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      找到了!小麥“癌癥”克星是它
      2020-04-10
      中國科學報

        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,有小麥“癌癥”之稱。令人振奮地是,我國科學家在攻克小麥赤霉病上已邁出了關鍵一步。

        山東農業大學農學院教授、山東省現代農業產業技術體系小麥創新團隊首席專家孔令讓及其團隊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,并成功將其轉移至小麥品種中,首次明確并驗證了該基因在小麥抗病育種中不僅具有穩定的赤霉病抗性,且具有廣譜的解毒功能。相關研究成果4月10日在線發表于《科學》雜志。

        從“近親”物種中尋得關鍵基因

        根除小麥赤霉病,培育與利用抗病品種是首要選擇,過去科學家們已在全球范圍內對數以萬計的小麥品種進行了篩選。

        “受制于理論認知和技術水平,半個多世紀以來,關于赤霉病的研究全球鮮有突破性進展,特別是小麥種質資源中可用的主效抗赤霉病基因非常稀少。”中國工程院院士、長期從事小麥抗赤霉病育種的科學家程順和指出。

        事實上,人們至今未發現赤霉病免疫的小麥種質資源。目前由國際上鑒定并命名的7個抗赤霉病主效基因也并非全部有著高效的抗病性,有些盡管有抗病性,但卻以犧牲產量為代價。

        此外,中國工程院院士、西北農林科技大學教授康振生還指出,由于小麥有著龐大的基因組和小麥-真菌互作的復雜性,科研工作者對小麥抗赤霉病機制的了解十分有限。

        近年來,破解這一世界性難題,更加迫在眉睫。對農民來說,該病防不勝防,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。

        論文通訊作者孔令讓告訴《中國科學報》,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。產量和品質下降的同時,以其為原料制作的食品和飼料更嚴重威脅人畜健康。

        小麥近緣植物長穗偃麥草攜帶抗病、抗逆、優質等許多優異基因,是小麥品種改良的優異基因資源,利用遠緣雜交技術,可以將這些優良的外源基因轉移到小麥上。

        孔令讓團隊獲得的抗赤霉病基因Fhb7就是來源于長穗偃麥草,隨后通過群體遺傳分析表明,該基因使得赤霉病病情指數降低超過30%,被認為是高效抗性基因,為解鎖赤霉病這一世界性難題找到了“金鑰匙”。

        解密Fhb7的抗病機理

        “抗赤霉病基因Fhb7克隆及育種利用是極具戰略意義的,其研究內容承前啟后無縫交織成了一個完整的科學故事。”北京大學現代農業研究院首席科學家鄧興旺閱讀研究論文后,專門撰文給予高度評價。

        鄧興旺提到的科學故事正是,20年來孔令讓團隊從組裝長穗偃麥草基因組,到發現、克隆、解析主效基因Fhb7抗病機理,再運用至小麥育種上,完整闡釋了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穗偃麥草、八倍體小偃麥與小麥的遠緣雜交研究,首次在長穗偃麥草7E染色體長臂末端發現小麥抗赤霉病主效基因Fhb7。近10余年來,他帶領團隊經過初定位證明Fhb7單基因可控制較高的抗性效應,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,并完成了該基因的精細定位。

        那么,Fhb7基因究竟是如何“抗擊”小麥赤霉病的?研究團隊采用傳統圖位克隆、細胞遺傳學、突變體篩選和轉基因等技術,對其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基因編碼一種谷胱甘肽S-轉移酶,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。

        產生嘔吐毒素是小麥赤霉病之所以危害嚴重的重要因素之一。“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,被世界衛生組織定為天然存在的最危險的食品污染物,也是制約我國及世界糧食和食品安全的重要因素。”鄧興旺說。

        Fhb7基因如此關鍵,它究竟從何而來?在追溯其進化歷史時,研究人員一度陷入了迷惑。因為他們通過基因組序列比較分析,在整個植物界都沒有發現Fhb7的同源基因。

        “但我們在基因物理圖譜中發現了Fhb7的基因序列,這說明,該基因的確真實存在,并非是實驗操作時被‘污染’而產生的。”論文并列第一作者、山東農業大學農學院副教授孫思龍告訴《中國科學報》。隨后,他們終于在偃麥草的共生菌——香柱內生真菌發現了同源基因,同源性高達97%。

        孫思龍分析,“該基因很可能是通過基因水平轉移,從香柱內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。”

        這是科學家首次發現真核生物間核基因組DNA水平轉移的功能性證據。“這是一個極其少見的生物基因跨界轉移現象,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。”鄧興旺說。

        值得一提的是,在7個抗赤霉病主效基因中,Fhb1和Fhb7被公認為抗赤霉病的高效基因,二者具有相當的抗性。河南農業大學國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Fhb1的赤霉病抗性有一定影響。

        孔令讓團隊通過比較Fhb7在多個小麥背景中對其它農藝性狀的影響,結果表明,在對赤霉病表現出良好抗性的同時,對包括千粒重、旗葉長度等性狀沒有顯著負面影響。

        這意味著,在未來育種中,Fhb7的選擇性將可能多于Fhb1。

        廣譜抗病前景廣闊

        在孔令讓看來,研究成果不僅要對推動科學發展有意義,還要真正“用得上”“用得好”,受農民和市場歡迎。

        孔令讓團隊利用遠緣雜交結合分子標記輔助選擇將攜帶Fhb7基因的長穗偃麥草染色體片段轉移至栽培小麥,最終獲得了抗赤霉病的種質材料。

        目前,已有30多家單位利用這些材料進行小麥抗赤霉病遺傳改良,并在山東、河南、江蘇、安徽等地進行廣泛試驗,結果表現良好。

        令研究人員感到欣慰的不止這些。“Fhb7基因真的是一個‘神奇基因’。”論文第一作者和共同通訊作者、山東農業大學農學院副教授王宏偉興奮地告訴《中國科學報》,近幾年的大量田間試驗發現,攜帶Fhb7基因的植株在抗小麥赤霉病的同時,對廣泛侵染多種農作物的莖基腐病也表現出了明顯抗性。

        這意味著,研究中所揭示的Fhb7基因編碼一種谷胱甘肽S-轉移酶(GST)技術或許可應用于包括小麥、玉米、水稻等糧食的深加工和飼料工業,去除食品中的相關毒素,且有望產業化。

        “這更大的意義在于為人類生命健康謀福祉,同時也是未來較長一段時間我們努力的方向。”孔令讓說。

        目前,攜帶Fhb7基因的多個小麥新品系已經進入國家以及省級預備試驗和區域試驗,并被納入我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解決方案。

        中國工程院院士、“雜交水稻之父”袁隆平也對該研究作出評價,他表示,Fhb7基因的發現和抗病機制解析對水稻、玉米等作物育種同樣具有重要意義。作為禾谷類作物種質改良和創新的難得基因,其在育種領域的推廣應用,將有力提升我國農作物種質資源創新水平,為產業提質增效、確保國家糧食安全提供重要保障。

        相關論文信息:DOI:10.1126/science.aba5435

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