小麥赤霉病，是世界范圍內(nèi)極具毀滅性且防治困難的真菌病害，有小麥“癌癥”之稱。令人振奮的是，我國(guó)科學(xué)家在攻克小麥赤霉病上已邁出了關(guān)鍵一步。
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院教授、山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系小麥創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席專家孔令讓及其團(tuán)隊(duì)從小麥近緣植物長(zhǎng)穗偃麥草中首次克隆出抗赤霉病主效基因Fhb7，且成功將其轉(zhuǎn)移至小麥品種中，首次明確并驗(yàn)證了其在小麥抗病育種中不僅具有穩(wěn)定的赤霉病抗性，而且具有廣譜的解毒功能。相關(guān)研究成果4月10日在線發(fā)表于《科學(xué)》。
從“近親”物種中尋得關(guān)鍵基因
根除小麥赤霉病，培育與利用抗病品種是首要選擇，過去科學(xué)家們已在全球范圍內(nèi)對(duì)數(shù)以萬計(jì)的小麥品種進(jìn)行了篩選。
“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(zhǎng)期從事小麥抗赤霉病育種的中國(guó)工程院院士程順和指出。
事實(shí)上，人們至今未發(fā)現(xiàn)赤霉病免疫的小麥種質(zhì)資源。目前國(guó)際上鑒定并命名的7個(gè)抗赤霉病主效基因并非全部有著高效的抗病性，有些盡管有抗病性，卻以犧牲產(chǎn)量為代價(jià)。
此外，中國(guó)工程院院士、西北農(nóng)林科技大學(xué)教授康振生還指出，由于小麥有著龐大的基因組及小麥—真菌互作的復(fù)雜性，科研工作者對(duì)小麥抗赤霉病機(jī)制的了解十分有限。
對(duì)農(nóng)民來說，該病防不勝防，麥田一旦被感染，通常減產(chǎn)10%~20%，嚴(yán)重時(shí)達(dá)80%~90%，重病麥田可致絕收。
論文通訊作者孔令讓告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，感染赤霉病的小麥籽粒干癟，淀粉與蛋白質(zhì)含量降低，出粉率低，濕面筋含量少，當(dāng)病麥率達(dá)到4%以上，就失去了食用價(jià)值。產(chǎn)量和品質(zhì)下降的同時(shí)，以其為原料制作的食品和飼料更嚴(yán)重威脅人畜健康。
小麥近緣植物長(zhǎng)穗偃麥草攜帶抗病、抗逆、優(yōu)質(zhì)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?？琢钭寛F(tuán)隊(duì)獲得的抗赤霉病基因Fhb7就來源于長(zhǎng)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。該成果為解鎖赤霉病這一世界性難題找到了“金鑰匙”。
解密Fhb7的抗病機(jī)理
“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?jī)?nèi)容承前啟后，無縫交織成了一個(gè)完整的科學(xué)故事。”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)。
鄧興旺提到的科學(xué)故事，指的是20年來孔令讓團(tuán)隊(duì)從組裝長(zhǎng)穗偃麥草基因組到發(fā)現(xiàn)、克隆、解析主效基因Fhb7抗病機(jī)理，將其運(yùn)用至小麥育種上，完整闡釋Fhb7基因抗病過程的“來龍去脈”。
1985年，孔令讓從碩士研究生開始從事長(zhǎng)穗偃麥草、八倍體小偃麥與小麥的遠(yuǎn)緣雜交研究，首次在長(zhǎng)穗偃麥草7E染色體長(zhǎng)臂末端發(fā)現(xiàn)小麥抗赤霉病主效基因Fhb7。10余年來，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過初定位證明Fhb7單基因可控制較高的抗性效應(yīng)，隨后，對(duì)復(fù)雜的長(zhǎng)穗偃麥草基因組進(jìn)行了高質(zhì)量的組裝和注釋，完成了對(duì)該基因的精細(xì)定位。
那么，F(xiàn)hb7基因究竟是如何“抗擊”小麥赤霉病的呢？研究團(tuán)隊(duì)采用傳統(tǒng)圖位克隆、細(xì)胞遺傳學(xué)、突變體篩選和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行了充分的功能性驗(yàn)證。系列分子實(shí)驗(yàn)和高分辨質(zhì)譜分析表明，F(xiàn)hb7基因編碼一種谷胱甘肽S—轉(zhuǎn)移酶，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)。
產(chǎn)生嘔吐毒素是小麥赤霉病危害嚴(yán)重的重要因素之一。“引起小麥赤霉病的病原菌分泌的單端孢霉烯族毒素中，嘔吐毒素最為普遍，在谷物中含量最高，被世界衛(wèi)生組織定為天然存在的最危險(xiǎn)的食品污染物，也是制約我國(guó)及世界糧食和食品安全的重要因素。”鄧興旺說。
