找到了!小麦“癌症”克星是它

小麦赤霉病是一种世界性的毁灭性真菌病害,难以控制。它被称为小麦的“癌症”。令人鼓舞的是,中国科学家在攻克小麦赤霉病方面迈出了关键的一步。

山东农业大学农学院教授、山东省现代农业产业技术体系小麦创新团队首席专家孔令让及其团队从小麦相关植物长穗偃麦草中克隆了抗赤霉病主基因Fhb7,并成功地将其转入小麦品种。该基因在小麦抗病育种中首次不仅具有稳定的抗赤霉病性,而且具有广谱解毒功能。相关研究结果于4月10日发表在《科学》在线版上。

从“亲缘”物种中寻找关键基因

根除小麦赤霉病和培育利用抗病品种是首选。过去,科学家已经在世界范围内筛选了数万种小麦品种。

“受理论认识和技术水平的制约,半个多世纪以来,全球对赤霉病的研究几乎没有突破,尤其是小麦种质资源中可利用的主要抗病基因非常稀少。”中国工程院院士、长期从事小麦赤霉病抗性育种的科学家程顺河指出。

事实上,到目前为止,人们还没有发现对赤霉病免疫的小麦种质资源。目前,国际社会鉴定命名的7个抗赤霉病主基因并不都是高度抗赤霉病的,有些是以牺牲产量为代价抗赤霉病的。

此外,中国工程院院士、西北农林大学教授康振生指出,由于小麦基因组庞大以及小麦-真菌相互作用的复杂性,科研人员对小麦赤霉病抗性机制的了解非常有限。

近年来,解决这一世界性问题更加迫切。对农民来说,这种疾病极难预防。一旦被感染,麦田通常会损失10-20%的产量,严重的情况下会损失80-90%。严重的麦田可以被砍掉。

记者孔令让在接受《中国科学报》采访时表示,感染赤霉病的小麦籽粒萎缩,淀粉和蛋白质含量降低,出粉率低,湿面筋含量少,当病麦率达到4%以上时,就失去了食用价值。尽管产量和质量都在下降,但由它们制成的食物和饲料对人类和动物健康构成了更严重的威胁。

长穗偃麦草是一种与小麦近缘的植物,具有抗病、抗逆和优质等优良基因。它是小麦品种改良的优良基因资源。这些优良的外源基因可以通过远缘杂交技术转移到小麦上。

孔灵让团队获得的抗赤霉病Fhb7基因来自长偃麦草。对群体的遗传分析表明,该基因将疮痂病的病情指数降低了30%以上,被认为是一个高效的抗病基因,为解开世界性的疮痂病难题找到了“金钥匙”。

解密Fhb7的抗病机制

抗赤霉病Fhb7基因的克隆、选育和利用具有重要的战略意义,其研究内容已无缝地交织成一个完整的科学故事。北京大学现代农业研究所的首席科学家邓兴旺读完论文后,写了一篇专题文章给予高度评价。

邓兴旺提到的科学故事是,在过去的20年里,孔令让的团队从长穗偃麦草基因组的组装到主基因Fhb7抗病机制的发现、克隆和分析,再到将其应用于小麦育种,充分解释了Fhb7基因抗病过程的“因果关系”。

1985年,孔灵让从硕士研究生开始研究长偃麦草、长偃麦草和小麦的远缘杂交。首次在长偃麦草染色体7E的长臂端发现小麦赤霉病抗性的主基因Fhb7。在过去的10年里,他带领团队证明了Fhb7单基因可以通过初始定位控制高抗性效应。随后,他对复杂的长穗偃麦草基因组进行了高质量的组装和注释,并完成了基因的精细定位。

那么,Fhb7基因是如何“对抗”小麦赤霉病的呢?该研究小组使用传统的定位克隆、细胞遗传学、突变体筛选和转基因技术来充分验证其功能。通过一系列的分子实验和高分辨率质谱分析,发现Fhb7基因编码一种谷胱甘肽S-转移酶,它能打开呕吐毒素的环氧基,并催化其形成谷胱甘肽加合物,从而产生解毒作用。

