北京時間4月10日，國際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表這一重要突破。

小麥赤霉病，是世界范圍內(nèi)極具毀滅性且防治困難的真菌病害，有小麥“癌癥”之稱。

令人振奮的是，我國科學(xué)家在攻克小麥赤霉病上已邁出了關(guān)鍵一步。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院教授、山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系小麥創(chuàng)新團(tuán)隊首席專家孔令讓教授及其團(tuán)隊從小麥近緣植物長穗偃麥草中克隆出抗赤霉病主效基因Fhb7，并成功將其轉(zhuǎn)移至小麥品種中，首次明確并驗證了該基因在小麥抗病育種中不僅具有穩(wěn)定的赤霉病抗性，且具有廣譜的解毒功能。

北京時間4月10日凌晨2點，相關(guān)論文在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

從“近親”物種中尋得關(guān)鍵基因

根除小麥赤霉病，培育與利用抗病品種是首要選擇，過去科學(xué)家們已在全球范圍內(nèi)對數(shù)以萬計的小麥品種進(jìn)行了篩選。

“受制于理論認(rèn)知和技術(shù)水平，半個多世紀(jì)以來，關(guān)于赤霉病的研究全球鮮有突破性進(jìn)展，特別是小麥種質(zhì)資源中可用的主效抗赤霉病基因非常稀少?！敝袊こ淘涸菏?、長期從事小麥抗赤霉病育種的科學(xué)家程順和指出。

事實上，人們至今未發(fā)現(xiàn)赤霉病免疫的小麥種質(zhì)資源。

目前由國際上鑒定并命名的7個抗赤霉病主效基因也并非全部有著高效的抗病性，有些盡管有抗病性，但卻以犧牲產(chǎn)量為代價。

此外，中國工程院院士、西北農(nóng)林科技大學(xué)教授康振生還指出，由于小麥有著龐大的基因組和小麥-真菌互作的復(fù)雜性，科研工作者對小麥抗赤霉病機(jī)制的了解十分有限。

近年來，破解這一世界性難題，更加迫在眉睫。

對農(nóng)民來說，該病防不勝防，麥田一旦被感染，通常減產(chǎn)10%—20%，嚴(yán)重時達(dá)80%—90%，重病麥田可致絕收。

論文通訊作者孔令讓告訴《中國科學(xué)報》，感染赤霉病的小麥籽粒干癟，淀粉與蛋白質(zhì)含量降低，出粉率低，濕面筋含量少，病麥率含量達(dá)到4%以上就失去了食用價值。

產(chǎn)量和品質(zhì)下降的同時，以其為原料制作的食品和飼料更嚴(yán)重威脅人畜健康。

小麥近緣植物長穗偃麥草攜帶抗病、抗逆、優(yōu)質(zhì)等許多優(yōu)異基因，是小麥品種改良的優(yōu)異基因資源，利用遠(yuǎn)緣雜交技術(shù)，可以將這些優(yōu)良的外源基因轉(zhuǎn)移到小麥上。

通訊作者孔令讓

孔令讓團(tuán)隊獲得的抗赤霉病基因Fhb7就是來源于長穗偃麥草，隨后通過遺傳群體分析表明，該基因使得赤霉病病情指數(shù)降低超過30%，被認(rèn)為是高效抗性基因，為解鎖赤霉病這一世界性難題找到了“金鑰匙”。

解密Fhb7的抗病機(jī)理

“抗赤霉病基因Fhb7克隆及育種利用是極具戰(zhàn)略意義的，其研究內(nèi)容承前啟后無縫交織成了一個完整的科學(xué)故事?！北本┐髮W(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院首席科學(xué)家鄧興旺閱讀研究論文后，專門撰文給予高度評價。

鄧興旺提到的科學(xué)故事正是，20年來孔令讓團(tuán)隊從組裝長穗偃麥草基因組到發(fā)現(xiàn)、克隆、解析主效基因Fhb7抗病機(jī)理，再運用至小麥育種上，完整闡釋了Fhb7基因抗病過程的“來龍去脈”。

1985年，孔令讓從碩士研究生開始從事長穗偃麥草、八倍體小偃麥與小麥的遠(yuǎn)緣雜交研究，首次在長穗偃麥草7E染色體長臂末端發(fā)現(xiàn)小麥抗赤霉病主效基因Fhb7。

近10余年來，他帶領(lǐng)團(tuán)隊經(jīng)過初定位證明Fhb7單基因可控制較高的抗性效應(yīng)，隨后，對復(fù)雜的長穗偃麥草基因組進(jìn)行了高質(zhì)量的組裝和注釋，并完成了該基因的精細(xì)定位。

那么，F(xiàn)hb7基因究竟是如何“抗擊”小麥赤霉病的？研究團(tuán)隊采用傳統(tǒng)圖位克隆、細(xì)胞遺傳學(xué)、突變體篩選和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，對其進(jìn)行了充分的功能性驗證。

