【科技日报】一场全面打响的粮食保卫战——记周明国教授团队获2018年国家科技进步二等奖

2019-01-10来源:南农新闻-NJAU NEWS作者:党委宣传部

在南京农业大学植物保护学院周明国教授的办公室书架上,自上而下的两本鲜红的证书格外醒目,那是周明国课题组分别于2010年和2012年获得的国家科技进步二等奖。

今年,周明国课题组的“创制杀菌剂氰烯菌酯选择性新靶标的发现及产业化应用”再次捧得2018年国家科学技术进步二等奖。他书架上虚位以待的位置,将被第三个沉甸甸的“国奖”证书填满。 

这一次,他的团队研究发现了极其重要的杀菌剂新靶标肌球蛋白,揭示了自主研发的新型农药氰烯菌酯的作用靶标和选择性遗传基础,探明了肌球蛋白药敏性分化及抗药性风险,研发了稻麦镰刀菌病害安全高效防控新技术,创新了技术推广策略,提高了农药创制和镰刀菌病害及毒素控制的科技水平。可谓全面打响了一场坚实的粮食保卫战。

“知己知彼,百战不殆”:三中“国奖”的绝密“兵法”

“我是研究农药和植物病害防控的。”周明国毫不避讳他的研究方向:“听到‘农药’两个字,老百姓常常胆战心惊,谈‘药’色变。不过我有信心,我们研制的农药比有的医药还要安全。”

农药一般是指在农业生产中,为保障、促进植物或农作物健康成长,所施用的杀虫、杀菌和除草的一类药物统称,特指在农业上用于防治有害生物以及调节植物生长的药物。

周明国专注研究的农药就是属于其中杀菌剂的范畴。

既然要“杀”的是一种“菌”,那么是什么菌?它们“顽固”在哪里?为何让周明国团队数十年如一日誓与它们“一决高低”?

上世纪70年代中期,一场突如其来的小麦赤霉病害席卷长江中下游和淮河流域,导致小麦产量重大损失。“我的家人当时吃了自己种的小麦都会莫名其妙的呕吐。”时隔40年,周明国依然对当时小麦赤霉病对产量和人的健康危害记忆犹新。

小麦赤霉病又名麦穗枯、烂麦头,是由一类叫作镰刀菌的真菌侵染危害的,不仅可造成小麦20%-50%以上的严重减产,流行时甚至绝产,还会让“生病”的小麦含有病菌毒素等有害物质,严重危害人畜健康,使小麦完全失去食用和饲用价值。

1982年初,周明国从南京农学院植保系(现南京农业大学植保学院)毕业并留校工作。从那时起,他就开始了病害防控和杀菌剂研究,誓要打赢这场粮食保卫战。

既然是一场恶战,就必须先有缜密的“兵法”。

知己知彼,百战不殆。就是周明国团队信心十足对付“敌人”镰刀菌的“兵法”。

初步探明“敌人”活动的基本情况,研发有效的武器和作战方案,是2010年,周明国团队以第二完成单位获得国家科技进步二等奖的项目完成的主要任务。该项目名为“小麦赤霉病致病机理与防控关键技术”。在这一阶段,团队不仅发现了导致小麦赤霉病的“罪魁祸首”——一类叫做“镰刀菌”的微小生物,还对其致病机理、流行规律及防治方法“尽在掌握”。

就这样,团队漂亮地打响了大战前夕“知彼”的第一步。

此后,一种名叫“多菌灵”的杀菌剂不仅被用来对付镰刀菌,防治小麦赤霉病和水稻恶苗病,还被广泛用于其他多种作物病害防治。然而不久,局部地区相继爆发了可怕的重大粮食作物抗药性灾害。

“病菌在面对化学武器长期绞杀的过程中,也在不断演化,形成了应对‘多菌灵’的抗性变异群体。”周明国说,这样一来,原有的杀菌剂非但没能让镰刀菌“滚蛋”,反而让小麦和水稻的病情恶化,甚至刺激病菌产生更多的DON毒素。

如今,周明国的研究已有充分证明,40年前让家人呕吐的就是这种名为DON的毒素,它不仅导致作物病害,更会严重危害人体的健康。

果然,此后,作物病害的发展态势正如他所担心的那样愈演愈烈——找不到解决方法的种植户,只能盲目增加农药用量,混用各类农药。抗药性灾害就这样愈演愈烈,病害发生愈加严重,药害、农药残留、环境污染和作物毒素含量成倍增长等问题层出不穷。

对此,周明国团队始终忧心忡忡。

终于,在两年后的2012年,课题组找到了“多菌灵”在这场防治战役中屡战屡败的原因,让课题组更加“知彼”。

那一年,周明国以第一完成人的身份获得国家科技进步二等奖。其成果“重要作物病原菌抗药性机制及监测与治理关键技术”,探明了水稻恶苗病、油菜菌核病和小麦赤霉病菌等作物病原菌抗药性的发生、发展规律,研发了快速诊断技术,一步步摸清了“敌人”在对付我国传统农药“多菌灵”的惯用“伎俩”,并研发出了新式“武器”。

“这是一种具有自主知识产权、专门对付镰刀菌的‘新武器’!”周明国说,他们发现,这种叫做“氰烯菌酯”的武器,在防治小麦赤霉病方面的威力不仅高于“多菌灵”3倍,用药量还可减少一半以上,更能降低小麦谷粒中90%的镰刀菌毒素,对动植物和环境微生物特别安全。

有“利器”在手,周明国团队又迈出了“知己”的一大步。

“擒贼先擒王”:更精准“靶标”的发现

有了“新武器”的助力,在2012年以后的全新攻关周期里,周明国团队开始着眼于“训练”如何让“氰烯菌酯”杀菌的“枪法”更为精准。

经过无数次的反复试验,他们终于又有了新的收获。

“我们发现杀菌剂极其重要的新靶标——肌球蛋白-5。”这是一种生命体活动中不可或缺的生物大分子,已被国际杀菌剂抗性行动委员会(FRAC)认定为全新的选择性杀菌剂新靶标——马达蛋白。顾名思义,这一类靶标具有“马达”般的超强活力,在细胞营养运输中具有提供能量的关键作用,是病菌体内当之无愧的“王牌”蛋白。

“这就如同汽车的引擎,能给汽车前进的充足马力。”而更让周明国团队兴奋的是:“它正是我们的新式武器‘氰烯菌酯’所要攻击的靶标!