呕吐毒素是造成小麦赤霉病严重危害的重要因素之一。“呕吐毒素是引起小麦赤霉病的病原菌分泌的最常见的单端孢菌毒素,在谷物中含量最高。它被世界卫生组织列为最危险的天然食品污染物,是中国和世界食品和食品安全的重要制约因素。”邓兴旺说。

Fhb7基因如此重要,它从何而来?研究人员在追踪他们的进化史时曾经感到困惑。因为通过基因组序列的比较分析,他们在整个植物界没有发现Fhb7的同源基因。

“但我们在遗传物理图谱中发现了Fhb7的基因序列,这表明该基因确实存在,而且不是在实验操作过程中‘污染’产生的。”该论文的合著者、山东农业大学农学院副教授孙告诉《中国科学日报》。后来,他们终于在偃麦草共生真菌——偃麦草内生真菌中发现了同源基因,同源性高达97%。

孙分析,“该基因可能通过水平基因转移,从香烛内生真菌中整合到长偃麦草基因组中,从而进化出抗镰刀菌侵染的功能。”

这是科学家首次发现真核生物之间水平转移核基因组DNA的功能证据。“这是一种极其罕见的生物基因跨境转移现象,值得进一步深入研究,探索植物抗病基因和基因组进化的新机制。”邓兴旺说。

值得一提的是,在抗赤霉病的7个主基因中,Fhb1和Fhb7被认为是抗赤霉病的高效基因,两者都具有很强的抗性。河南农业大学国家小麦工程中心副研究员牛继山等人在研究综述中提到,遗传背景对赤霉病抗性有一定影响。

孔令让的团队比较了Fhb7在几种小麦背景下对其他农艺性状的影响。结果表明,在表现出较好的抗赤霉病性的同时,对千粒重和剑叶长等性状没有显著的负面影响。

这意味着在未来的育种中,Fhb7可能比Fhb1具有更高的选择性。

广谱抗病前景

在孔令让看来,研究成果不仅对促进科学发展有意义,而且真正“有用”和“用得好”,受到农民和市场的欢迎。

孔灵让的团队通过远缘杂交和分子标记辅助选择,将携带Fhb7基因的长偃麦草染色体片段转移到栽培小麦上,最终获得了抗赤霉病的种质材料。

目前,已有30多个单位利用这些材料进行小麦赤霉病抗性的遗传改良,并在山东、河南、江苏、安徽等地进行了广泛的试验,取得了良好的效果。

研究人员对此更加满意。“Fhb7基因确实是一种‘神奇基因’。”该论文的第一作者、合著者、山东农业大学农学院副教授王宏伟兴奋地告诉《中国科学报》,近年来的大量田间试验发现,携带Fhb7基因的植物在抗小麦赤霉病的同时,对广泛感染多种作物的茎基腐病表现出明显的抗性。

这意味着该研究中公开的Fhb7基因编码谷胱甘肽S-转移酶(GST)技术,该技术可应用于谷物的深加工和饲料工业,包括小麦、玉米、大米等,以去除食品中的相关毒素,并有望实现工业化。

“这对人类生活和健康的福祉具有更大的意义,也是我们今后很长一段时间努力的方向。”孔令让说道。

目前,一批携带Fhb7基因的小麦新品系已进入国家和省级预试验和区域试验,并已纳入中国小麦品种改良联合研究计划,从源头上解决小麦赤霉病问题。

中国工程院院士、“杂交水稻之父”袁隆平也对该研究发表了评论。他说,Fhb7基因的发现和抗病机制的分析对水稻、玉米等作物的育种也具有重要意义。作为谷类作物种质改良和创新的稀有基因,其在育种领域的推广应用将有效提高我国农业种质资源的创新水平,为产业提高质量和效率、保障国家粮食安全提供重要保障。

相关论文:doi: 10.1126/science.aba5435

孔令让团队的主要成员

长偃麦草基因组的分子进化及Fhb7的定位克隆

抗赤霉病基因Fhb7的转移和利用

Fhb7抗病的遗传进化机制和功能分子机制

Fhb7跨种转移和抗赤霉病的分子机制

照片:山东农业大学

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