为小麦治“癌”

　　植物免疫团队合影

　　西北农林科技大学科研专家收获小麦育种材料。本报记者 仵永杰文/图

　　锈菌基因和植物抗病基因是同步进化的。因此，“消灭”锈菌是一件艰巨的任务。

　　作为小麦条锈病病原的条锈菌，通过高空气流远距离传播，随降雨或结露通过气孔入侵小麦表皮而使其感病。同时，条锈菌频繁变异，新的条锈菌致病小种不断出现，常常导致小麦“丧失”抗条锈特性。

　　我国是小麦条锈病发病最为严重的区域之一，经防治后小麦仍累计减产达138亿公斤。多年来，条锈菌与植物的“战争”始终进行着，而西北农林科技大学在攻克小麦条锈病的道路上也在不断前进。7月14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十余年的研究成果：发现小麦中协助条锈菌感染的“真凶”——感病基因。

　　发现“叛徒”

　　小麦是世界上种植最为广泛的禾谷类作物之一，为全球超过25亿人提供主食。中国是世界上最大的小麦生产国与消费国之一，年种植小麦面积2400万公顷左右、产量近1.3亿吨。然而，气传性真菌病害条锈病犹如“悬顶之剑”威胁着小麦生产。当我们在享用面包、馒头、啤酒等食物时，可能还不知道，在变成食物之前，作为原料的小麦植株已与条锈菌“短兵相接”多次。

　　研究与生产实践表明，培育、推广抗病小麦品种一直是最为经济有效且绿色环保的条锈病防治措施。然而，由于条锈菌毒性变异而不断出现新致病类型和优势生理小种，导致小麦抗病主栽品种在使用3至5年后“丧失”抗病性，由此造成严重的经济损失并引发新一轮品种更替。简而言之，面对小麦抗病基因，条锈菌并非“束手就擒”，而是“奋起操戈”。

　　解决问题的关键在于思路方法，从不同角度分析问题往往会有意想不到的收获。在经典遗传育种中，育种专家观察小麦植株的各种农艺性状，通过杂交筛选符合预期性状的基因。杂交筛选的基因多为正调控的，但还有许多负调控基因（如感病基因）是被育种专家所忽视的，因为负调控基因对于小麦的抗性是不利的。

　　反向思维在此项研究中得到运用，从负调控基因感病基因着手也能发现打败条锈病的方法。西北农林科技大学植物免疫团队王晓杰教授称，感病基因是病原菌成功侵染和繁殖所必需的，由感病基因突变所介导的抗性常具持久与广谱特性，因此修饰编辑感病基因是作物抗性改良的重要新途径，团队的研究目标就是找到小麦中的感病基因并揭示其被条锈菌操纵利用的过程。

　　早在2004年，王晓杰就跟随植物病理学专家、西北农林科技大学植物保护学院康振生教授读博士。在做条锈菌相关实验时，他在小麦材料中发现一个从未见过的基因片段。“条锈菌在侵染小麦时，这个基因的‘表达’比较高。由此可见，条锈菌在发挥作用时非常需要这个基因。同时，我们利用技术让这个基因失去作用，小麦材料表现出极其明显的抗锈特征。”王晓杰回忆。但由于当时技术和人力所限，加之小麦全基因组测序在当时还未实现，因此关于这个基因的研究并没有推进。

　　2015年，王晓杰作为博士生导师将这个基因郑重地交给自己第一位博士生王宁，并对她讲述这个基因的功能及发现过程，期待她揭开基因与小麦条锈病之间扑朔迷离的关系——小麦自身为什么会产生这个负调控的感病基因感病基因与条锈菌互作背后的原因和机理是怎样的感病基因是如何被条锈菌“劫持”并操纵成为“叛徒”的一系列问题等着植物免疫团队去解答。

　　让基因“改邪归正”

　　2015年9月，在王晓杰教授的指导下，王宁和团队成员创制了稳定沉默的小麦植株材料。然后，团队开始对小麦植株进行抗性鉴定，观察小麦植株对条锈菌的反应状态及程度。团队成员发现，在感病基因沉默的小麦植株中，条锈菌因缺失感病基因导致发育畸形，部分条锈菌不能突破小麦表皮而使其感病。

