2022-08-16 16:35:59
諾貝爾獎(jiǎng)得主、植物病理學(xué)專家諾曼·布勞格有一句經(jīng)典名言——“銹菌永不眠”。意思是說小麥條銹病就是小麥的“癌癥”，難以攻克，難以消除?？上驳氖牵鞅鞭r(nóng)林科技大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)十余年的研究，發(fā)現(xiàn)了小麥中協(xié)助條銹菌感染的“真兇”——感病基因，并通過“敲除”感病基因使得小麥不易遭受條銹菌的侵染，由此開辟出抗病小麥育種的新思路和新途徑
為小麥治“癌”
植物免疫團(tuán)隊(duì)合影。
西北農(nóng)林科技大學(xué)科研專家收獲小麥育種材料。
記者 仵永杰文/圖
銹菌基因和植物抗病基因是同步進(jìn)化的。因此，“消滅”銹菌是一件艱巨的任務(wù)。
作為小麥條銹病病原的條銹菌，通過高空氣流遠(yuǎn)距離傳播，隨降雨或結(jié)露通過氣孔入侵小麥表皮而使其感病。同時(shí)，條銹菌頻繁變異，新的條銹菌致病小種不斷出現(xiàn)，常常導(dǎo)致小麥“喪失”抗條銹特性。
我國(guó)是小麥條銹病發(fā)病最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，經(jīng)防治后小麥仍累計(jì)減產(chǎn)達(dá)138億公斤。多年來，條銹菌與植物的“戰(zhàn)爭(zhēng)”始終進(jìn)行著，而西北農(nóng)林科技大學(xué)在攻克小麥條銹病的道路上也在不斷前進(jìn)。7月14日，國(guó)際頂級(jí)期刊《細(xì)胞》在線刊發(fā)西北農(nóng)林科技大學(xué)植物免疫團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)十余年的研究成果：發(fā)現(xiàn)小麥中協(xié)助條銹菌感染的“真兇”——感病基因。
發(fā)現(xiàn)“叛徒”
小麥?zhǔn)鞘澜缟戏N植最為廣泛的禾谷類作物之一，為全球超過25億人提供主食。中國(guó)是世界上最大的小麥生產(chǎn)國(guó)與消費(fèi)國(guó)之一，年種植小麥面積2400萬公頃左右、產(chǎn)量近1.3億噸。然而，氣傳性真菌病害條銹病猶如“懸頂之劍”威脅著小麥生產(chǎn)。當(dāng)我們?cè)谙碛妹姘z頭、啤酒等食物時(shí)，可能還不知道，在變成食物之前，作為原料的小麥植株已與條銹菌“短兵相接”多次。
研究與生產(chǎn)實(shí)踐表明，培育、推廣抗病小麥品種一直是最為經(jīng)濟(jì)有效且綠色環(huán)保的條銹病防治措施。然而，由于條銹菌毒性變異而不斷出現(xiàn)新致病類型和優(yōu)勢(shì)生理小種，導(dǎo)致小麥抗病主栽品種在使用3至5年后“喪失”抗病性，由此造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失并引發(fā)新一輪品種更替。簡(jiǎn)而言之，面對(duì)小麥抗病基因，條銹菌并非“束手就擒”，而是“奮起操戈”。
解決問題的關(guān)鍵在于思路方法，從不同角度分析問題往往會(huì)有意想不到的收獲。在經(jīng)典遺傳育種中，育種專家觀察小麥植株的各種農(nóng)藝性狀，通過雜交篩選符合預(yù)期性狀的基因。雜交篩選的基因多為正調(diào)控的，但還有許多負(fù)調(diào)控基因（如感病基因）是被育種專家所忽視的，因?yàn)樨?fù)調(diào)控基因?qū)τ谛←湹目剐允遣焕摹?/p>
反向思維在此項(xiàng)研究中得到運(yùn)用，從負(fù)調(diào)控基因感病基因著手也能發(fā)現(xiàn)打敗條銹病的方法。西北農(nóng)林科技大學(xué)植物免疫團(tuán)隊(duì)王曉杰教授稱，感病基因是病原菌成功侵染和繁殖所必需的，由感病基因突變所介導(dǎo)的抗性常具持久與廣譜特性，因此修飾編輯感病基因是作物抗性改良的重要新途徑，團(tuán)隊(duì)的研究目標(biāo)就是找到小麥中的感病基因并揭示其被條銹菌操縱利用的過程。
早在2004年，王曉杰就跟隨植物病理學(xué)專家、西北農(nóng)林科技大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院康振生教授讀博士。在做條銹菌相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，他在小麥材料中發(fā)現(xiàn)一個(gè)從未見過的基因片段。“條銹菌在侵染小麥時(shí)，這個(gè)基因的‘表達(dá)’比較高。由此可見，條銹菌在發(fā)揮作用時(shí)非常需要這個(gè)基因。同時(shí)，我們利用技術(shù)讓這個(gè)基因失去作用，小麥材料表現(xiàn)出極其明顯的抗銹特征。”王曉杰回憶。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)和人力所限，加之小麥全基因組測(cè)序在當(dāng)時(shí)還未實(shí)現(xiàn)，因此關(guān)于這個(gè)基因的研究并沒有推進(jìn)。
