【中国科学报】阻击小麦“癌症”

新基因“利器”让高产与高抗不再相悖

2019-06-26来源:南农新闻-NJAU NEWS作者:党委宣传部

▲科研人员在田间进行调查


▲Fhb1的导入显著提高小麦品种的赤霉病抗性(挂牌的标示单花接种赤霉菌后的穗子)

南京农业大学供图

■本报记者 冯丽妃

赤霉病,这种由多种镰刀菌真菌引起的病害因在世界范围内极具毁灭性且防治困难,号称小麦“癌症”。它不仅会导致严重的产量损失,还影响籽粒品质和食品安全。攻克这种疾病的“利器”一直是国内外小麦研究者的关注焦点。

近日,南京农业大学教授马正强团队在我国长江中下游的小麦基因资源“望水白”和“苏麦3号”中,通过图位克隆的方式,找到了抵抗小麦“癌症”的关键基因Fhb1,为战胜赤霉病提供了“利器”。相关成果近日在线发表于《自然—遗传学》。

“这是针对赤霉病克隆的第一个基因,而且是一个主效抗病基因,具有重要的理论意义与应用价值。”中国农科院作物科学研究所小麦基因组专家、并未参加此项研究的贾继增研究员说,我国科学家成功克隆抗赤霉病基因向世界证明了我国在国际小麦研究领域的实力。

对此,河南省小麦抗病虫育种首席专家、河南科技学院生命科技学院教授茹振钢认为,这项研究预示着我国小麦抗赤霉病育种“由经验上升到科学”,将为我国培育既高产又抗赤霉病的小麦品种开辟崭新的天地。

一个关键“利器”

关于赤霉病的“症状”,其最明显的表现是麦穗枯死或烂麦头。“在病原菌侵染初期,麦穗上的侵染点呈水浸状、浅褐色斑,随着病情发展,逐渐扩大至整个麦穗,最后形成枯穗。”马正强描述。

“枯白穗不结实,即使结实,籽粒也干瘪、皱缩、含有病原菌分泌的毒素,严重危害人畜健康,没有任何价值。”他补充说。赤霉病主要是在小麦开花期遭遇高温(25℃~30℃)和湿度较大的气候条件下侵染穗子。一般流行年份可使小麦减产5%~15%,在大流行年可使小麦减产30%~60%,甚至绝收。

历史上,长江中下游冬麦区和东北春麦区是我国赤霉病重发区。但近年来,由于全球气候变暖,加之秸秆还田,赤霉病流行越来越频繁,形成“北扩西延”之势,对我国主产区小麦生产构成了严重威胁。统计显示,近10年中有8年我国赤霉病发病面积都超过8000万亩;80%左右小麦产区都有赤霉病流行的风险。

至今,马正强依然对2012年赤霉病大流行的情形记忆犹新。这是近年来我国赤霉病最严重的一年,全国发病面积近1.5亿亩,占小麦种植面积的40%。其中,江苏、安徽、河南和山东部分发病严重的区域产量损失达80%以上,“很多麦田看上去一片枯白,让人痛心”。

不止如此,赤霉病致病菌——镰刀菌为真菌,会产生脱氧雪腐镰刀菌烯醇(以下简称DON)等真菌毒素。DON不但毒性强,而且持久,染病小麦贮藏4年依然能保持毒性,人或动物食用后会带来许多潜在的健康危害。各国对食用小麦的病粒率有严格限制。在我国,每100粒中有4粒病粒就不符合收购标准,毒素含量大于1ppm(百万分之一)不符合食用或饲料要求。

幸运的是,我国有世界上最好的赤霉病抗源。国内外实践已经证明,我国小麦地方品种“望水白”及“苏麦3号”携带的抗赤霉病基因Fhb1是小麦中目前已知的抗性最好的基因。马正强和副教授贾海燕、博士生李国强、博士周继阳等,分析了全球643份普通小麦品种中该基因对应染色体区段的遗传变异,发现它很可能起源于我国长江中下游地区,是我国特有的优异小麦基因资源。“该地区历来是赤霉病流行和暴发的区域,强大的选择压力提供了抗赤霉病自然突变被保留下来的条件。”马正强说。

利用分子标记辅助选择的方法,研究人员将从江苏溧阳的小麦地方品种“望水白”和原太湖地区农科所培育的“苏麦3号”获取的Fhb1基因,导入到来自江苏、山东、河南、四川的中感或高感赤霉病小麦品种中,使这些品种的抗赤霉病扩展能力大幅度提高,并显著降低小麦籽粒中DON的含量。

“这项成果很好地解释了抗赤霉病性状演化中基因所发挥的作用,而且这个基因还是中国长江流域的。”茹振钢在接受《中国科学报》采访时说,“这是一个非常了不起的贡献。”

他认为,这项研究对于利用中国抗赤霉病优良基因,培育“既抗病又高产的品种是一个很大的理论突破、技术突破,将来一定能够带来小麦育种的品种突破”,为我国和世界小麦生产和食品安全提供保障。

尚需提及的是,Fhb1的克隆还具有非常广泛的应用潜力。由于赤霉菌还会在大豆、水稻、玉米等多达100余种植物中引起许多病害,在其他植物中利用这一基因也可能提高抗病能力。

一条坚守之路

据统计,从2014年到2017年,世界粮食生产在7.26亿吨到7.71亿吨之间。其中,全球因赤霉病导致的产量损失达2.85%。影响的国家和地区包括美国、加拿大、巴西、阿根廷、中国、印度、欧洲、北非和撒哈拉以南地区、东南亚等。

