亚搏体育app官网-中国科学家攻克小麦赤霉病的关键基因

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  找到了治愈小麦“癌症”的良方——我科学家攻克小麦赤霉病的关键基因

  小麦赤霉病是世界范围内极具毁灭性且防治困难的真菌病害,一旦感染,不仅影响小麦产量和品质,更对食品安全和人类健康构成严重威胁。近些年,小麦赤霉病发生面积不断扩大,成为农业领域里的世界性难题。

  日前,《科学》杂志在线发表山东农业大学孔令让教授团队科研发现,他们从小麦近缘植物长穗偃麦草中克隆出抗赤霉病主效基因Fhb7,揭示了其抗病分子机制;携带该基因的种质材料被多家单位用于小麦育种,表现出稳定的赤霉病抗性。

  攻克世界性小麦难题

  “小麦赤霉病由镰刀菌属真菌侵染而导致,堪称小麦‘癌症’。感染赤霉病的小麦籽粒干瘪,淀粉与蛋白质含量降低,出粉率低,湿面筋含量少,病麦率含量达到4%以上就失去了食用价值。麦田一旦被感染,通常减产10%~20%,严重时达80%~90%,重病麦田可致绝收。产量和品质下降的同时,以其为原料制作的食品和饲料更会严重威胁人畜健康。”团队负责人、论文通讯作者、山东农业大学农学院院长孔令让说。

  培育与利用抗病品种是最经济、有效并环保的选择。早在半个多世纪之前,中国农业科学工作者就开始了小麦赤霉病的相关研究,但是小麦种质资源中可用的主效抗赤霉病基因非常稀少,因此抗赤霉病育种工作难以取得关键性突破。

  孔令让教授团队长期从事小麦抗赤霉病遗传及品种改良研究工作,经过20余年的不懈攻坚,终于找到了解决赤霉病世界性难题的“金钥匙”。在研究成果中共有五个发现:克隆了Fhb7抗赤霉病基因;发现Fhb7基因编码的酶对呕吐毒素具有解毒功能;提供了真核生物间核基因组DNA水平转移的功能性证据;组装了长穗偃麦草基因组;发现Fhb7基因对整个镰刀菌属病原菌具有广谱抗性。

  北京大学现代农业研究院首席科学家邓兴旺高度评价这一成果,认为论文中五大研究内容组成了一个完整的科学故事,阐释了极具战略意义的抗赤霉病Fhb7基因从发现、组装、克隆、解析到运用的前世今生,将引起那些致力于植物-病原体相互作用、谷物基因组学、植物基因组进化、植物遗传修饰、植物育种(特别是抗病性)的研究人员,甚至世界各国决策者的广泛关注。

  十年磨剑的宝贵成果

  从1985年开始,孔令让就从事长穗偃麦草、八倍体小偃麦与小麦的远缘杂交研究,2000年左右,他在长穗偃麦草中发现了抗赤霉病基因,并在2015年命名为Fhb7。接着,他带领团队经过初定位和精细定位,证明Fhb7单基因具有较高的赤霉病抗性,随后,对复杂的长穗偃麦草基因组进行了高质量的组装和注释,完成了对该基因的精细定位。

  团队采用传统图位克隆技术,并结合细胞遗传学、突变基因组学、病毒诱导的基因沉默和转基因技术,对来自长穗偃麦草基因组的抗赤霉病基因Fhb7进行了充分的功能性验证。

  “通过系列分子实验和高分辨质谱分析,发现Fhb7编码的蛋白可以打开呕吐毒素的环氧基团,并催化其形成谷胱甘肽加合物,从而产生解毒效应,明确并验证了其在小麦抗病育种中的稳定抗性和应用价值。”孔令让介绍,产生呕吐毒素是小麦赤霉病危害严重的重要因素之一,呕吐毒素严重污染食品和饲料,被世界卫生组织定为天然存在的极为危险的食品污染物,可引起人畜中毒。呕吐毒素同时可在人和哺乳动物体内逐渐积累,诱发免疫功能下降等慢性毒副作用。

  2015年,团队利用远缘杂交结合分子标记辅助选择将携带Fhb7基因的染色体片段转移至栽培小麦,获得了抗赤霉病种质材料,并将材料分发到30多家单位用以小麦抗赤霉病的遗传改良,在山东、河南、江苏、安徽等地广泛试验。多年的试验调查发现,在多种遗传背景下,Fhb7基因均能显著提高小麦的抗赤霉病特性,对产量没有显著负面影响。目前,携带Fhb7基因的多个小麦新品系已经进入国家、山东省预备试验和区域试验,并被纳入中国小麦良种联合攻关计划,为从源头上解决小麦赤霉病问题提供了解决方案。

  科研团队和衷共济攻关

  孔令让的硕士研究生李学峰一直在做创建小麦-长穗偃麦草抗赤霉病短片段易位系的工作,这个工作的重点是打破Fhb7基因与黄色素基因Psy的紧密连锁。他说,因为黄色素基因Psy的存在,面粉发黄,在育种中很难用,也影响市场前景。整个2018年,通过分子标记辅助选择和抗赤霉病接种鉴定,自己完成了21000株Fhb7基因杂合体自交后代的选择和鉴定工作,最后找到了2株打破了这两个基因紧密连锁的小麦植株,获得了赤霉病抗性良好且面粉色泽亮白的小麦-长穗偃麦草短片段易位系。

  “我们在田间选材料感觉就像是在淘宝,选到一份好材料还想看下一个,觉得后面还有更好的,总要选出最好的。科研的过程是一种享受。”在孔令让看来,搞育种工作既辛苦又充满挑战和乐趣。

  论文共同通讯作者和第一作者王宏伟去年查出了腰椎间盘突出,但他没有时间休养,一边通过服药、锻炼缓解疼痛,一边通过把电脑抬高站着办公等方式继续看材料写文章。“他这个人从来就没有休息的概念,有一段时间父母生病住院,他每天晚上到医院陪床照顾他们,白天仍然坚持在实验室。”王宏伟的爱人王斐说。

  “团队优秀科技工作者‘心有大我’的家国情怀、‘十年磨剑’的科研品质和‘集智攻关’的协同精神值得我们学习。”山东农业大学党委书记徐剑波表示,下一步,要始终坚持与生产实践紧密结合的战略导向,聚焦农业生产中的关键共性问题、“卡脖子”问题开展科技攻关,力争在土、肥、水、种等各个领域产出具有前瞻性、实用性的成果,突破一批制约现代高效农业产业发展的关键共性技术,主动融入山东省“八大发展战略”,当好服务乡村振兴的排头兵。

  (本报记者 赵秋丽 冯帆 本报通讯员 翟荣惠)

【编辑:丁宝秀】

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