　　通过实验，团队成员断定条锈菌确实能够操控感病基因而使小麦致病，但明确这个过程具体的发生机理是一项艰巨的任务。王宁说：“2016年，团队的实验刚刚起步，成员对实验操作并不是非常熟悉，团队要用多种方法验证每一个猜想，因此工作效率比较低而且花费时间比较长。”不过，王宁非常喜欢做实验，几乎每天要去实验室，她说：“待在实验室对我来说是一件很开心的事，做自己喜欢的事情是不会累的。”

　　2022年，团队明确这个特别的基因为小麦中被病原菌效应子“劫持”的感病基因，阐明感病基因作为小麦基础免疫负调控因子，被条锈菌效应子利用并放大负调控作用，打破小麦的抗病反应从而导致感病的分子机理。“相当于条锈菌将感病基因‘策反’并‘收买’，然后进到细胞核中去感病。我们的最终目标是通过基因编辑将感病基因‘敲除’，使感病基因‘改邪归正’。”王晓杰解释。

　　2022年7月，团队将研究成果论文投给《细胞》期刊后，编辑提出修改意见并要求补充实验，审稿意见至少有23页。在补充实验阶段，西北农林科技大学植物保护学院博士生樊昕和团队成员承担了大量的工作。“《细胞》期刊编辑对研究提出许多意见，老师对实验的严谨程度和图片质量要求很高。我们必须抓紧时间补充实验，任务重、压力大。”樊昕说。今年2月，樊昕为了在实验中得到一张比较完美的资料图片，有一周时间是睡在实验室的。

　　在论文修改阶段，西北农林科技大学植物保护学院副研究员汤春蕾主要负责实验方案设计、实验数据把关等任务。她说：“经过近两年时间的补充实验，我们对论文进行大幅修改——补充数据、调整逻辑。同时，我们引用同行业最新的研究成果，切中研究成果对科研及生产的现实意义。”汤春蕾的压力一直很大，加班到凌晨两三点是经常的事儿。编辑提出的意见确实非常有挑战性，她有时甚至会想“对方是不是在故意刁难”。

　　为种业自主创新贡献力量

　　今年5月，论文在修改后又一次投递给《细胞》期刊。经过一段时间的检查和校对后，《细胞》期刊正式接收论文并回复：“令人难以置信的研究，你们的毅力与恒心值得赞扬。”

　　“小麦基因组体量庞大、生长周期较长，因此针对小麦的感病基因研究任务比较艰巨。我们将发现的感病基因‘敲除’后，小麦材料体现出一定的抗锈性，而且它的产量等农艺性状没有受影响，这对小麦育种具有非常良好的应用价值。”王晓杰说。

　　“小麦感病基因的发现及机理研究兼具理论性突破和生产应用价值，此项工作不仅是国际上病菌与植物互作研究领域的重大突破，也是基于理论发现服务农业生产的重要创新，是服务国家重大需求的重要体现，为我国现代生物育种开辟新思路和新途径。”康振生院士说。

　　中国工程院院士、植物病理学专家陈剑平称，西北农林科技大学植物免疫团队的此项研究堪称植物与病原菌互作研究领域的标志性成果，是植物病理学与作物抗病育种行业的重大成果。团队长期从事小麦条锈病可持续控制应用与基础研究，从小麦与条锈菌互作入手鉴定到小麦感病基因，并通过破坏病菌效应子与小麦感病基因的互作，创制具有广谱持久抗性的小麦材料，展示出巨大的应用前景。

　　中国工程院院士、小麦育种专家许为钢称，西北农林科技大学植物免疫团队对于小麦感病基因的鉴定与利用开启了我国种业自主创新的新篇章，为作物抗病育种开辟新路径、创新新技术、提供新材料。种业科技创新处于农业产业链的源头，正迈入生物技术、信息技术、工程技术等多学科高度交叉、高度融合的新阶段。优异种质与基因资源是种业创新的关键，团队在小麦感病基因鉴定与利用方面的原创性重大成果是实现种源自主可控，提升种业原始自主创新能力的跨越性突破。

　　在谈到研究成果时，王晓杰教授坦言：“团队的成绩是在李振岐院士与康振生院士两代科学家奋斗的基础上取得的。康老师时常对团队成员讲，各项研究要围绕生产需求，科研成果要服务于国家农业生产。下一步，团队将不忘科研初心，继续学习老一辈农业科学家无私奉献、专注科研的精神，做实做好基础研究，为我国小麦育种事业贡献力量。”

　　来源：陕西日报

　　编辑：002