Fhb7基因如此關(guān)鍵，它究竟從何而來？在追溯其進(jìn)化歷史時(shí)，研究人員一度迷惑。因?yàn)樗麄兺ㄟ^基因組序列比較分析，在整個(gè)植物界都沒有發(fā)現(xiàn)Fhb7的同源基因。
“但我們?cè)诨蛭锢韴D譜中發(fā)現(xiàn)了Fhb7的基因序列，這說明該基因的確真實(shí)存在，并非是實(shí)驗(yàn)操作時(shí)被‘污染’而產(chǎn)生的。”論文并列第一作者、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院副教授孫思龍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。隨后，他們終于在偃麥草的共生菌——香柱內(nèi)生真菌中發(fā)現(xiàn)了同源基因，同源性高達(dá)97%。
孫思龍分析，“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(zhǎng)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。”
這是科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)真核生物間核基因組DNA水平轉(zhuǎn)移的功能性證據(jù)。“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。”鄧興旺說。
值得一提的是，在7個(gè)抗赤霉病主效基因中，F(xiàn)hb1和Fhb7被公認(rèn)為是抗赤霉病的高效基因，它們具有相當(dāng)?shù)目剐?。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家小麥工程中心副研究員牛吉山等人在研究綜述中提到，遺傳背景對(duì)Fhb1的赤霉病抗性有一定影響。
孔令讓團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步比較了在多個(gè)小麥背景中Fhb7對(duì)其他農(nóng)藝性狀的影響，結(jié)果表明，在對(duì)赤霉病表現(xiàn)出良好抗性的同時(shí)，其對(duì)包括千粒重、旗葉長(zhǎng)度等性狀沒有顯著負(fù)面影響。這意味著，在未來育種中，F(xiàn)hb7的選擇性可能多于Fhb1。
廣譜抗病前景廣闊
在孔令讓看來，研究成果不僅要對(duì)推動(dòng)科學(xué)發(fā)展有意義，還要真正“用得上”“用得好”，受農(nóng)民和市場(chǎng)歡迎。
利用遠(yuǎn)緣雜交結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇將攜帶Fhb7基因的長(zhǎng)穗偃麥草染色體片段轉(zhuǎn)移至栽培小麥，孔令讓團(tuán)隊(duì)最終獲得了抗赤霉病的種質(zhì)材料。目前，已有30多家單位利用這些材料進(jìn)行小麥抗赤霉病遺傳改良，并在山東、河南、江蘇、安徽等地進(jìn)行廣泛試驗(yàn)，結(jié)果表現(xiàn)良好。
“Fhb7基因真的是一個(gè)‘神奇基因’。”論文第一作者和共同通訊作者、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院副教授王宏偉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，近幾年的大量田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，攜帶Fhb7基因的植株在抗小麥赤霉病的同時(shí)，對(duì)廣泛侵染多種農(nóng)作物的莖基腐病也表現(xiàn)出了明顯抗性。
這意味著，研究中所揭示的Fhb7基因編碼一種谷胱甘肽S—轉(zhuǎn)移酶技術(shù)或許可應(yīng)用于包括小麥、玉米、水稻等糧食的深加工和飼料工業(yè)，去除食品中的相關(guān)毒素，且有望產(chǎn)業(yè)化。
“更大的意義在于為人類生命健康謀福祉，同時(shí)也是未來較長(zhǎng)一段時(shí)間我們努力的方向。”孔令讓說。
中國(guó)工程院院士、“雜交水稻之父”袁隆平也對(duì)該研究作出書面評(píng)價(jià)。他表示，F(xiàn)hb7基因的發(fā)現(xiàn)和抗病機(jī)制解析對(duì)水稻、玉米等作物育種同樣具有重要意義。作為禾谷類作物種質(zhì)改良和創(chuàng)新的難得基因，其在育種領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，將有力提升我國(guó)農(nóng)作物種質(zhì)資源創(chuàng)新水平，為產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、確保國(guó)家糧食安全提供重要保障。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aba5435
