4没有明显序列相似性[27]。研究发现，avr9/Cf-9和avr4/Cf-4介导番茄产生的过敏性坏死在产生速度、强度和组织特异性方面均有显著差异。无毒基因具有双重功能：在含互补抗病基因植物中表现无毒效应，而在不含互补抗病基因植物中显示小种、菌株、致病型或种特异性毒性效应[46]。
研究发现，克隆自某一病原菌的无毒基因可在其它病原菌中起作用，如将克隆自甘蓝黑腐病黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris)一个小种的无毒基因avrRxv转化到不含它的pv. glycinea、pv. phaseoli、pv. vigincola、pv. alfalfae、pv. holcicola和pv. malvacearum等致病变种中时，会分别在其对应的原来感病的寄主植物大豆、菜豆、豇豆、苜蓿、玉米和棉花上诱发过敏性反应[47]。
虽然已有许多无毒基因被克隆和测序，但对其确切产物和功能有比较详细了解的只有少数几个。其一是大豆丁香假单胞杆菌的无毒基因avrD，它编码的蛋白具有酶活性，负责丁香交酯（Syringolides）的合成，能使含抗病基因Rpg4的大豆产生过敏反应；其二是番茄叶霉菌无毒基因avr9和avr4，分别编码长约为28个和88个氨基酸残基的多肽，能使含抗病基因Cf-9和Cf-4的番茄形成过敏反应，自然缺失avr9菌株通过不形成AVR9激发子来避免被Cf-9识别，从而保持在Cf-9植株中的致病性，而自然缺失avr4菌株通过形成不稳定的产物或突变型AVR4来避免被Cf-4识别[27]；其三是烟草花叶病毒的外壳蛋白基因，它编码的外壳蛋白也能使含抗病基因N的烟草产生过敏反应；其四是Xanthomonas无毒基因avrBs3基因家族，该类无毒基因的许多成员C端存在LZ结构域，若干细胞核定位序列（Nuclear localization sequence），以及一个转录激活结构域（Transcriptional activation domain），这些结构域为激发寄主产生HR反应所必需[48]。
近年来，稻瘟病菌(Magnaporthe grisea)的无毒基因研究进展迅速，有利于人们了解水稻与M. grisea之间的相互关系，揭示寄主植物的抗病机理。Swetgard等(1995)根据定位法克隆了稻瘟病菌Guy11的致病特异性无毒基因PWL2，PWL2基因编码一个大小为16kd且富含甘氨酸的亲水蛋白，单个碱基的替换可使PWL2基因功能丧失；该基因定位在2c连锁群上，与两个粘性标记cos222和A12G1间的重组率为3%；在PWL2基因存在的情况下，稻瘟病菌不表现对弯叶画眉草(Eragrostis curvula)的致病性，但仍然能侵染水稻和大麦[49]。类似这种致病特异性的无毒基因PWL1、Avr2-YAMO也被克隆。PWL1基因在侵染龙爪栗(finger millet)的稻瘟病菌WGG-FA40中被发现和克隆，与PWL2 基因一样，PWL1不表现对弯叶画眉草的致病性[50]。采用染色体步移的方法克隆的稻瘟病菌无毒基因Avr2-YAMO，位于连锁群1/2C的近末端不到2kb的距离内，推测Avr2-YAMO基因编码一个含223个氨基酸的中性锌金属蛋白酶（neutral zinc metallpsprotease）；用该基因转化能侵染粳稻品种社糯（Yashiro-mochi）的稻瘟病菌，能使其丧失侵染社糯的能力；当Avr2-YAMO突变时，病菌由原来表现对社糯的非亲和反应转变为亲和反应；若把Avr2-YAMO基因导入原来对社糯致病的菌株，可以使其转化为对该品种不致病[51]。此外，用同样的方法克隆了另一个稻瘟病菌无毒基因Avr1-MARA的部分序列，该基因通过RFLP标记被定位于稻瘟病菌的2b连锁群，座落于标记A12B5与grh25之间，与grh25的重组值为1.5%[52]。
4 R基因抗病机制
从已克隆的R基因及其所揭示的产物结构和功能看，其抗病机制有的并不符合Flor提出的“基因对基因”模式，代表基因有Hm1基因、mlo基因，它们不需要病原菌无毒基因的激活，便赋以植物的抗病性，因而不能诱导植物细胞的过敏性死亡；而大部分R基因则属于依赖于avr基因的R基因，具有“基因对基因”模式的一些显著标志，如通过过敏性反应的诱导等。当携无毒基因的病原菌与携抗病基因的寄主互作时，二者表现不亲和，寄主表现多种防卫反应，先是释放活性氧，相继激活防卫基因表达，最后发生过敏反应和系统获得抗性。此类基因如水稻抗白叶枯病基因Xa21等。
4.1 与病原菌非亲和因子有关的抗病机制（avr/R模式）
