條銹病被稱(chēng)為小麥的“癌癥”，新中國(guó)成立以來(lái)先后發(fā)生過(guò)8次大流行，防治后仍累計(jì)損失小麥138億公斤。
因此，我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部將條銹病列為一類(lèi)農(nóng)作物病害。
西北農(nóng)林科技大學(xué)植物免疫團(tuán)隊(duì)歷時(shí)18年首次發(fā)現(xiàn)了小麥中協(xié)助條銹菌感染的“真兇”——感病基因，并利用基因編輯技術(shù)使小麥不易受條銹菌侵染的同時(shí)保持小麥產(chǎn)量不降低，開(kāi)辟了抗病小麥育種的新思路和新途徑。
自然條件下小麥感染條銹菌。
“升級(jí)打怪”：抗病基因后勁不足
小麥?zhǔn)侨澜绶N植最廣泛的禾谷類(lèi)作物之一，為全球超過(guò)25億人口提供主食，是最重要的糧食作物。
然而，病蟲(chóng)害常造成小麥產(chǎn)量重大損失，嚴(yán)重威脅糧食安全。
中國(guó)工程院院士康振生告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，作為一種靠空氣傳播的真菌病害，條銹病是小麥頭號(hào)重大生物災(zāi)害，在全世界小麥種植區(qū)均有發(fā)生。
我國(guó)一直是發(fā)病最重的區(qū)域，該病在一般年份會(huì)導(dǎo)致小麥10%~30%的產(chǎn)量損失，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致小麥絕產(chǎn)。
1950年，小麥條銹病在我國(guó)大流行，造成的產(chǎn)量損失占當(dāng)年小麥總產(chǎn)量的41.37%。因而，小麥條銹病有效防控對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要意義。
“培育和種植抗病品種是防控條銹病最為安全經(jīng)濟(jì)有效的措施。”康振生說(shuō)。
傳統(tǒng)方法主要利用抗病基因培育品種，抗病基因介導(dǎo)的抗性強(qiáng)，但容易被病菌克服，導(dǎo)致病害流行成災(zāi)。
上世紀(jì)50年代以來(lái)，我國(guó)小麥主栽品種利用Yr1、Yr9、Yr26等抗病基因，突破了一輪又一輪的病菌圍攻，為保障我國(guó)小麥安全生產(chǎn)作出了巨大貢獻(xiàn)。
但隨著病菌“升級(jí)換代”，病害防控越來(lái)越被動(dòng)，能夠用來(lái)“打怪”的抗病基因數(shù)量在減少。
西北農(nóng)林科技大學(xué)教授王曉杰告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，因?yàn)樾←溒贩N在生產(chǎn)上大規(guī)模推廣3到5年后，病菌變異產(chǎn)生的新毒性菌系常常能夠突破品種的抗性。
此外，用傳統(tǒng)方法培育一個(gè)抗病品種，至少要花費(fèi)10年左右的時(shí)間。
“品種抗性喪失年限明顯快于品種培育年限，因而，用來(lái)有效應(yīng)對(duì)小麥條銹病的品種越來(lái)越少，抗病資源也日益匱乏。”王曉杰說(shuō)。
如何打破這一困境？除了抗病基因之外，還有與病原菌密切相關(guān)的感病基因。于是科學(xué)家將目光投向了感病基因。
感病基因是病原菌侵染并致病所必需的寄主基因。
相較于抗病基因，由感病基因突變所介導(dǎo)的抗性具有持久性與廣譜特性。
“修飾編輯感病基因是作物抗性改良的重要新途徑。”康振生說(shuō)，但感病基因的多效性帶來(lái)的負(fù)面作用限制了其應(yīng)用，如感病基因突變可導(dǎo)致其本身生理功能喪失，影響植物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量等性狀，“找到能被利用的感病基因一直是植物病理學(xué)和作物抗病育種中的重點(diǎn)和難點(diǎn)”。
接力科研：掀開(kāi)感病基因神秘面紗
原來(lái)，小麥條銹菌為活體營(yíng)養(yǎng)寄生真菌，侵染時(shí)通過(guò)吸器從寄主細(xì)胞汲取營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)向寄主小麥分泌毒性效應(yīng)子，效應(yīng)子通過(guò)操縱寄主感病基因或其它途徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)寄主小麥的侵染致病。
西北農(nóng)林科技大學(xué)博士后王寧說(shuō)：“感病基因是病原菌成功侵染、定殖和繁殖所必需的，解析感病基因的作用機(jī)制，為深入了解條銹菌的侵染致病本質(zhì)、開(kāi)發(fā)病害防控策略提供了科學(xué)依據(jù)。”
該團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事小麥條銹病可持續(xù)控制應(yīng)用與基礎(chǔ)研究。
由于小麥條銹菌不能人工培養(yǎng)，無(wú)法進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，該團(tuán)隊(duì)就從小麥與條銹菌互作入手，以期找到小麥條銹菌關(guān)鍵致病因子和感病基因。
這場(chǎng)與病菌長(zhǎng)達(dá)18年的“賽跑”從王曉杰做博士論文開(kāi)始。
