《中國科學(xué)報(bào)》2016年09月21日
戴小楓在新疆棉花抗病、高產(chǎn)示范現(xiàn)場展示會上。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工所供圖
說起制約棉花生產(chǎn)的第一大病害，非“黃萎病”莫屬。這是一種被稱為棉花“癌癥”的病害，它常年造成我國棉花15%以上的減產(chǎn)，年直接經(jīng)濟(jì)損失200億元。黃萎病的肆虐讓許多棉花人對2002年的“棉災(zāi)”記憶猶新：300萬公頃棉花枯死或萎蔫，連片棉田減產(chǎn)甚至絕收，棉農(nóng)損失慘重。
黃萎病并非無藥可醫(yī)，培育抗病品種就是公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)有效的防控途徑。然而，長期以來，黃萎病的為害機(jī)理不清、棉花抗病機(jī)制不明，“兩眼一抹黑”，抗病品種的選育無從下手，一直是世界性難題。
情況在一項(xiàng)專門針對棉花黃萎病的“863”計(jì)劃課題下，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。
主持該課題的是植保研究出身的中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工所所長戴小楓研究員，30多年來他一直從事棉花主要病蟲害綜合防治技術(shù)研究工作。為了選育抗黃萎病棉花新種，戴小楓領(lǐng)導(dǎo)的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)一頭鉆進(jìn)去就是二十多年。
對世界性難題求根溯源
黃萎病主要是由“大麗輪枝菌”和“黑白輪枝菌”兩種致病菌導(dǎo)致的土傳真菌病害。它們的寄主極為廣泛，不僅棉花，它們的“魔爪”還伸向了茄子、番茄、黃豆等660種植物，其中僅主要農(nóng)作物就有184種。由于這兩種病原菌可在土壤中存活多年，加之病原菌變異頻繁、致病生態(tài)型多樣，常用的藥物處理、栽培耕作等手段均見效甚微。
要選育出抗病棉種，弄清黃萎病致病機(jī)理、棉花抗病機(jī)制是必由之路和突破口。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)、實(shí)地勘訪，并借助分子生物技術(shù)細(xì)致研究，拿到了我國棉花黃萎病第一手的流行病學(xué)材料。
戴小楓等人統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，自1984年以來，我國棉花黃萎病發(fā)生危害面積逐年上升，其中1993年、2002年大暴發(fā)導(dǎo)致2/3棉田受災(zāi)。特別是2000年后西北內(nèi)陸棉區(qū)危害加劇，發(fā)病面積超過50%。他們對黃萎病菌全基因組重測序并鑒定了20萬個遺傳變異，發(fā)現(xiàn)病原通過單核苷酸突變、插入缺失、水平轉(zhuǎn)移和基因獲得與丟失4種分子變異途徑，進(jìn)化出了4種致病變異型。
他們找到了黃萎病長年肆虐的根本原因：致病性變異導(dǎo)致強(qiáng)致病型菌系的比例快速上升。
在此基礎(chǔ)上，他們開發(fā)了58個鑒定變異型的分子標(biāo)記，創(chuàng)建了菌原變異型的分子監(jiān)測方法。與此同時，他們還監(jiān)測到了這些致病菌侵害棉花的動態(tài)侵染過程：黃萎病菌2小時附著表皮，14天內(nèi)就侵入棉花木質(zhì)部，引發(fā)典型黃萎病癥狀。在這過程中，熱激蛋白調(diào)控的5個胞外毒素蛋白是該菌致病的關(guān)鍵——毒素蛋白參與了降解果膠和纖維素，阻塞導(dǎo)管營養(yǎng)與水分運(yùn)輸，最終導(dǎo)致棉花“黃萎”。
“我們的研究證明了毒素是因、阻塞是果，兩者共同導(dǎo)致了對棉花的‘黃萎’危害。”戴小楓告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，“這澄清了國際學(xué)術(shù)界長期懸而未決的‘毒素說’與‘阻塞說’的爭論。”
黃萎病菌有4種致病變異型，倒逼著攻關(guān)團(tuán)隊(duì)必須構(gòu)建一個全病圃的抗病品種——新的棉花品種必須對4種變異致病菌都有抗性，才能保證棉花免遭黃萎病侵害。
不過，要想在眾多棉花品種中找到合適的抗源并選育出抗病種，無異于大海撈針。因此，他們必須弄清棉花的抗病機(jī)制。
課題團(tuán)隊(duì)通過多雜交組合單一菌系和復(fù)合菌系接種抗病鑒定與遺傳分析發(fā)現(xiàn)，棉花對黃萎病抗性并非單個基因作用，而是由多個主效基因協(xié)同控制。
“黃萎病難治就在于此，多個主效基因控制，我們只轉(zhuǎn)移一個兩個抗病基因根本不靈。”戴小楓打了一個形象的比方：“就像吃饅頭，吃一個兩個吃不飽，必須得吃夠數(shù)。”
在此基礎(chǔ)上，研究人員克隆并鑒定了5個主效抗病基因的功能，從分子水平上弄清了棉花的抗病機(jī)理：抗病基因協(xié)同識別病原菌效應(yīng)子，通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)激活乙烯和茉莉酸信號，調(diào)控胞壁蛋白合成以增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)木質(zhì)化水平——細(xì)胞木質(zhì)化強(qiáng)，毒素蛋白在棉花內(nèi)便無計(jì)可施。
至此，棉花抗黃萎病的“多基因協(xié)同控制理論”建立。
不做“愚公”
