2020年中国十大科技进展新闻揭晓 山东农大这项成果凭什么入选? 农村大众报记者陈建志
孔令让(右二)与团队成员在实验室里交流。1月20日,由中国科学院和中国工程院两院院士评选的2020年中国十大科技进展新闻揭晓,山东农业大学的一项科研成果位列其中。
这项成果,可以通俗地称之为“找到了小麦‘癌症’——赤霉病的克星”。它是由山东省现代农业产业技术体系小麦创新团队首席专家、“泰山学者”特聘教授、山东农业大学农学院院长孔令让领衔的团队完成的。这项成果为什么能入选?其价值如何?
小麦赤霉病严重威胁
粮食生产与食品安全
小麦赤霉病别名麦穗枯、烂麦头、红麦头,是世界范围内极具毁灭性且防治困难的真菌病害,有小麦“癌症”之称。该病是全球小麦生产中面临的重大病害,由镰刀菌属真菌侵染而产生,一般可导致小麦减产10%-20%,严重时达80%-90%,重症地块甚至绝收。
赤霉病严重威胁世界粮食生产和食品安全。感染该种病菌之后,小麦发芽率下降、发芽势减弱,籽粒干瘪,千粒重降低,淀粉与蛋白质含量降低,出粉率降低,湿面筋含量减少,面粉质量差、色泽灰暗,商品价值大大降低。
更为严重的是,染病的小麦籽粒含有呕吐毒素,这种毒素被世界卫生组织定为三级致癌物,人畜食用之后可引起机体中毒。
小麦赤霉病从苗期到穗期均可发病,引起苗腐、茎基腐、秆腐和穗腐,以穗腐为害最大。湿度大时,病部可见粉红色霉层。
近年来,小麦赤霉病在世界范围内不断流行暴发。据国家农技部门统计,2020年我国赤霉病发生面积为9000万亩,需预防控制面积超过1.5亿亩次。其中,长江中下游、江淮麦区大流行,黄淮南部麦区偏重流行,其他麦区中等或偏轻流行。
2020年9月15日,农业农村部把小麦赤霉病列入《一类农作物病虫害名录》。
寻找并解析抗病基因
过程艰辛且漫长
面对防治小麦赤霉病这道世界难题,许多科研人员做了多年探索,比如使用药剂,但是效果不佳。长期的科学研究和生产实践证明,小麦赤霉病基本不可治,预防难度也非常大,因此选育抗病品种成为最佳选择。
然而,半个多世纪以来,放眼全球,关于抗赤霉病小麦品种选育的研究,没有取得突破性进展。究其原因,首先在于测遍现有的小麦种质资源,找不到抗赤霉病的主效基因。“巧妇难为无米之炊。”缺乏抗病基因,自然难以选育抗病品种。
孔令让迎难而上。1985年,他读研究生时,选的研究课题是长穗偃麦草与小麦的远缘杂交。长穗偃麦草,亲缘关系与小麦较近,是小麦的近缘植物。2001年,他带领团队再次把长穗偃麦草作为研究材料,从中寻找、筛选抗赤霉病基因。2006年,终于有了进展,他们在长穗偃麦草7E染色体上,发现其长臂末端携带着一个抗赤霉病的主效基因。于是,按照国际统一命名法,称之为“Fhb7”基因。2011年,对这个基因进行了初定位。
之后,团队成员发现,这个基因是与叶黄素基因PSY连锁在一起的,而叶黄素基因PSY导致小麦籽粒呈现黄色,进而影响用其制作的面包、面条等食品的色泽。
为了打破抗赤霉病基因Fhb7和叶黄素基因PSY之间的连锁,该团队用了整整一年时间。他们通过分子标记辅助选择和抗赤霉病接种鉴定,完成了2.1万株Fhb7基因杂合体自交后代的基因型选择和抗病鉴定工作,最后找到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。
团队成员通过杂交、回交、分子标记辅助选择以及加代技术,于2015年将携带Fhb7基因的染色体片段转移至栽培小麦植株上,获得了抗赤霉病的小麦种质材料。此后,又经过研究,明确了Fhb7基因在小麦抗病育种中的稳定抗性和应用价值。
对未知世界的科学探索,是艰辛而又漫长的。20年来,团队成员进行基因克隆,分析了2.5万株实验小麦,仅重复性的DNA扩增实验就做了至少30万次。
小麦抗赤霉基因Fhb7的克隆、机理解析及育种利用,这项成果于2020年4月10日发表于国际顶尖学术期刊《科学》杂志上。这是我国小麦领域科研人员在《科学》杂志上刊发的首篇文章,也是我国小麦重要功能基因研究领域的首篇CNS(《细胞》《自然》《科学》)三大主刊文章。
选育抗病品种
攻克小麦“癌症”现曙光
近年来,孔令让团队将携带Fhb7基因的小麦种质材料分发给多个省份的30多家育种单位,用于选育抗赤霉病的小麦品系,并在山东、河南、江苏、安徽等小麦主产区进行了广泛试验。表型调查发现,在多种遗传背景下,Fhb7基因能显著提高小麦对赤霉病的抗性,同时对产量无负面影响。目前,携带Fhb7基因的多个抗赤霉病小麦新品系已陆续进入省级、国家级预备试验、区域试验和生产试验。
成功选育抗赤霉病的小麦品种,攻克小麦“癌症”出现曙光!预计最近几年,将有高抗赤霉病的小麦品种应用推广到生产领域。
孔令让教授团队研究抗赤霉病时还发现,Fhb7基因对赤霉病和茎基腐病具有广谱抗病性。在我国北方,引发赤霉病的主要是禾谷镰孢菌,在南方主要是亚洲镰孢菌,Fhb7基因可以抗这两种镰孢菌引起的赤霉病。
此外,在小麦生产中还有一种很严重的病害,叫小麦茎基腐病,病菌先是侵染小麦茎秆基部,出现褐色病斑,以后病斑逐渐扩大至整个节间,导致茎秆输导组织不能正常向上运输养分,最终小麦叶片发黄,植株折倒、枯死。2020年,黄淮北片麦区小麦茎基腐病发生严重,仅山东省小麦产区发病面积就超过1200万亩。试验证明,携带Fhb7基因的小麦植株对小麦茎基腐病表现出明显的抗性。
“山东农业大学的这项研究成果同时表明,Fhb7基因可以有效分解呕吐毒素,产生解毒效应。这一特性有望在粮食深加工和饲料工业中得到广泛应用。”北京大学现代农业研究院首席科学家邓兴旺说。
Fhb7基因的发现和抗病机制解析对水稻、玉米等作物育种同样具有重要意义。中国工程院院士、“杂交水稻之父”袁隆平表示,Fhb7基因是禾谷类作物种质改良和创新的难得基因,其在育种领域的推广应用,将有力提升我国农作物种质资源创新水平,为产业提质增效、确保国家粮食安全提供重要保障。
新闻推荐
“有了党建指导员，快递业党支部班子更加有力，党员职工的精神面貌也越来越好。”安徽省淮南市快递业党支部书记杨玉华说，现在...
淮南新闻，弘扬社会正气。除了新闻，我们还传播幸福和美好！因为热爱所以付出，光阴流水，不变的是淮南这个家。