2004年，王曉杰在康振生的指導(dǎo)下開(kāi)始研究小麥與條銹菌互作的分子機(jī)理。
2007年，他在做條銹菌侵染小麥后的基因表達(dá)實(shí)驗(yàn)期間，找到了一個(gè)在小麥中從未見(jiàn)過(guò)的基因，并將其命名為T(mén)aPsIPK1。
他發(fā)現(xiàn)，將該基因沉默，可降低小麥條銹病的感病性；而過(guò)表達(dá)該基因則增強(qiáng)小麥對(duì)條銹菌的感病性，介導(dǎo)小麥感染條銹病。
但礙于當(dāng)年的技術(shù)水平和硬件設(shè)施的限制，博士期間，王曉杰始終沒(méi)揭開(kāi)這段基因的神秘面紗。
不過(guò)，他堅(jiān)信這段基因背后藏著一個(gè)重要的秘密。
轉(zhuǎn)眼11年過(guò)去，當(dāng)年的博士已是博導(dǎo)。王寧成為王曉杰的第一位弟子。
王曉杰第一時(shí)間把那段讓他一直惦念的基因“拿”出來(lái)，作為禮物送給王寧，期待她能揭開(kāi)“潘多拉魔盒的秘密”，厘清這段基因和小麥條銹病之間撲朔迷離的關(guān)系。
設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、研究實(shí)驗(yàn)可行性、推敲每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)……盡管困難重重，團(tuán)隊(duì)成員從不輕言放棄，踏上了這條充滿未知的路。
最終，該團(tuán)隊(duì)挖掘出全球首個(gè)被病菌毒性蛋白利用的小麥感病基因TaPsIPK1——編碼胞質(zhì)類(lèi)受體蛋白激酶。
西北農(nóng)林科技大學(xué)副研究員湯春蕾介紹，感病基因TaPsIPK1負(fù)調(diào)控小麥的基礎(chǔ)免疫，能夠被條銹菌分泌的毒性蛋白劫持，從細(xì)胞質(zhì)膜釋放進(jìn)入細(xì)胞核，在細(xì)胞核操縱轉(zhuǎn)錄因子，抑制抗性相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，增強(qiáng)感病基因的轉(zhuǎn)錄水平，放大感病基因介導(dǎo)的感病效應(yīng)，促進(jìn)小麥感病。
保障穩(wěn)產(chǎn)：
實(shí)現(xiàn)種源自主可控
鑒定了全球首個(gè)小麥條銹病感病基因，團(tuán)隊(duì)成員們都很興奮。他們期望驗(yàn)證其在小麥中的應(yīng)用潛力。
西北農(nóng)林科技大學(xué)博士生樊昕介紹，他們利用基因編輯技術(shù)精準(zhǔn)敲除了該感病基因，破壞了毒性蛋白和感病基因的識(shí)別和互作。
令人振奮的是，該小麥編輯品系實(shí)現(xiàn)了對(duì)我國(guó)條銹菌3個(gè)主要流行小種的持久廣譜抗性，并兼抗小麥葉銹病。
田間試驗(yàn)證明，該小麥編輯品系還可維持千粒重、株高、分蘗數(shù)等主要農(nóng)藝性狀，即保持產(chǎn)量穩(wěn)定。
2020年到2021年，陜西省條銹病大流行，田間種植的小麥條銹病感病基因編輯品系表現(xiàn)出高抗條銹病的特性。
“小麥編輯品系在保持作物主要性狀品質(zhì)的前提下，展現(xiàn)出了高抗條銹病的特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用潛力。這是可用于小麥抗病改良的感病基因。”王曉杰說(shuō)。
康振生指出，小麥感病基因的發(fā)現(xiàn)是植物與病原菌互作領(lǐng)域的重大突破，標(biāo)志著我國(guó)在該領(lǐng)域邁出了一大步。
該成果打破了目前小麥主要利用抗病基因育種的傳統(tǒng)思路，豐富了抗病育種可利用的基因類(lèi)型，開(kāi)辟了小麥生物育種新途徑，為我國(guó)現(xiàn)代生物育種和病害綠色防控提供了科技支撐。
中國(guó)工程院院士陳劍平評(píng)價(jià)說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)破壞病菌效應(yīng)子與小麥感病基因的互作，創(chuàng)制了具有廣譜持久抗性的小麥材料，在田間展示了巨大的應(yīng)用前景。
這項(xiàng)研究工作兼具理論突破性與生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值，是植物病理學(xué)與作物抗病育種領(lǐng)域標(biāo)志性成果。
“種業(yè)正邁入生物技術(shù)、信息技術(shù)、工程技術(shù)等多學(xué)科高度交叉、高度融合的新階段，逐步成為新一代技術(shù)革命的關(guān)鍵領(lǐng)域，優(yōu)異種質(zhì)與基因資源是種業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵，誰(shuí)先獲得了作物基因資源、破解了基因的功能，誰(shuí)就擁有了種業(yè)的話語(yǔ)權(quán)和主導(dǎo)地位。”
中國(guó)工程院院士許為鋼說(shuō)，西北農(nóng)林科技大學(xué)植物免疫研究團(tuán)隊(duì)在小麥感病基因鑒定與利用方面的原創(chuàng)性重大成果，是實(shí)現(xiàn)種源自主可控、提升種業(yè)原始自主創(chuàng)新能力的跨越性突破，開(kāi)啟了我國(guó)種業(yè)自主創(chuàng)新的新篇章。
