科技日?qǐng)?bào)記者 王延斌 通訊員 王靜

小麥條銹病是一種流行性重大病害，可致小麥減產(chǎn)甚至絕收，其防控更是世界性難題。8月18日，科技日?qǐng)?bào)記者從山東農(nóng)業(yè)大學(xué)了解到，由該校付道林教授領(lǐng)銜的小麥生物育種團(tuán)隊(duì)建立了快速基因克隆技術(shù)體系——性狀關(guān)聯(lián)突變體測(cè)序技術(shù)，在小麥中克隆到一個(gè)新型抗小麥條銹病基因YrNAM，為小麥的抗病機(jī)理研究、生物育種和種質(zhì)創(chuàng)新提供了重要的基因資源及技術(shù)支撐。這一科研成果近日在線發(fā)表于《自然·通訊》。

小麥條銹病的危害是什么？為什么要克隆新的抗病基因？上述發(fā)現(xiàn)有何意義？帶著這些問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了該團(tuán)隊(duì)。

(資料圖)

小麥條銹病對(duì)糧食安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅

“小麥條銹病是世界范圍內(nèi)嚴(yán)重危害小麥生產(chǎn)的重要流行性病害，對(duì)國(guó)家糧食安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。”付道林向記者表示。中國(guó)是世界上小麥條銹病發(fā)生面積最大、危害損失最重的國(guó)家之一。2020年，小麥條銹病被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部列入《一類農(nóng)作物病蟲(chóng)害名錄》。付道林說(shuō)，從苗期、拔節(jié)期、開(kāi)花期，一直到成熟期，小麥在整個(gè)生育期均可被小麥條銹菌侵害。小麥條銹病可使小麥生長(zhǎng)發(fā)育受到多方面的影響，最終導(dǎo)致小麥產(chǎn)量的損失。小麥條銹病一般流行年份常引起減產(chǎn)5%—10%，個(gè)別流行年份可引起減產(chǎn)25%，發(fā)病嚴(yán)重田塊可導(dǎo)致60%以上的減產(chǎn)甚至顆粒無(wú)收。

如今，對(duì)我國(guó)四川省、陜西省、甘肅省、湖北省十堰市、河南省信陽(yáng)市等地來(lái)說(shuō)，小麥條銹病仍是當(dāng)?shù)匦←溕a(chǎn)的第一大病害。

在付道林看來(lái)，小麥條銹菌流行速度快、發(fā)生區(qū)域廣，可隨高空氣流傳播，其防控是世界性難題?？寺⌒碌目共』?，選育和推廣利用抗小麥條銹病小麥品種，是降低小麥條銹病危害最綠色安全、最經(jīng)濟(jì)有效的措施。盡管國(guó)內(nèi)外不少高校院所都在針對(duì)小麥條銹病防控展開(kāi)研究，不過(guò)由于小麥基因組龐大、基因復(fù)雜，長(zhǎng)期以來(lái)開(kāi)展小麥關(guān)鍵基因的克隆非常困難。據(jù)了解，在抗小麥條銹病基因研究領(lǐng)域，目前國(guó)際上僅有不足十個(gè)基因得以成功克隆。

據(jù)了解，影響小麥條銹病發(fā)生和流行的環(huán)境條件主要是雨水與氣溫。比如夏季多雨，有利于越夏菌源繁殖；冬季氣溫偏高，有利于菌源越冬；春季雨露充沛，促進(jìn)病菌侵染、發(fā)展和蔓延。反之，早春干旱，病葉枯死可延緩病害流行。

培育抗病品種抵御小麥條銹病

小麥條銹病具有分布廣泛、病原菌生理小種復(fù)雜多變等特點(diǎn)，常常導(dǎo)致小麥抗病品種抗性頻繁喪失。因此，小麥條銹病的抗源發(fā)掘和抗病基因鑒定一直是植物病理學(xué)與遺傳育種學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)、難點(diǎn)和重點(diǎn)。

專家認(rèn)為，防治小麥條銹病可以通過(guò)使用化學(xué)藥劑；還可使用物理方法，在小麥生長(zhǎng)期進(jìn)行適量清茬等防止病害發(fā)生。但應(yīng)用抗病品種是防治小麥條銹病最經(jīng)濟(jì)、有效、安全的途徑。傳統(tǒng)育種中，一般利用抗病基因培育抗病品種。

“在我國(guó)，育種家利用抗病基因Yr1、Yr9和Yr26等培育的抗病品種，為小麥條銹病防控作出了重大貢獻(xiàn)。”上述論文共同通訊作者、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院教授吳佳潔表示，大面積種植單一抗病基因品種，常導(dǎo)致病原菌新毒性小種的出現(xiàn)，并逐漸形成優(yōu)勢(shì)小種，使小麥抗病品種喪失抗病性，病害暴發(fā)流行。

