——記山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院孔令讓教授團(tuán)隊(duì)
2020-05-11 10:28:33
孔令讓（右二）和其團(tuán)隊(duì)成員在討論實(shí)驗(yàn)相關(guān)情況。 翟榮惠 攝
近日，國際頂尖學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》在線發(fā)表了孔令讓團(tuán)隊(duì)重要學(xué)術(shù)突破。他們?cè)谌蚴状螐男←溄壷参镩L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(jī)制。這是我國小麥研究領(lǐng)域首篇《科學(xué)》文章，也是我國小麥重要功能基因研究領(lǐng)域首篇CNS（《細(xì)胞》《自然》《科學(xué)》）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(yán)重污染食品和飼料，被世界衛(wèi)生組織定為三級(jí)致癌物，可引起人畜中毒。嘔吐毒素的逐漸積累，會(huì)破壞和影響人和動(dòng)物的免疫功能。
長期的生產(chǎn)實(shí)踐證明，小麥赤霉病基本不可治，預(yù)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(jì)、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(rèn)知和技術(shù)水平，半個(gè)多世紀(jì)以來，關(guān)于赤霉病的研究全球鮮有突破性進(jìn)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(yuǎn)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(tuán)隊(duì)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(yīng)用價(jià)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(jìn)行了廣泛試驗(yàn)。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(shí)，對(duì)小麥另一大病害莖基腐病也表現(xiàn)出了明顯抗性，同時(shí)對(duì)產(chǎn)量無負(fù)面影響。
目前，攜帶Fhb7基因的多個(gè)小麥新品系已經(jīng)進(jìn)入國家、安徽省、山東省預(yù)備試驗(yàn)和區(qū)域試驗(yàn)，并被納入我國小麥良種聯(lián)合攻關(guān)計(jì)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(yīng)，這一特性有望在糧食深加工和飼料工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，有效解決我國存儲(chǔ)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(dòng)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(gè)完整的科學(xué)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(yùn)用的前世今生。”美國國家科學(xué)院院士、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院首席科學(xué)家鄧興旺對(duì)該研究給予高度評(píng)價(jià)。
這一科學(xué)故事背后凝結(jié)的是孔令讓團(tuán)隊(duì)20年磨一劍的科研心血。近20年來，孔令讓及其研究團(tuán)隊(duì)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(yùn)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(gè)主效抗赤霉病基因，并命名為Fhb7。隨后，經(jīng)過對(duì)抗病基因初定位、精細(xì)定位、圖位克隆、抗病分子機(jī)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(xì)介紹了研究成果的五個(gè)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(duì)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€(gè)鐮刀菌屬病原菌具有廣譜抗性。團(tuán)隊(duì)采用傳統(tǒng)圖位克隆技術(shù)，使用細(xì)胞遺傳學(xué)、突變基因組學(xué)、病毒誘導(dǎo)的基因沉默和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，對(duì)來自長穗偃麥草基因組的抗赤霉病基因Fhb7進(jìn)行了充分的功能性驗(yàn)證。通過系列分子實(shí)驗(yàn)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(tuán)，并催化其形成谷胱甘肽加合物，從而產(chǎn)生解毒效應(yīng)。
在深入研究的過程中，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚奇的科學(xué)現(xiàn)象——整個(gè)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(jìn)了長穗偃麥草基因組，從而進(jìn)化出抗鐮刀菌屬病原菌侵染的功能。”鄧興旺認(rèn)為，這是一個(gè)極其少見的生物基因跨界轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，值得進(jìn)一步深入研究，以探討植物抗病基因和基因組進(jìn)化新機(jī)制。
和衷共濟(jì)勇闖科技難關(guān)
在接受記者采訪時(shí)，孔令讓談到團(tuán)隊(duì)成員的付出時(shí)，眼眶不禁濕潤了。他說，赤霉病的研究他做了20年，學(xué)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(gè)人從來就沒有休息的概念，晚上兩點(diǎn)前就沒有睡過覺。有一段時(shí)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(jiān)持在實(shí)驗(yàn)室。”王宏偉的愛人王斐說。
做小麥雜交，尤其是遠(yuǎn)緣雜交研究，非常細(xì)致繁重，因?yàn)榻Y(jié)種很難，小麥雜交授粉工作量很大，有時(shí)結(jié)了種之后還要進(jìn)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(gè)雜交穗子，一個(gè)穗子上36個(gè)小花，算下來就是十幾萬枚小花，這里面能得到一兩千個(gè)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(gè)，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(yùn)用抗赤霉病基因Fhb7的科研探索，得到國際同行科學(xué)家和頂尖學(xué)術(shù)雜志的認(rèn)可，得到多家小麥育種單位的青睞，對(duì)年輕的科研人員是很大的激勵(lì)。”孔令讓說。翟榮惠 本報(bào)記者 顏旭
返回頂部