找到了治愈小麥“癌癥”的良方——我科學家攻克小麥赤霉病的關鍵基因

小麥赤霉病是世界范圍內極具毀滅性且防治困難的真菌病害，一旦感染，不僅影響小麥產量和品質，更對食品安全和人類健康構成嚴重威脅。近些年，小麥赤霉病發生面積不斷擴大，成為農業領域里的世界性難題。

日前，《科學》雜志在線發表山東農業大學孔令讓教授團隊科研發現，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制；攜帶該基因的種質材料被多家單位用于小麥育種，表現出穩定的赤霉病抗性。

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，淀粉與蛋白質含量降低，出粉率低，濕面筋含量少，病麥率含量達到4%以上就失去了食用價值。麥田一旦被感染，通常減產10%~20%，嚴重時達80%~90%，重病麥田可致絕收。產量和品質下降的同時，以其為原料制作的食品和飼料更會嚴重威脅人畜健康。”團隊負責人、論文通訊作者、山東農業大學農學院院長孔令讓說。

培育與利用抗病品種是最經濟、有效并環保的選擇。早在半個多世紀之前，中國農業科學工作者就開始了小麥赤霉病的相關研究，但是小麥種質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鍵性突破。

孔令讓教授團隊長期從事小麥抗赤霉病遺傳及品種改良研究工作，經過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現：克隆了Fhb7抗赤霉病基因；發現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水平轉移的功能性證據；組裝了長穗偃麥草基因組；發現Fhb7基因對整個鐮刀菌屬病原菌具有廣譜抗性。

北京大學現代農業研究院首席科學家鄧興旺高度評價這一成果，認為論文中五大研究內容組成了一個完整的科學故事，闡釋了極具戰略意義的抗赤霉病Fhb7基因從發現、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、植物基因組進化、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緣雜交研究，2000年左右，他在長穗偃麥草中發現了抗赤霉病基因，并在2015年命名為Fhb7。接著，他帶領團隊經過初定位和精細定位，證明Fhb7單基因具有較高的赤霉病抗性，隨后，對復雜的長穗偃麥草基因組進行了高質量的組裝和注釋，完成了對該基因的精細定位。

團隊采用傳統圖位克隆技術，并結合細胞遺傳學、突變基因組學、病毒誘導的基因沉默和轉基因技術，對來自長穗偃麥草基因組的抗赤霉病基因Fhb7進行了充分的功能性驗證。

“通過系列分子實驗和高分辨質譜分析，發現Fhb7編碼的蛋白可以打開嘔吐毒素的環氧基團，并催化其形成谷胱甘肽加合物，從而產生解毒效應，明確并驗證了其在小麥抗病育種中的穩定抗性和應用價值。”孔令讓介紹，產生嘔吐毒素是小麥赤霉病危害嚴重的重要因素之一，嘔吐毒素嚴重污染食品和飼料，被世界衛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逐漸積累，誘發免疫功能下降等慢性毒副作用。

2015年，團隊利用遠緣雜交結合分子標記輔助選擇將攜帶Fhb7基因的染色體片段轉移至栽培小麥，獲得了抗赤霉病種質材料，并將材料分發到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。多年的試驗調查發現，在多種遺傳背景下，Fhb7基因均能顯著提高小麥的抗赤霉病特性，對產量沒有顯著負面影響。目前，攜帶Fhb7基因的多個小麥新品系已經進入國家、山東省預備試驗和區域試驗，并被納入中國小麥良種聯合攻關計劃，為從源頭上解決小麥赤霉病問題提供了解決方案。

科研團隊和衷共濟攻關

孔令讓的碩士研究生李學峰一直在做創建小麥-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，面粉發黃，在育種中很難用，也影響市場前景。整個2018年，通過分子標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。科研的過程是一種享受。”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，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。

“團隊優秀科技工作者‘心有大我’的家國情懷、‘十年磨劍’的科研品質和‘集智攻關’的協同精神值得我們學習。”山東農業大學黨委書記徐劍波表示，下一步，要始終堅持與生產實踐緊密結合的戰略導向，聚焦農業生產中的關鍵共性問題、“卡脖子”問題開展科技攻關，力爭在土、肥、水、種等各個領域產出具有前瞻性、實用性的成果，突破一批制約現代高效農業產業發展的關鍵共性技術，主動融入山東省“八大發展戰略”，當好服務鄉村振興的排頭兵。

(本報記者 趙秋麗 馮帆 本報通訊員 翟榮惠)

[責任編輯：楊凡、崔中連]

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