此次團(tuán)隊(duì)研發(fā)的性狀關(guān)聯(lián)突變體測(cè)序技術(shù)，就是為了解決抗小麥條銹病基因缺乏、基因克隆困難等問(wèn)題。吳佳潔介紹，該技術(shù)不需要構(gòu)建精細(xì)遺傳圖譜，無(wú)需獲得親本材料的參考基因組，可實(shí)現(xiàn)小麥目標(biāo)基因的快速克隆，并且經(jīng)濟(jì)有效。

新基因的獲得，是開(kāi)展生物育種的前提。如今，YrNAM基因的克隆為通過(guò)生物育種策略開(kāi)展抗小麥條銹病育種創(chuàng)造了條件。在吳佳潔看來(lái)，新克隆的YrNAM代表著一類新的抗病基因，同時(shí)，其對(duì)多個(gè)小麥條銹菌生理小種具有高水平抗病性，這意味著它具有潛在的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的專家們對(duì)數(shù)百份小麥品種進(jìn)行了分子標(biāo)記檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)有品種攜帶YrNAM基因。另外，序列分析結(jié)果表明，在目前已測(cè)序的普通小麥基因組中未發(fā)現(xiàn)YrNAM基因，這意味著全新的YrNAM基因?qū)τ诤Y選新的小麥條銹病抗源、創(chuàng)制抗小麥條銹病新種質(zhì)意義重大。

發(fā)掘更廣泛的抗病基因類型刻不容緩

談及小麥條銹病防治仍面臨哪些挑戰(zhàn)時(shí)，付道林表示：“小麥條銹菌變異迅速，可通過(guò)基因突變、有性生殖等諸多變異途徑產(chǎn)生大量新毒性小種。小麥品種大規(guī)模推廣3年到5年后，病菌變異產(chǎn)生的新毒性菌系就可能‘攻破’品種的抗性，導(dǎo)致病害成災(zāi)?！?/p>

小麥條銹菌隨著高空氣流飛往全國(guó)各地，讓無(wú)數(shù)麥農(nóng)深受其害。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，盡管我國(guó)對(duì)小麥條銹病的防治工作十分重視，投入了大量人力、物力、財(cái)力，不斷提升防治技術(shù)，但對(duì)付“狡猾”的病原菌，還有很長(zhǎng)的路要走。

“縱觀我國(guó)小麥條銹病的發(fā)生流行與防治歷史，小麥常常處于條銹菌流行的威脅之中。因此，加強(qiáng)小麥條銹病綜合治理理論與技術(shù)研究，實(shí)施源頭治理戰(zhàn)略，建立持久防控機(jī)制，對(duì)于保障國(guó)家小麥生產(chǎn)安全和糧食安全至關(guān)重要?！备兜懒痔岬?，一方面，培育一個(gè)抗病品種需要花費(fèi)10年左右的時(shí)間，品種抗病性喪失年限明顯短于品種培育年限。他認(rèn)為，病菌新毒性小種的產(chǎn)生和發(fā)展是導(dǎo)致品種抗病性“喪失”的主要原因，抗病品種的不合理布局和品種抗源的單一性，為新的毒性小種產(chǎn)生提供了條件。

另一方面，雖然抗病品種的選育與應(yīng)用在我國(guó)小麥條銹病防治中發(fā)揮了重要作用，但是抗病基因有限、優(yōu)異抗病種質(zhì)資源缺乏，導(dǎo)致抗病品種長(zhǎng)期滯后于小麥條銹病優(yōu)勢(shì)小種，同時(shí)缺乏抗小麥條銹病、赤霉病、白粉病等的多抗品種。

付道林表示，目前，小麥育種及生產(chǎn)中可利用的有效抗性基因較少，同時(shí)已有基因逐步失去其應(yīng)用價(jià)值，僅Yr5、Yr15及Yr61等少數(shù)抗病基因?qū)Ξ?dāng)前國(guó)內(nèi)小麥條銹菌流行小種仍表現(xiàn)出抗病性。因此，發(fā)掘更為廣泛的基因類型用于抗小麥條銹病育種已經(jīng)刻不容緩。

針對(duì)小麥條銹病的有效防控，付道林建議，一方面要明晰病原菌群體進(jìn)化和小麥抗病屬性，合理布局使用不同抗病品種，構(gòu)建不同麥區(qū)的生物屏障；另一方面要闡明病原菌致病機(jī)理和抗病基因的功能，利用新技術(shù)研發(fā)新機(jī)制、創(chuàng)制新抗源。

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