央广网北京7月22日消息 据中央广播电视总台中国之声《新闻超链接》报道,近日,国际顶级期刊《细胞》在线刊发西北农林科技大学植物免疫团队历经18年的研究成果——发现了小麦中协助条锈菌感染的“真凶”感病基因,并通过敲除感病基因,使得小麦不易遭受条锈菌的侵染,开辟了抗病小麦育种的新思路和新途径。

条锈病被农业农村部列为一类农作物病害。小麦条锈病可以说是小麦所面对的头号重大生物灾害。科学家如何找到并敲除感病基因?是否能用这样的方法攻克更多类似的问题?

 

危害全国的“小麦癌症”

西北农林科技大学教授、旱区作物逆境生物学国家重点实验室副主任王晓杰介绍,小麦条锈病是气传性的真菌病害,可以借助空气进行高空远距离传播,是小麦头号重大生物灾害,被称为“小麦癌症”,在全世界小麦种植区均有发生。

我国是小麦条锈病发病最为严重的区域之一,条锈病在我国形成独特的流行体系,包括越夏区、冬季繁殖区和春季流行区。越夏区主要在西北麦区,如甘肃、川西北地区,冬季繁殖区包括四川盆地、鄂西北、陕西南部和河南南部,春季流行区则主要在黄淮海大麦区。作为一种跨区域的重大经济病害,如果防控不到位,会造成小麦产量的巨大损失。1950年条锈病大流行时,导致60亿公斤的小麦产量损失,相当于国家小麦减产近一半。

正因如此,条锈病防治成为各地保障粮食产量的重要工作。传统防治条锈病的方法主要是在秋播时进行药剂拌种,或在病害发生时使用农药进行应急防控。王晓杰表示,最为有效的措施是抗病品种的使用,目前小麦育种在我国西部多个省份采取一票否决制,即小麦如果不抗条锈病,该品种便不能进行生产应用。近年来随着防控技术和方案的完善,条锈病在我国实现了可防可控的局面,年发生面积在2000万~3000万亩左右。

致病关键竟是病菌操纵基因

引起小麦条锈病的是条锈菌,学名条形柄锈菌小麦转化型。条锈菌是一种活体营养寄生真菌,必须依赖活体小麦才能生存。病菌从小麦气孔入侵,通过吸器从小麦细胞中汲取营养物质,同时向小麦分泌毒性效应子,通过操纵寄主感病基因或其它途径,实现对寄主小麦的侵染致病。

基于这一侵染过程,研究团队明确了破除条锈病的思路,即通过让感病基因和病原菌的毒性基因不能碰面,让病菌无法操纵感病基因。思路虽然明确,但找到小麦感病基因的过程依然艰辛。王晓杰表示,早期由于技术的限制以及小麦无法进行遗传操作的原因,团队决定从小麦与条锈菌的互作入手,通过病原菌侵染时小麦的基因表达情况,来筛选感病基因。

经过持续多年的研究,团队最终成功找到感病基因,并利用基因编辑技术精准敲除,破坏毒性蛋白和感病基因的识别和互作,实现小麦对条锈病的广谱抗性。并且,团队进行田间试验发现,小麦编辑品系除了抗性提高,对生长发育和农艺性状并无影响。

方法推广?没那么简单

利用基因编辑敲除感病基因提高作物抗性的方法具有广泛适用性,其他粮食作物和经济作物均可采用。但问题的关键在于,目前还没有能力弄清楚每一种作物的每一个基因具体承担何种角色,寻找到被利用的感病基因并不容易。王晓杰表示,“不同的作物基因不一样,小麦就有十几万个基因,要去弄明白每一个基因,其实还有很长的路要走。”

不仅如此,基因功能存在冗余性,即多种基因发挥同一作用,虽然单独敲除了某一基因,但其他基因会将这一基因的功能进行弥补。因此即便幸运地找到并敲除了感病基因,很可能也无法解除病害的威胁。

尽管小麦条锈病的感病基因已经找到,但王晓杰认为,还可能存在目前没有被发现的、能够被病菌更好地利用的感病基因。而每一种作物同时面临多种病害的威胁,这也意味着存在多种病原菌利用同一个关键基因的可能性。“找到被多种病原菌共同利用的基因,创制兼抗多种病害的材料,这是我们未来继续要去做的工作。”

监制:白中华

记者:鹤佳 杨扬

编辑:罗江 彭毓姬

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