下一步就是找抗原材料。戴小楓注意到，育種專家在陸地棉里找抗原材料，找了上百年都沒找到，意味著只在陸地棉里找抗原是“死路一條”。于是，他把目光瞄向了海島棉。海島棉雖然產(chǎn)量、品質(zhì)都不行，但它們抗病性好。就像當(dāng)年袁隆平尋找“野敗”一樣，海島棉身上極有可能攜帶著攻克黃萎病的“秘密武器”。
但在抗病品種選育之前，戴小楓等人還需要解決一個難題：如何快速準(zhǔn)確地鑒定所育品種的抗性。戴小楓告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，傳統(tǒng)苗期鑒定，需要在接種以后觀察28天，才能確定抗病情況。這種尺度的鑒定周期，對于要從成千上萬的材料中選育抗病品種的工作而言，不啻于“愚公移山”。
攻關(guān)團(tuán)隊(duì)不甘做“愚公”。在前述研究工作的基礎(chǔ)上，研究人員想到了毒素濃度與葉片黃萎化程度存在相關(guān)性，于是由此著手，建立了毒素濃度與葉片黃化面積關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，創(chuàng)建了一套特異、靈敏、高通量的“毒素粗篩法”，一下子將篩選抗病株的周期從28天縮短到兩天。
此外，他們還分離、培養(yǎng)高致病型單孢菌系，直接接種到裸根觀察植株，這樣一來，就可以高效、準(zhǔn)確地鑒定抗病株。“裸根復(fù)篩法”鑒定周期是14天，效率是傳統(tǒng)方法的2倍。
在篩選的抗病株成株期，研究人員還通過每克土壤孢子數(shù)量與病指之間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，創(chuàng)建了定量、連續(xù)、高選擇壓負(fù)荷的鑒定病圃，以確保病圃苗期、成株期抗性鑒定的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
這還不夠，戴小楓告訴記者，為了確保田間病圃抗性鑒定的表現(xiàn)型與基因型高度一致，他們還研究開發(fā)出抗性基因分子標(biāo)記6個，用以抗病基因跟蹤檢測。這樣一來，棉株是否真的具有抗性，是“李逵”還是“李鬼”一測便知。
“抗病基因檢測技術(shù)的應(yīng)用，使得抗性株系選擇準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上。”戴小楓說。
實(shí)質(zhì)性突破的新時代
有了這些技術(shù)積累，抗病棉種的選育工作就水到渠成了。繼對1112份陸地棉進(jìn)行抗性鑒定之后，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)又對317份海島棉種質(zhì)資源進(jìn)行了黃萎病抗性鑒定，果然得到了積極的反饋：篩選出“多毛早”“新海4號”等高抗海島棉種質(zhì)46份。他們隨即用“多毛早”為父本、豐產(chǎn)性較好的中99 為母本雜交選育出第一個抗黃萎病棉花品種“中植372”。黃萎病發(fā)病率試驗(yàn)結(jié)果顯示，與感病對照“魯棉11”、抗病對照“中棉所12”相比，“中植372”的發(fā)病率只有10.4%，對黃萎病達(dá)到“高抗”級。
乘勝追擊。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)從“中植372”等162份抗黃萎病材料中選育，得到了突破性抗黃萎病新品種——“中植棉2號”。該品種抗性優(yōu)異，2004—2005年國家區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果表明，“中植棉2號”黃萎指數(shù)僅為11.1，達(dá)到抗級，對枯萎病由抗提高到免疫水平，抗蟲性由中抗提高到高抗，實(shí)現(xiàn)了棉花對黃萎病由耐到抗的實(shí)質(zhì)性突破。
基于以上優(yōu)點(diǎn)，“中植棉2號”2007年至今連續(xù)9年為國家黃河流域區(qū)“試抗黃萎病對照標(biāo)桿品種”，農(nóng)業(yè)部連續(xù)6年推介“中植棉2號”等為主導(dǎo)栽培品種，近10年來該品種棉花推廣面積已逾8000萬畝。
戴小楓還告訴記者，課題共培育出“中植棉2號”“新植雜2號”“新陸中46號”等14個抗黃萎病棉花新品種，其中已有7個品種通過國審，6個通過省審。值得一提的是，2012年在新疆庫爾勒尉犁縣種植的“新陸中46號”還創(chuàng)下了連片百畝方畝產(chǎn)814公斤籽棉的產(chǎn)量紀(jì)錄。
由中科院院士朱玉賢、中國工程院院士喻樹迅等組成的專家組一致認(rèn)為，這一成果總體水平國際先進(jìn)，其中抗病性鑒定技術(shù)和棉花抗黃萎病新品種選育技術(shù)居國際領(lǐng)先地位。該項(xiàng)突破2014年被授予國際“金袋鼠創(chuàng)新獎”，是繼袁隆平、趙久然之后，我國科學(xué)家再次獲得的國際榮譽(yù)。
一度令國內(nèi)外同行束手無策的棉花“癌癥”黃萎病，就這樣由中國農(nóng)科院植物保護(hù)研究所、農(nóng)產(chǎn)品加工所和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位組成的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)攻克了。而抗黃萎病棉花品種的選育和推廣，終結(jié)了我國棉花生產(chǎn)無抗黃萎病品種可種的難題，我國棉花生產(chǎn)由此進(jìn)入了有抗黃萎病品種的新時代。
更重要的是，正如前文所說，黃萎病對作物的侵害不限于棉花。而抗病品種一旦在棉花上取得突破以后，對其他作物的抗病育種也具有方法和原理上的借鑒作用。
黃萎病菌還會變異嗎？答案是“會的”。戴小楓告訴記者，遺傳規(guī)律告訴我們，棉花黃萎病制病性變異與棉花的抗病是一場沒有止境的馬拉松賽跑，但只要掌握了根治的“法寶”，我們就一定能在這場賽跑中不斷取得勝利。