由于其波及范围广,世界上很多著名的实验室都在寻找能够抵抗赤霉病的关键基因。“小麦重要功能基因的克隆是一场激烈的国际竞争,是和欧美发达国家的竞争。”贾继增说,而且国外所研究的抗病材料大多都来源于我国,特别是“苏麦3号”中发现的Fhb1,是世界上做赤霉病研究的首选材料。因此,我国科学家成功克隆抗赤霉病基因具有重要意义。

不过,这项成绩的取得并非易事。以往,这类小麦基因克隆主要面临三个难题。

首先,必须保证抗性鉴定的准确性,不然就会“失之毫厘,谬以千里”。由于小麦的赤霉病抗性是数量性状(QTL),受环境影响比较大,表型评价非常困难。在田间接种时天气的温度、湿度,是否刮风下雨都能直接影响接种的成功率和发病情况。因此,需要经过多个年份多个试验点的田间表型鉴定,才能确定一个材料的抗感情况。

其次,在一些遗传分析群体中,Fhb1位点所在区间存在重组抑制现象,精细定位困难。研究团队在经过反复尝试未果后,更换遗传分析群体才获得成功。

再者,当时没有可参考的小麦基因组序列,完整的小麦基因组图谱在2018年8月才绘制完成。而且,小麦是一个六倍体,其基因组是水稻基因组的40多倍,是人类的5倍多,其中重复序列达到85%以上,给确定Fhb1位点的物理区间增加了很大难度。

“正因如此,许多小麦研究者都不敢碰图位克隆的课题,更不敢做QTL的图位克隆。马正强课题组能够在十多年前选择难度如此大的课题,没有足够的勇气是不可能的。”贾继增说。在他看来,这还体现了课题组“一丝不苟、严谨求实的科学态度”和“不屈不挠、敢于相信自己的精神”。

关于Fhb1基因研究,国际上还经历过一个波折。两年前,美国一所大学就有两个实验室在做这项工作,其中一个实验室抢先在《自然—遗传学》上发表了结果。尽管如此,马正强团队并没有放弃相关研究,而是对自己的研究结果反复验证,才有了现在发表的这个研究成果。如今看来,2016年发表的基因已经被排除了。

在同一期刊,美国堪萨斯大学华裔科学家柏贵华团队也报道了Fhb1的克隆,尽管作用机制有所差异。对此,贾继增认为,这说明有必要进一步开展相关研究。

这项新研究有两个意义。马正强解释说,一是奠定了认识小麦抗赤霉病分子机制的基础,朝最终解决赤霉病这一难题迈出了重要一步;二是有助于提高小麦抗赤霉病的育种效率,在育种实践中快速提高小麦对赤霉病的抗性。

“由于国际上小麦抗赤霉病的研究是难点也是热点,竞争非常激烈。为保护我国所拥有的基因资源和知识产权,此次研究的部分成果已得到了美国和中国专利授权。”他说。

一个新的前景

不过,由于小麦对赤霉病的抗性有多种类型,主要包括抗侵染和抗扩展,单靠Fhb1一个基因并不能战胜小麦“癌症”。

自2000年以来,马正强团队对几个主要的抗赤霉病QTL开展了精细定位研究。他们克隆的Fhb1基因和另一个基因Fhb2主要提供对赤霉病扩展的抗性,即在病原菌侵染成功后,阻止赤霉病从一个病小穗扩展到临近小穗;而另外两个基因Fhb4和Fhb5提供抗病原菌初始侵染的能力,即减少病原菌的初始侵染。

目前,这些基因已经被导入到江苏、四川、山东、河南等小麦主产区的30多个推广品种或育种高代品系中,抗病效果非常明显。许多育成品系综合性状表现优异。“我们搞育种的专家和马教授这样的理论专家结合起来就会‘如虎添翼’,通过分子育种,高产小麦品种能够很精准地结合抗赤霉病的基因,而且是‘集成性’的基因,形成了很好的效果。”茹振钢说。

他介绍,双方合作培育的“百农4199”“百农418”小麦品种都是在原有高产的基础上,增加了抗赤霉病的能力。如果加快推广应用,一定会对黄淮流域几个省的粮食产量产生很大的推动。

基于目前取得的研究结果,马正强团队对解决我国小麦主产区的赤霉病问题充满信心。不过,他表示,目前仍面临投入不足的问题。

对此,贾继增也呼吁国家在这一方面给予重点资助。他表示,现在通过分子育种,可以大大提高育种效率,缩短育种时间。除了小麦以外,可以在偃麦草等其他植物中广泛地发掘更多的抗源,然后进行培育。他同时建议未来国家提高品种审定的标准,在赤霉病抗性上“把关更严”,再辅以相应的栽培措施和植保手段,我国战胜赤霉病指日可待。

目前,马正强团队还在开展小麦抗白粉病和农艺性状方面的研究。他们希望借助于基因组学等现代生物学研究手段,发掘在小麦育种中能起关键作用的基因,认识小麦重要性状形成的机制,为小麦高产、稳产育种提供理论指导和技术支持。

关于何时攻克赤霉病,马正强说,“这一点目前还不好讲,如果各方面能够配套,我们有信心用5年左右的时间,解决我国小麦主产区如河南、山东等地的抗赤霉病品种培育问题。”

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-019-0426-7

原文链接:http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/6/347141.shtm



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