2015年，王曉杰作為博士生導(dǎo)師將這個(gè)基因鄭重地交給自己第一位博士生王寧，并對(duì)她講述這個(gè)基因的功能及發(fā)現(xiàn)過程，期待她揭開基因與小麥條銹病之間撲朔迷離的關(guān)系——小麥自身為什么會(huì)產(chǎn)生這個(gè)負(fù)調(diào)控的感病基因？感病基因與條銹菌互作背后的原因和機(jī)理是怎樣的？感病基因是如何被條銹菌“劫持”并操縱成為“叛徒”的？一系列問題等著植物免疫團(tuán)隊(duì)去解答。
讓基因“改邪歸正”
2015年9月，在王曉杰教授的指導(dǎo)下，王寧和團(tuán)隊(duì)成員創(chuàng)制了穩(wěn)定沉默的小麥植株材料。然后，團(tuán)隊(duì)開始對(duì)小麥植株進(jìn)行抗性鑒定，觀察小麥植株對(duì)條銹菌的反應(yīng)狀態(tài)及程度。團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)，在感病基因沉默的小麥植株中，條銹菌因缺失感病基因?qū)е掳l(fā)育畸形，部分條銹菌不能突破小麥表皮而使其感病。
通過實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)成員斷定條銹菌確實(shí)能夠操控感病基因而使小麥致病，但明確這個(gè)過程具體的發(fā)生機(jī)理是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。王寧說：“2016年，團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)剛剛起步，成員對(duì)實(shí)驗(yàn)操作并不是非常熟悉，團(tuán)隊(duì)要用多種方法驗(yàn)證每一個(gè)猜想，因此工作效率比較低而且花費(fèi)時(shí)間比較長(zhǎng)。”不過，王寧非常喜歡做實(shí)驗(yàn)，幾乎每天要去實(shí)驗(yàn)室，她說：“待在實(shí)驗(yàn)室對(duì)我來說是一件很開心的事，做自己喜歡的事情是不會(huì)累的?！?/p>
2020年，團(tuán)隊(duì)明確這個(gè)特別的基因?yàn)樾←溨斜徊≡?yīng)子“劫持”的感病基因，闡明感病基因作為小麥基礎(chǔ)免疫負(fù)調(diào)控因子，被條銹菌效應(yīng)子利用并放大負(fù)調(diào)控作用，打破小麥的抗病反應(yīng)從而導(dǎo)致感病的分子機(jī)理?！跋喈?dāng)于條銹菌將感病基因‘策反’并‘收買’，然后進(jìn)到細(xì)胞核中去感病。我們的最終目標(biāo)是通過基因編輯將感病基因‘敲除’，使感病基因‘改邪歸正’。”王曉杰解釋。
2020年7月，團(tuán)隊(duì)將研究成果論文投給《細(xì)胞》期刊后，編輯提出修改意見并要求補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，審稿意見至少有23頁。在補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)階段，西北農(nóng)林科技大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院博士生樊昕和團(tuán)隊(duì)成員承擔(dān)了大量的工作。“《細(xì)胞》期刊編輯對(duì)研究提出許多意見，老師對(duì)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)程度和圖片質(zhì)量要求很高。我們必須抓緊時(shí)間補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，任務(wù)重、壓力大。”樊昕說。今年2月，樊昕為了在實(shí)驗(yàn)中得到一張比較完美的資料圖片，有一周時(shí)間是睡在實(shí)驗(yàn)室的。
