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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，一旦感染，不僅影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)，更對食品安全和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。近些年，小麥赤霉病發(fā)生面積不斷擴(kuò)大，成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里的世界性難題。

日前，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表山東農(nóng)業(yè)大學(xué)孔令讓教授團(tuán)隊科研發(fā)現(xiàn)，他們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，揭示了其抗病分子機(jī)制;攜帶該基因的種質(zhì)材料被多家單位用于小麥育種，表現(xiàn)出穩(wěn)定的赤霉病抗性。

攻克世界性小麥難題

“小麥赤霉病由鐮刀菌屬真菌侵染而導(dǎo)致，堪稱小麥‘癌癥’。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，病麥率含量達(dá)到4%以上就失去了食用價值。麥田一旦被感染，通常減產(chǎn)10%~20%，嚴(yán)重時達(dá)80%~90%，重病麥田可致絕收。產(chǎn)量和品質(zhì)下降的同時，以其為原料制作的食品和飼料更會嚴(yán)重威脅人畜健康。”團(tuán)隊負(fù)責(zé)人、論文通訊作者、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院院長孔令讓說。

培育與利用抗病品種是最經(jīng)濟(jì)、有效并環(huán)保的選擇。早在半個多世紀(jì)之前，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)工作者就開始了小麥赤霉病的相關(guān)研究，但是小麥種質(zhì)資源中可用的主效抗赤霉病基因非常稀少，因此抗赤霉病育種工作難以取得關(guān)鍵性突破。

孔令讓教授團(tuán)隊長期從事小麥抗赤霉病遺傳及品種改良研究工作，經(jīng)過20余年的不懈攻堅，終于找到了解決赤霉病世界性難題的“金鑰匙”。在研究成果中共有五個發(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。

北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院首席科學(xué)家鄧興旺高度評價這一成果，認(rèn)為論文中五大研究內(nèi)容組成了一個完整的科學(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、解析到運用的前世今生，將引起那些致力于植物-病原體相互作用、谷物基因組學(xué)、植物基因組進(jìn)化、植物遺傳修飾、植物育種(特別是抗病性)的研究人員，甚至世界各國決策者的廣泛關(guān)注。

十年磨劍的寶貴成果

從1985年開始，孔令讓就從事長穗偃麥草、八倍體小偃麥與小麥的遠(yuǎn)緣雜交研究，2000年左右，他在長穗偃麥草中發(fā)現(xiàn)了抗赤霉病基因，并在2015年命名為Fhb7。接著，他帶領(lǐng)團(tuán)隊經(jīng)過初定位和精細(xì)定位，證明Fhb7單基因具有較高的赤霉病抗性，隨后，對復(fù)雜的長穗偃麥草基因組進(jìn)行了高質(zhì)量的組裝和注釋，完成了對該基因的精細(xì)定位。

團(tuán)隊采用傳統(tǒng)圖位克隆技術(shù)，并結(jié)合細(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(tuán)，并催化其形成谷胱甘肽加合物，從而產(chǎn)生解毒效應(yīng)，明確并驗證了其在小麥抗病育種中的穩(wěn)定抗性和應(yīng)用價值。”孔令讓介紹，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，嘔吐毒素嚴(yán)重污染食品和飼料，被世界衛(wèi)生組織定為天然存在的極為危險的食品污染物，可引起人畜中毒。嘔吐毒素同時可在人和哺乳動物體內(nèi)逐漸積累，誘發(fā)免疫功能下降等慢性毒副作用。

2015年，團(tuán)隊利用遠(yuǎn)緣雜交結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇將攜帶Fhb7基因的染色體片段轉(zhuǎn)移至栽培小麥，獲得了抗赤霉病種質(zhì)材料，并將材料分發(fā)到30多家單位用以小麥抗赤霉病的遺傳改良，在山東、河南、江蘇、安徽等地廣泛試驗。多年的試驗調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在多種遺傳背景下，F(xiàn)hb7基因均能顯著提高小麥的抗赤霉病特性，對產(chǎn)量沒有顯著負(fù)面影響。目前，攜帶Fhb7基因的多個小麥新品系已經(jīng)進(jìn)入國家、山東省預(yù)備試驗和區(qū)域試驗，并被納入中國小麥良種聯(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。

科研團(tuán)隊和衷共濟(jì)攻關(guān)

孔令讓的碩士研究生李學(xué)峰一直在做創(chuàng)建小麥-長穗偃麥草抗赤霉病短片段易位系的工作，這個工作的重點是打破Fhb7基因與黃色素基因Psy的緊密連鎖。他說，因為黃色素基因Psy的存在，面粉發(fā)黃，在育種中很難用，也影響市場前景。整個2018年，通過分子標(biāo)記輔助選擇和抗赤霉病接種鑒定，自己完成了21000株Fhb7基因雜合體自交后代的選擇和鑒定工作，最后找到了2株打破了這兩個基因緊密連鎖的小麥植株，獲得了赤霉病抗性良好且面粉色澤亮白的小麥-長穗偃麥草短片段易位系。

“我們在田間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?？蒲械倪^程是一種享受。”在孔令讓看來，搞育種工作既辛苦又充滿挑戰(zhàn)和樂趣。

論文共同通訊作者和第一作者王宏偉去年查出了腰椎間盤突出，但他沒有時間休養(yǎng)，一邊通過服藥、鍛煉緩解疼痛，一邊通過把電腦抬高站著辦公等方式繼續(xù)看材料寫文章。“他這個人從來就沒有休息的概念，有一段時間父母生病住院，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。

“團(tuán)隊優(yōu)秀科技工作者‘心有大我’的家國情懷、‘十年磨劍’的科研品質(zhì)和‘集智攻關(guān)’的協(xié)同精神值得我們學(xué)習(xí)。”山東農(nóng)業(yè)大學(xué)黨委書記徐劍波表示，下一步，要始終堅持與生產(chǎn)實踐緊密結(jié)合的戰(zhàn)略導(dǎo)向，聚焦農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵共性問題、“卡脖子”問題開展科技攻關(guān)，力爭在土、肥、水、種等各個領(lǐng)域產(chǎn)出具有前瞻性、實用性的成果，突破一批制約現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)，主動融入山東省“八大發(fā)展戰(zhàn)略”，當(dāng)好服務(wù)鄉(xiāng)村振興的排頭兵。

(本報記者 趙秋麗 馮帆 本報通訊員 翟榮惠)