“这就如同击穿了汽车的引擎,汽车还能开吗?”周明国比喻到,作为镰刀菌营养运输的“马达”,一旦被氰烯菌酯“瞄准”击破,镰刀菌必被“一枪毙命”!可谓“擒贼先擒王”。

为了让氰烯菌酯能像巡航导弹一样的精准发射、百发百中,周明国团队经过进一步深入研究,发现肌球蛋白-5特定的第216、217、418和420位氨基酸残基正是它的关键位点。也就是说,团队探明了肌球蛋白的致命“软肋”,只要研发的杀菌剂能够瞄准这些致命“靶心”,镰刀菌一定会“在劫难逃”。

“我们的成果未来甚至可以被进一步开发,用于治疗由镰刀菌引起的人类疾病。”周明国说,肌球蛋白药物靶标的发现,不仅为农用杀菌剂的研发提供了选择性新靶标,还为新医药的开发提供了有效参考。

“缓兵之计”:延缓镰刀菌抗药性发展

但是,即使有了精良的“武器”,掌握了敌人的“软肋”,也并不意味着能“一战而定”。

这是因为肌球蛋白的结构总是在不断变化的。它甚至在不同生物体中、不同时间阶段的呈现结构都会不尽相同。

事物总是具有其两面性。从农药安全角度上看,多变的肌球蛋白具有高度的选择性,对其他生物特别安全;但从另一个角度看,它也会利用自己“百变”的特性,不断改变之前曾与药剂完美对位的“靶位”结构,躲避打击而产生的抗药性,让药剂效果丧失殆尽。

“如果长时间使用同一种杀菌药剂,必然又会产生新的抗药性。”周明国解释到:“镰刀菌既然能对‘多菌灵’产生抗药性,对‘氰烯菌酯’也同样适用,一旦使用时间长了,抗药性也会随之而来。”

所以,他的团队未雨绸缪,对“敌人”保持警惕,探明“敌人”变异规律和性质,力争把镰刀菌再次产生抗药性的周期拉长,好为研制更加精良的“武器”腾出时间。

“这也是一种缓兵之计。”周明国说。

周明国团队进一步探明了肌球蛋白-5对药物敏感性的分化机制,发现其至少有12个氨基酸残基可发生不同水平的抗药性变化,揭示了各位点变异频率和抗性风险。

团队还特别研制了“组合型武器”。这些“武器”可以根据不同生态区域病害发生的特征和抗药性发展的风险,同时攻击不同靶位。核心药剂“氰烯菌酯”与戊唑醇等药剂的4种增效组合杀菌剂获得了国家农药正式登记,它们同时具有防治多种病害、延缓抗药性、降低毒素等作用,而且用药量还比“多菌灵”一下子减少60%。

这种氰烯菌酯抗性治理策略也被FRAC高度认可,将其作为合理应用肌球蛋白抑制剂的科学依据。

摸清了规律,研制了新药,就要让实验室里的科研成果实实在在的“落地”。

单碱基变异的抗药性LAMP简便、快速诊断技术的发明,实现了抗药性实时高通量检测,使团队的这一愿望变成了现实。

团队首先在多菌灵和咪鲜胺抗性发生严重的地方进行成果推广和应用。他们采用LAMP检测法,在田间地头随时随地进行监测,短短4-5个小时就能让老百姓看到监测结果。

有了大量真实的药敏性检测数据,再让新的组合武器“闪亮登场”,一旦药效与“多菌灵”形成鲜明对比,种粮老百姓必然对周明国团队的最新成果“心服口服”。

“这种推广的新策略的确发挥了很好的示范效应。因为这建立在我们对新式‘武器’氰烯菌酯的各种技术参数了熟于心的基础上。我们可以游刃有余地对付带有抗药性的各类顽固‘敌人’,而绝不是空喊口号。”周明国说,仅在近3年,团队已在病害发生最为严重的10个省市推广肌球蛋白抑制剂系列产品,防控小麦赤霉病和水稻恶苗病9000多万亩,减少用药4650吨,减损粮食340万吨,降低麦粒真菌毒素含量85%,保证了粮食品质,减少经济损失220多亿元,使之成为防治赤霉病和恶苗病家喻户晓的首选技术,实现了社会效益和经济效益的双丰收,促进了乡村振兴和绿色发展。

“有了对付敌人的先进武器,并不意味着能高枕无忧。”周明国透露说,尽管采用了延缓氰烯菌酯抗性的应用技术,但是抗药性迟早还会卷土重来。

刚刚从领奖台上走下来的周明国团队,已经踏上了这场粮食保卫战的新战场。他们得争分夺秒,力争在“缓兵”期内,研发出更加先进的颠覆性“新武器”。

周明国感慨,这场恶战还将持续下去。

(赵烨烨  张晔)

原文链接:http://www.stdaily.com/app/jiangsu/2019-01/08/content_745303.shtml  

  

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