條銹病被稱為小麥的“癌癥”，新中國成立以來先后發(fā)生過8次大流行，防治后仍累計損失小麥138億公斤。

      因此，我國農業(yè)農村部將條銹病列為一類農作物病害。

      西北農林科技大學植物免疫團隊歷時18年首次發(fā)現了小麥中協助條銹菌感染的“真兇”——感病基因，并利用基因編輯技術使小麥不易受條銹菌侵染的同時保持小麥產量不降低，開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。  

      “升級打怪”：抗病基因后勁不足

      小麥是全世界種植最廣泛的禾谷類作物之一，為全球超過25億人口提供主食，是最重要的糧食作物。

      然而，病蟲害常造成小麥產量重大損失，嚴重威脅糧食安全。

      中國工程院院士康振生告訴《中國科學報》，作為一種靠空氣傳播的真菌病害，條銹病是小麥頭號重大生物災害，在全世界小麥種植區(qū)均有發(fā)生。

      我國一直是發(fā)病最重的區(qū)域，該病在一般年份會導致小麥10%~30%的產量損失，嚴重時甚至導致小麥絕產。

      1950年，小麥條銹病在我國大流行，造成的產量損失占當年小麥總產量的41.37%。因而，小麥條銹病有效防控對保障我國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濟有效的措施。”康振生說。

      傳統(tǒng)方法主要利用抗病基因培育品種，抗病基因介導的抗性強，但容易被病菌克服，導致病害流行成災。

      上世紀50年代以來，我國小麥主栽品種利用Yr1、Yr9、Yr26等抗病基因，突破了一輪又一輪的病菌圍攻，為保障我國小麥安全生產作出了巨大貢獻。

      但隨著病菌“升級換代”，病害防控越來越被動，能夠用來“打怪”的抗病基因數量在減少。

      西北農林科技大學教授王曉杰告訴《中國科學報》，因為小麥品種在生產上大規(guī)模推廣3到5年后，病菌變異產生的新毒性菌系常常能夠突破品種的抗性。

      此外，用傳統(tǒng)方法培育一個抗病品種，至少要花費10年左右的時間。

      “品種抗性喪失年限明顯快于品種培育年限，因而，用來有效應對小麥條銹病的品種越來越少，抗病資源也日益匱乏。”王曉杰說。

      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的感病基因。于是科學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，但感病基因的多效性帶來的負面作用限制了其應用，如感病基因突變可導致其本身生理功能喪失，影響植物生長發(fā)育、產量等性狀，“找到能被利用的感病基因一直是植物病理學和作物抗病育種中的重點和難點”。

      接力科研：掀開感病基因神秘面紗

      原來，小麥條銹菌為活體營養(yǎng)寄生真菌，侵染時通過吸器從寄主細胞汲取營養(yǎng)，同時向寄主小麥分泌毒性效應子，效應子通過操縱寄主感病基因或其它途徑，實現對寄主小麥的侵染致病。

      西北農林科技大學博士后王寧說：“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制，為深入了解條銹菌的侵染致病本質、開發(fā)病害防控策略提供了科學依據。”

      該團隊長期從事小麥條銹病可持續(xù)控制應用與基礎研究。

      由于小麥條銹菌不能人工培養(yǎng)，無法進行遺傳轉化，該團隊就從小麥與條銹菌互作入手，以期找到小麥條銹菌關鍵致病因子和感病基因。

      這場與病菌長達18年的“賽跑”從王曉杰做博士論文開始。

      2004年，王曉杰在康振生的指導下開始研究小麥與條銹菌互作的分子機理。

      2007年，他在做條銹菌侵染小麥后的基因表達實驗期間，找到了一個在小麥中從未見過的基因，并將其命名為TaPsIPK1。

      他發(fā)現，將該基因沉默，可降低小麥條銹病的感病性；而過表達該基因則增強小麥對條銹菌的感病性，介導小麥感染條銹病。

      但礙于當年的技術水平和硬件設施的限制，博士期間，王曉杰始終沒揭開這段基因的神秘面紗。

      不過，他堅信這段基因背后藏著一個重要的秘密。

      轉眼11年過去，當年的博士已是博導。王寧成為王曉杰的第一位弟子。

      王曉杰第一時間把那段讓他一直惦念的基因“拿”出來，作為禮物送給王寧，期待她能揭開“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系。

      設計實驗方案、研究實驗可行性、推敲每個實驗環(huán)節(jié)……盡管困難重重，團隊成員從不輕言放棄，踏上了這條充滿未知的路。

      最終，該團隊挖掘出全球首個被病菌毒性蛋白利用的小麥感病基因TaPsIPK1——編碼胞質類受體蛋白激酶。

      西北農林科技大學副研究員湯春蕾介紹，感病基因TaPsIPK1負調控小麥的基礎免疫，能夠被條銹菌分泌的毒性蛋白劫持，從細胞質膜釋放進入細胞核，在細胞核操縱轉錄因子，抑制抗性相關基因的轉錄，增強感病基因的轉錄水平，放大感病基因介導的感病效應，促進小麥感病。

      保障穩(wěn)產：

      實現種源自主可控

      鑒定了全球首個小麥條銹病感病基因，團隊成員們都很興奮。他們期望驗證其在小麥中的應用潛力。

      西北農林科技大學博士生樊昕介紹，他們利用基因編輯技術精準敲除了該感病基因，破壞了毒性蛋白和感病基因的識別和互作。

      令人振奮的是，該小麥編輯品系實現了對我國條銹菌3個主要流行小種的持久廣譜抗性，并兼抗小麥葉銹病。

      田間試驗證明，該小麥編輯品系還可維持千粒重、株高、分蘗數等主要農藝性狀，即保持產量穩(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的前提下，展現出了高抗條銹病的特點，具有很好的應用潛力。這是可用于小麥抗病改良的感病基因。”王曉杰說。

      康振生指出，小麥感病基因的發(fā)現是植物與病原菌互作領域的重大突破，標志著我國在該領域邁出了一大步。

      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型，開辟了小麥生物育種新途徑，為我國現代生物育種和病害綠色防控提供了科技支撐。

      中國工程院院士陳劍平評價說，該團隊通過破壞病菌效應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用前景。

      這項研究工作兼具理論突破性與生產應用價值，是植物病理學與作物抗病育種領域標志性成果。

      “種業(yè)正邁入生物技術、信息技術、工程技術等多學科高度交叉、高度融合的新階段，逐步成為新一代技術革命的關鍵領域，優(yōu)異種質與基因資源是種業(yè)創(chuàng)新的關鍵，誰先獲得了作物基因資源、破解了基因的功能，誰就擁有了種業(yè)的話語權和主導地位。”

      中國工程院院士許為鋼說，西北農林科技大學植物免疫研究團隊在小麥感病基因鑒定與利用方面的原創(chuàng)性重大成果，是實現種源自主可控、提升種業(yè)原始自主創(chuàng)新能力的跨越性突破，開啟了我國種業(yè)自主創(chuàng)新的新篇章。