大多数抗病基因如Pto、N、L6、RPS2、Cf-9、Xa21等，虽然各具特点，但作用机制却非常相似，在抗病反应中都起着信号识别和传导作用。它们大多编码含LRR的蛋白质，在无毒基因的产物即信号因子激发子的作用下，发生由LRR介导的相互间的以及其它含LRR蛋白间的互作，产生二聚体或部分二聚体。由此产生的信号通过蛋白激酶而继发传导，最终激活抗病防卫反应。
水稻抗白叶枯病基因Xa21编码以丝氨酸—苏氨酸蛋白激酶为特征的3个结构域，其中LRR为胞外受体蛋白，TM为胞内受体蛋白，它们与来自病原菌无毒基因直接或间接编码产物进行专化性识别与结合，启动PK介导的信号传导，并参与蛋白质的磷酸化作用，调节植物基因防卫反应基因的表达，产生抗病反应[33]。
番茄Pto基因的编码蛋白是位于胞内的丝/苏氨酸蛋白激酶，其潜存的十四酰化位点使它连在细胞膜的内侧，因而可与跨膜或锚定在膜上并且被病原激发子活化的类似受体蛋白互作，激活最终产生抗性反应的磷酸化级传导网络[30]。
番茄Cf-9基因的编码蛋白是一种胞外糖蛋白，它的作用机制可能是其LRR域直接与无毒基因avr9的产物结合，然后其胞质域激活某种类似于Pto蛋白的蛋白激酶或其它含LRR的膜结合蛋白互作，最后激活抗病反应的信号传导网络[27]。
烟草的N基因编码的蛋白也是一个胞质内定位的蛋白，其氨基端与哺乳动物IL-1R和果蝇Toll蛋白的胞质域具有同源性。在哺乳动物的免疫系统中，对病原物信号的识别是在胞外进行的。IL-1R的胞质域在病原物信号的作用下，可引起转录因子NF-kB的激活及从胞质到胞核的移位，进而激活防卫基因的转录和表达。烟草的N蛋白有可能也采用了类似的机制[14]。
4.2 与病原菌亲和因子有关的抗病机制（VIR/R模式）
有二个植物R基因即Hm1和mlo的抗性机制与病原菌的亲和因子有关，抗病基因产物能使亲和性因子失活而不起病害诱发作用。
Hm1基因作用机制：该基因定位于玉米第一染色体的长臂，它通过编码一个依赖于NADPH的HC-毒素还原酶（HCTR），使病原菌产生的致病因子HC毒素分子毒性位点的羰基失活，从而使其对玉米抗圆斑病具有抗性。但HC-毒素缺陷菌株对不含Hm1的寄主也没有致病性，说明Hml与HC-毒素基因的作用机理与经典的基因对基因关系有所区别。Hm1基因的毒素降解方式并不涉及avr基因，因而不能诱导过敏性植物细胞死亡[37]。
mlo基因作用机制：大麦受白粉病菌侵染时，mlo基因组成型表达可使大麦细胞壁迅速进行附着生长，产生乳突状突起，不仅使细胞壁强度加大，而且在乳突状突起中积累抗真菌化合物p-coumaroyl-hydroxyagmatine，进而抑制病原真菌的入侵[41]。
此外，通过修饰甚至缺失亲和性因子的作用受体，使得植物对亲和因子失去敏感性而表现抗病，目前对该机制的了解还不多。
5 R基因的克隆策略及其应用前景
目前，R基因的克隆主要通过遗传表型分析如转座子标签技术和以遗传图谱为基础的图位克隆技术获得的，其中以图位克隆技术克隆的基因占大多数。除此之外，R基因克隆技术又有了创新，其中包括：通过研究缺失突变体的表型分离基因，如核DNA消减法；从大的基因组区域直接分离编码序列，如cDNA文库差示筛选法和cDNA捕捉法；以mRNA为起始材料的表型克隆法，如通过研究mRNA差异表达筛选克隆基因；应用DNA芯片（DNA chip）技术筛选新的基因、分析各个基因在不同时空的表达方面也显示出巨大的应用潜能[53]。
对植物抗病相关基因及其作用机制的深入了解，将有助于促进植物抗病分子育种的发展，从而最终达到控制病害发生、保障农业安全生产的目的。利用已克隆的植物抗病基因及病原菌的无毒基因进行遗传转化，是提高植物对病原菌抗性的一条有效途径。通过基因枪法或农杆菌介导法进行遗传操作，已获得了一批抗病转基因植株，有的还通过了安全性试验，开始了商品化生产，展现出美好的前景[54]。
多数R基因的抗性是十分专化的，不仅抗病谱窄，而且随着病菌群体的变化，抗性会很快丧失，因此发现和克隆新的具有广谱抗性和持久抗性的R基因，对提高转基因改良植物抗性的成效极为重要。基因组学、功能基因组学、生物信息学及分子生物技术的不断创新和发展，为解决这一问题奠定了基础[55]。研究发现，某些R基因赋予寄主植物抗病持久性，如甜菜抗孢囊线虫的Hs1Pro-1基因、水稻抗白叶枯病的Xa21基因、辣椒抗细菌性斑点病的Bs2基因，对这些基因进行遗传转化，可望提高转基因植物的有效性和持久性[56]。
除已克隆的植物抗病基因外，其它与抗病相关的抗菌蛋白或多肽基因，如病程相关蛋白中的几丁质酶（chitinase）基因、β－1，3葡聚糖酶(β-1,3-Glycanase)基因，水萝卜、苜蓿中的抗真菌多肽基因，以及植物凝集素（lectin）蛋白基因和脂类转移蛋白（lipid transfer proteins）、核糖体灭活蛋白（RIPs）等基因，也将在抗病转基因实践中发挥作用[56]。
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