小麥赤霉病是世界范圍內極具毀滅性且防治困難的真菌病害,一旦感染,不僅影響小麥產量和品質,更對食品安全和人類健康構成嚴重威脅。近些年,小麥赤霉病發生面積不斷擴大,成為農業領域里的世界性難題。
日前,《科學》雜志在線發表山東農業大學孔令讓教授團隊科研發現,他們從小麥近緣植物長穗偃麥草中克隆出抗赤霉病主效基因Fhb7,揭示了其抗病分子機制;攜帶該基因的種質材料被多家單位用于小麥育種,表現出穩定的赤霉病抗性。
攻克世界性小麥難題
“小麥赤霉病由鐮刀菌屬真菌侵染而導致,堪稱小麥‘癌癥’。感染赤霉病的小麥籽粒干癟,淀粉與蛋白質含量降低,出粉率低,濕面筋含量少,病麥率含量達到4%以上就失去了食用價值。麥田一旦被感染,通常減產10%~20%,嚴重時達80%~90%,重病麥田可致絕收。產量和品質下降的同時,以其為原料制作的食品和飼料更會嚴重威脅人畜健康。”團隊負責人、論文通訊作者、山東農業大學農學院院長孔令讓說。
培育與利用抗病品種是最經濟、有效并環保的選擇。早在半個多世紀之前,中國農業科學工作者就開始了小麥赤霉病的相關研究,但是小麥種質資源中可用的主效抗赤霉病基因非常稀少,因此抗赤霉病育種工作難以取得關鍵性突破。
孔令讓教授團隊長期從事小麥抗赤霉病遺傳及品種改良研究工作,經過20余年的不懈攻堅,終于找到了解決赤霉病世界性難題的“金鑰匙”。在研究成果中共有五個發現:克隆了Fhb7抗赤霉病基因;發現Fhb7基因編碼的酶對嘔吐毒素具有解毒功能;提供了真核生物間核基因組DNA水平轉移的功能性證據;組裝了長穗偃麥草基因組;發現Fhb7基因對整個鐮刀菌屬病原菌具有廣譜抗性。
北京大學現代農業研究院首席科學家鄧興旺高度評價這一成果,認為論文中五大研究內容組成了一個完整的科學故事,闡釋了極具戰略意義的抗赤霉病Fhb7基因從發現、組裝、克隆、解析到運用的前世今生,將引起那些致力于植物-病原體相互作用、谷物基因組學、植物基因組進化、植物遺傳修飾、植物育種(特別是抗病性)的研究人員,甚至世界各國決策者的廣泛關注。
十年磨劍的寶貴成果
從1985年開始,孔令讓就從事長穗偃麥草、八倍體小偃麥與小麥的遠緣雜交研究,2000年左右,他在長穗偃麥草中發現了抗赤霉病基因,并在2015年命名為Fhb7。接著,他帶領團隊經過初定位和精細定位,證明Fhb7單基因具有較高的赤霉病抗性,隨后,對復雜的長穗偃麥草基因組進行了高質量的組裝和注釋,完成了對該基因的精細定位。
團隊采用傳統圖位克隆技術,并結合細胞遺傳學、突變基因組學、病毒誘導的基因沉默和轉基因技術,對來自長穗偃麥草基因組的抗赤霉病基因Fhb7進行了充分的功能性驗證。
“通過系列分子實驗和高分辨質譜分析,發現Fhb7編碼的蛋白可以打開嘔吐毒素的環氧基團,并催化其形成谷胱甘肽加合物,從而產生解毒效應,明確并驗證了其在小麥抗病育種中的穩定抗性和應用價值。”孔令讓介紹,產生嘔吐毒素是小麥赤霉病危害嚴重的重要因素之一,嘔吐毒素嚴重污染食品和飼料,被世界衛生組織定為天然存在的極為危險的食品污染物,可引起人畜中毒。嘔吐毒素同時可在人和哺乳動物體內逐漸積累,誘發免疫功能下降等慢性毒副作用。
2015年,團隊利用遠緣雜交結合分子標記輔助選擇將攜帶Fhb7基因的染色體片段轉移至栽培小麥,獲得了抗赤霉病種質材料,并將材料分發到30多家單位用以小麥抗赤霉病的遺傳改良,在山東、河南、江蘇、安徽等地廣泛試驗。多年的試驗調查發現,在多種遺傳背景下,Fhb7基因均能顯著提高小麥的抗赤霉病特性,對產量沒有顯著負面影響。目前,攜帶Fhb7基因的多個小麥新品系已經進入國家、山東省預備試驗和區域試驗,并被納入中國小麥良種聯合攻關計劃,為從源頭上解決小麥赤霉病問題提供了解決方案。
科研團隊和衷共濟攻關
孔令讓的碩士研究生李學峰一直在做創建小麥-長穗偃麥草抗赤霉病短片段易位系的工作,這個工作的重點是打破Fhb7基因與黃色素基因Psy的緊密連鎖。他說,因為黃色素基因Psy的存在,面粉發黃,在育種中很難用,也影響市場前景。整個2018年,通過分子標記輔助選擇和抗赤霉病接種鑒定,自己完成了21000株Fhb7基因雜合體自交后代的選擇和鑒定工作,最后找到了2株打破了這兩個基因緊密連鎖的小麥植株,獲得了赤霉病抗性良好且面粉色澤亮白的小麥-長穗偃麥草短片段易位系。
“我們在田間選材料感覺就像是在淘寶,選到一份好材料還想看下一個,覺得后面還有更好的,總要選出最好的??蒲械倪^程是一種享受。”在孔令讓看來,搞育種工作既辛苦又充滿挑戰和樂趣。
論文共同通訊作者和第一作者王宏偉去年查出了腰椎間盤突出,但他沒有時間休養,一邊通過服藥、鍛煉緩解疼痛,一邊通過把電腦抬高站著辦公等方式繼續看材料寫文章。“他這個人從來就沒有休息的概念,有一段時間父母生病住院,他每天晚上到醫院陪床照顧他們,白天仍然堅持在實驗室。”王宏偉的愛人王斐說。
“團隊優秀科技工作者‘心有大我’的家國情懷、‘十年磨劍’的科研品質和‘集智攻關’的協同精神值得我們學習。”山東農業大學黨委書記徐劍波表示,下一步,要始終堅持與生產實踐緊密結合的戰略導向,聚焦農業生產中的關鍵共性問題、“卡脖子”問題開展科技攻關,力爭在土、肥、水、種等各個領域產出具有前瞻性、實用性的成果,突破一批制約現代高效農業產業發展的關鍵共性技術,主動融入山東省“八大發展戰略”,當好服務鄉村振興的排頭兵。
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