《中國科學報》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)濟損失200億元。黃萎病的肆虐讓許多棉花人對2002年的“棉災”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的最經(jīng)濟有效的防控途徑。然而，長期以來，黃萎病的為害機理不清、棉花抗病機制不明，“兩眼一抹黑”，抗病品種的選育無從下手，一直是世界性難題。
情況在一項專門針對棉花黃萎病的“863”計劃課題下，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機。
主持該課題的是植保研究出身的中國農(nóng)業(yè)科學院農(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，戴小楓領導的攻關團隊一頭鉆進去就是二十多年。
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，弄清黃萎病致病機理、棉花抗病機制是必由之路和突破口。攻關團隊通過調(diào)查統(tǒng)計、實地勘訪，并借助分子生物技術(shù)細致研究，拿到了我國棉花黃萎病第一手的流行病學材料。
戴小楓等人統(tǒng)計發(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)導致2/3棉田受災。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：致病性變異導致強致病型菌系的比例快速上升。
在此基礎上，他們開發(fā)了58個鑒定變異型的分子標記，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鍵——毒素蛋白參與了降解果膠和纖維素，阻塞導管營養(yǎng)與水分運輸，最終導致棉花“黃萎”。
“我們的研究證明了毒素是因、阻塞是果，兩者共同導致了對棉花的‘黃萎’危害。”戴小楓告訴《中國科學報》記者，“這澄清了國際學術(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，倒逼著攻關團隊必須構(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制。
課題團隊通過多雜交組合單一菌系和復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理：抗病基因協(xié)同識別病原菌效應子，通過信號轉(zhuǎn)導激活乙烯和茉莉酸信號，調(diào)控胞壁蛋白合成以增強細胞內(nèi)木質(zhì)化水平——細胞木質(zhì)化強，毒素蛋白在棉花內(nèi)便無計可施。
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：如何快速準確地鑒定所育品種的抗性。戴小楓告訴《中國科學報》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”。
攻關團隊不甘做“愚公”。在前述研究工作的基礎上，研究人員想到了毒素濃度與葉片黃萎化程度存在相關性，于是由此著手，建立了毒素濃度與葉片黃化面積關系的數(shù)學模型，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、準確地鑒定抗病株。“裸根復篩法”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)量與病指之間的關系建立數(shù)學模型，創(chuàng)建了定量、連續(xù)、高選擇壓負荷的鑒定病圃，以確保病圃苗期、成株期抗性鑒定的準確性和穩(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)的應用，使得抗性株系選擇準確率達到95%以上。”戴小楓說。
實質(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份陸地棉進行抗性鑒定之后，攻關團隊又對317份海島棉種質(zhì)資源進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%，對黃萎病達到“高抗”級。
乘勝追擊。攻關團隊繼續(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)域試驗結(jié)果表明，“中植棉2號”黃萎指數(shù)僅為11.1，達到抗級，對枯萎病由抗提高到免疫水平，抗蟲性由中抗提高到高抗，實現(xiàn)了棉花對黃萎病由耐到抗的實質(zhì)性突破。
基于以上優(yōu)點，“中植棉2號”2007年至今連續(xù)9年為國家黃河流域區(qū)“試抗黃萎病對照標桿品種”，農(nóng)業(yè)部連續(xù)6年推介“中植棉2號”等為主導栽培品種，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為，這一成果總體水平國際先進，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)居國際領先地位。該項突破2014年被授予國際“金袋鼠創(chuàng)新獎”，是繼袁隆平、趙久然之后，我國科學家再次獲得的國際榮譽。
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)科院植物保護研究所、農(nóng)產(chǎn)品加工所和南京農(nóng)業(yè)大學等單位組成的攻關團隊攻克了。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。
