2020-05-08 14:55:42
孔令讓（右二）和其團隊成員在討論實驗相關(guān)情況?！〉詷s惠 攝
近日，國際頂尖學術(shù)雜志《科學》在線發(fā)表了孔令讓團隊重要學術(shù)突破。他們在全球首次從小麥近緣植物長穗偃麥草中克隆出抗赤霉病關(guān)鍵基因Fhb7，成功將其轉(zhuǎn)移至小麥品種中，并揭示了其抗病分子機制。這是我國小麥研究領域首篇《科學》文章，也是我國小麥重要功能基因研究領域首篇CNS（《細胞》《自然》《科學》）三大主刊文章。
“金鑰匙”解決世界難題
小麥赤霉病是威脅世界糧食生產(chǎn)和食品安全的重大難題，不但減產(chǎn)毀質(zhì)，其產(chǎn)生的嘔吐毒素嚴重污染食品和飼料，被世界衛(wèi)生組織定為三級致癌物，可引起人畜中毒。嘔吐毒素的逐漸積累，會破壞和影響人和動物的免疫功能。
長期的生產(chǎn)實踐證明，小麥赤霉病基本不可治，預防難度也非常大，因此被稱為小麥“癌癥”。根除小麥赤霉病，培育與利用抗病品種是最經(jīng)濟、有效并環(huán)保的選擇。但人們至今未發(fā)現(xiàn)赤霉病免疫的小麥種質(zhì)資源。“受制于理論認知和技術(shù)水平，半個多世紀以來，關(guān)于赤霉病的研究全球鮮有突破性進展，特別是小麥種質(zhì)資源中可用的主效抗赤霉病基因非常稀少。”長期從事小麥抗赤霉病育種的中國工程院院士程順和指出。小麥近緣植物長穗偃麥草攜帶抗病、抗逆等許多優(yōu)異基因，利用遠緣雜交技術(shù)，可以將這些優(yōu)良的外源基因轉(zhuǎn)移到小麥上。
孔令讓團隊獲得的抗赤霉病基因Fhb7就來源于長穗偃麥草，隨后他們通過群體遺傳分析表明，該基因使得赤霉病病情指數(shù)降低超過30％，是高效抗性基因，明確了其在小麥抗病育種中的穩(wěn)定抗性和應用價值。
他們將攜帶該基因的小麥種質(zhì)材料分發(fā)到30多家育種單位，用于小麥赤霉病抗性的遺傳改良，并在山東、河南、江蘇、安徽等小麥主產(chǎn)區(qū)進行了廣泛試驗。數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)hb7基因具有廣譜抗性，攜帶該基因的植株在抗小麥赤霉病的同時，對小麥另一大病害莖基腐病也表現(xiàn)出了明顯抗性，同時對產(chǎn)量無負面影響。
目前，攜帶Fhb7基因的多個小麥新品系已經(jīng)進入國家、安徽省、山東省預備試驗和區(qū)域試驗，并被納入我國小麥良種聯(lián)合攻關(guān)計劃，為從源頭上解決小麥赤霉病問題提供了解決方案。更加可喜的是，他們發(fā)現(xiàn)Fhb7基因可以有效分解嘔吐毒素，產(chǎn)生解毒效應，這一特性有望在糧食深加工和飼料工業(yè)中得到廣泛應用，有效解決我國存儲糧積累造成的嘔吐毒素污染問題。
這一發(fā)現(xiàn)為解決小麥赤霉病這一世界性難題找到了“金鑰匙”，“更讓我們把小麥抗赤霉病種質(zhì)資源牢牢掌握在了自己手里！”孔令讓難掩激動之情。
二十年磨一劍找到關(guān)鍵基因
“抗赤霉病基因Fhb7克隆及育種利用是極具戰(zhàn)略意義的，其研究內(nèi)容承前啟后，無縫交織成了一個完整的科學故事，闡釋了極具戰(zhàn)略意義的抗赤霉病Fhb7基因從發(fā)現(xiàn)、組裝、克隆、解析到運用的前世今生。”美國國家科學院院士、北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院首席科學家鄧興旺對該研究給予高度評價。
這一科學故事背后凝結(jié)的是孔令讓團隊20年磨一劍的科研心血。近20年來，孔令讓及其研究團隊一直致力于從小麥及其近緣種（如二倍體長穗偃麥草、十倍體長穗偃麥草等）中挖掘抗赤霉病基因的研究。幸運的是，他們從長穗偃麥草7E染色體長臂末端發(fā)現(xiàn)了一個主效抗赤霉病基因，并命名為Fhb7。隨后，經(jīng)過對抗病基因初定位、精細定位、圖位克隆、抗病分子機制解析等長期探索，成功將該抗病基因轉(zhuǎn)移至小麥品種中。
論文第一作者和共同通訊作者王宏偉向記者詳細介紹了研究成果的五個發(fā)現(xiàn)：克隆了Fhb7抗赤霉病基因；發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)移的功能性證據(jù)；組裝了長穗偃麥草基因組；發(fā)現(xiàn)Fhb7基因?qū)φ麄€鐮刀菌屬病原菌具有廣譜抗性。團隊采用傳統(tǒng)圖位克隆技術(shù)，使用細胞遺傳學、突變基因組學、病毒誘導的基因沉默和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，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(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)Fhb7編碼的蛋白可以打開嘔吐毒素的環(huán)氧基團，并催化其形成谷胱甘肽加合物，從而產(chǎn)生解毒效應。
在深入研究的過程中，團隊還發(fā)現(xiàn)了一個令人驚奇的科學現(xiàn)象——整個植物界沒有發(fā)現(xiàn)Fhb7的同源基因，而在香柱內(nèi)生真菌中發(fā)現(xiàn)了高度同源基因。論文第一作者孫思龍副教授分析，“該基因很可能是通過基因水平轉(zhuǎn)移，從香柱內(nèi)生真菌整合進了長穗偃麥草基因組，從而進化出抗鐮刀菌屬病原菌侵染的功能。”鄧興旺認為，這是一個極其少見的生物基因跨界轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，值得進一步深入研究，以探討植物抗病基因和基因組進化新機制。
和衷共濟勇闖科技難關(guān)
在接受記者采訪時，孔令讓談到團隊成員的付出時，眼眶不禁濕潤了。他說，赤霉病的研究他做了20年，學生換了一茬又一茬，幾位年輕的同事更是克服多種困難，不敢一刻停歇，就是想快速取得關(guān)鍵性突破。
王宏偉老師去年查出了腰椎間盤突出，通過把電腦抬高站著工作等方式繼續(xù)看材料寫文章，回到家則趴在地墊上工作。“他這個人從來就沒有休息的概念，晚上兩點前就沒有睡過覺。有一段時間我公公婆婆生病住院，他每天晚上到醫(yī)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。
做小麥雜交，尤其是遠緣雜交研究，非常細致繁重，因為結(jié)種很難，小麥雜交授粉工作量很大，有時結(jié)了種之后還要進行幼胚培養(yǎng)才能成苗。每年春季在大田，研究生都要做幾千個雜交穗子，一個穗子上36個小花，算下來就是十幾萬枚小花，這里面能得到一兩千個幼胚，然后再培養(yǎng)成苗。
“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。這份工作雖然辛苦，但充滿了挑戰(zhàn)和樂趣。我們克隆并運用抗赤霉病基因Fhb7的科研探索，得到國際同行科學家和頂尖學術(shù)雜志的認可，得到多家小麥育種單位的青睞，對年輕的科研人員是很大的激勵。”孔令讓說。翟榮惠 本報記者 顏旭
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