在論文修改階段，西北農(nóng)林科技大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院副研究員湯春蕾主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)把關(guān)等任務(wù)。她說：“經(jīng)過近兩年時(shí)間的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，我們對(duì)論文進(jìn)行大幅修改——補(bǔ)充數(shù)據(jù)、調(diào)整邏輯。同時(shí)，我們引用同行業(yè)最新的研究成果，切中研究成果對(duì)科研及生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。”湯春蕾的壓力一直很大，加班到凌晨?jī)扇c(diǎn)是經(jīng)常的事兒。編輯提出的意見確實(shí)非常有挑戰(zhàn)性，她有時(shí)甚至?xí)搿皩?duì)方是不是在故意刁難”。
為種業(yè)自主創(chuàng)新貢獻(xiàn)力量
今年5月，論文在修改后又一次投遞給《細(xì)胞》期刊。經(jīng)過一段時(shí)間的檢查和校對(duì)后，《細(xì)胞》期刊正式接收論文并回復(fù)：“令人難以置信的研究，你們的毅力與恒心值得贊揚(yáng)?！?/p>
“小麥基因組體量龐大、生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，因此針對(duì)小麥的感病基因研究任務(wù)比較艱巨。我們將發(fā)現(xiàn)的感病基因‘敲除’后，小麥材料體現(xiàn)出一定的抗銹性，而且它的產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀沒有受影響，這對(duì)小麥育種具有非常良好的應(yīng)用價(jià)值。”王曉杰說。
“小麥感病基因的發(fā)現(xiàn)及機(jī)理研究兼具理論性突破和生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值，此項(xiàng)工作不僅是國(guó)際上病菌與植物互作研究領(lǐng)域的重大突破，也是基于理論發(fā)現(xiàn)服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要?jiǎng)?chuàng)新，是服務(wù)國(guó)家重大需求的重要體現(xiàn)，為我國(guó)現(xiàn)代生物育種開辟新思路和新途徑?！笨嫡裆菏空f。
中國(guó)工程院院士、植物病理學(xué)專家陳劍平稱，西北農(nóng)林科技大學(xué)植物免疫團(tuán)隊(duì)的此項(xiàng)研究堪稱植物與病原菌互作研究領(lǐng)域的標(biāo)志性成果，是植物病理學(xué)與作物抗病育種行業(yè)的重大成果。團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事小麥條銹病可持續(xù)控制應(yīng)用與基礎(chǔ)研究，從小麥與條銹菌互作入手鑒定到小麥感病基因，并通過破壞病菌效應(yīng)子與小麥感病基因的互作，創(chuàng)制具有廣譜持久抗性的小麥材料，展示出巨大的應(yīng)用前景。
中國(guó)工程院院士、小麥育種專家許為鋼稱，西北農(nóng)林科技大學(xué)植物免疫團(tuán)隊(duì)對(duì)于小麥感病基因的鑒定與利用開啟了我國(guó)種業(yè)自主創(chuàng)新的新篇章，為作物抗病育種開辟新路徑、創(chuàng)新新技術(shù)、提供新材料。種業(yè)科技創(chuàng)新處于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的源頭，正邁入生物技術(shù)、信息技術(shù)、工程技術(shù)等多學(xué)科高度交叉、高度融合的新階段。優(yōu)異種質(zhì)與基因資源是種業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵，團(tuán)隊(duì)在小麥感病基因鑒定與利用方面的原創(chuàng)性重大成果是實(shí)現(xiàn)種源自主可控，提升種業(yè)原始自主創(chuàng)新能力的跨越性突破。
在談到研究成果時(shí)，王曉杰教授坦言：“團(tuán)隊(duì)的成績(jī)是在李振岐院士與康振生院士?jī)纱茖W(xué)家奮斗的基礎(chǔ)上取得的。康老師時(shí)常對(duì)團(tuán)隊(duì)成員講，各項(xiàng)研究要圍繞生產(chǎn)需求，科研成果要服務(wù)于國(guó)家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。下一步，團(tuán)隊(duì)將不忘科研初心，繼續(xù)學(xué)習(xí)老一輩農(nóng)業(yè)科學(xué)家無私奉獻(xiàn)、專注科研的精神，做實(shí)做好基礎(chǔ)研究，為我國(guó)小麥育種事業(yè)貢獻(xiàn)力量?！?/p>
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