Fhb7的跨物種轉(zhuǎn)移和抗赤霉病分子機(jī)理

通過系列分子實驗和高分辨質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)hb7基因編碼一種谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶，可以打開嘔吐毒素的環(huán)氧基團(tuán)，并催化其形成谷胱甘肽加合物，從而產(chǎn)生解毒效應(yīng)。

產(chǎn)生嘔吐毒素是小麥赤霉病之所以危害嚴(yán)重的重要因素之一。

“引起小麥赤霉病的病原菌分泌的單端孢霉烯族毒素中，嘔吐毒素最為普遍，在谷物中含量最高，被世界衛(wèi)生組織定為天然存在的最危險的食品污染物，也是制約我國及世界糧食和食品安全的重要因素。”鄧興旺說。

隨后，他們終于在偃麥草的共生菌——香柱內(nèi)生真菌發(fā)現(xiàn)了同源基因，同源性高達(dá)97%。

Fhb7的遺傳進(jìn)化機(jī)理與抗病功能分子機(jī)理

孫思龍分析，“該基因很可能是通過基因水平轉(zhuǎn)移，從香柱內(nèi)生真菌整合進(jìn)了長穗偃麥草基因組，從而進(jìn)化出抗鐮刀菌屬病原菌侵染的功能。”

這是科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)真核生物間核基因組DNA水平轉(zhuǎn)移的功能性證據(jù)。

“這是一個極其少見的生物基因跨界轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，值得進(jìn)一步深入研究，以探討植物抗病基因和基因組進(jìn)化新機(jī)制。”鄧興旺說。

抗赤霉病基因Fhb7的轉(zhuǎn)移利用

值得一提的是，在7個抗赤霉病主效基因中，F(xiàn)hb1和Fhb7被公認(rèn)為抗赤霉病的高效基因，二者具有相當(dāng)?shù)目剐浴?/p>

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)國家小麥工程中心副研究員牛吉山等人在研究綜述中提到，遺傳背景對Fhb1的赤霉病抗性有一定影響。

孔令讓團(tuán)隊通過比較Fhb7在多個小麥背景中對其它農(nóng)藝性狀的影響，結(jié)果表明，在對赤霉病表現(xiàn)出良好抗性的同時，對包括千粒重、旗葉長度等性狀沒有顯著負(fù)面影響。

這意味著，在未來育種中，F(xiàn)hb7的選擇性將可能多于Fhb1。

廣譜抗病 前景廣闊

在孔令讓看來，研究成果不僅要對推動科學(xué)發(fā)展有意義，還要真正“用得上”“用得好”，受農(nóng)民和市場歡迎。

孔令讓團(tuán)隊利用遠(yuǎn)緣雜交結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇將攜帶Fhb7基因的長穗偃麥草染色體片段轉(zhuǎn)移至栽培小麥，最終獲得了抗赤霉病的種質(zhì)材料。

長穗偃麥草基因組分子進(jìn)化與Fhb7的圖位克隆

目前，已有30多家單位利用這些材料進(jìn)行小麥抗赤霉病遺傳改良，并在山東、河南、江蘇、安徽等地進(jìn)行廣泛試驗，結(jié)果表現(xiàn)良好。

令研究人員感到欣慰的不止這些?！癋hb7基因真的是一個‘神奇基因’。”論文第一作者和共同通訊作者、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院副教授王宏偉興奮地告訴《中國科學(xué)報》，近幾年的大量田間試驗發(fā)現(xiàn)，攜帶Fhb7基因的植株在抗小麥赤霉病的同時，對廣泛侵染多種農(nóng)作物的莖基腐病也表現(xiàn)出了明顯抗性。

這意味著，研究中所揭示的Fhb7基因編碼一種谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶發(fā)表論文10余篇。2008年4月回國至今，主持或參加國家自然科學(xué)基金、國家948國際合作、國家973計劃、國家863計劃、國家轉(zhuǎn)基因重大專項等課題研究工作，并與美國Purdue University、University of Louisville、University of Kentucky，以色列Haifa University，以及國內(nèi)高校和科研院所等單位進(jìn)行小麥分子育種、抗病基因分子標(biāo)記、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等方面的合作研究, 在《THEOR APPL GENET》、《DNA RESEARCH》、《EUR JPLANTPATHOL》等國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文20余篇。曾獲國家“八五”科技攻關(guān)重大成果獎1項，山東省科技進(jìn)步二等獎2項、三等獎1項，農(nóng)業(yè)部科技進(jìn)步二等獎1項，山東省教育廳理論成果獎1項。1996榮獲山東省青年科技獎，2007年榮獲中國科學(xué)院海外學(xué)者“王寬誠”科研獎，2011年榮獲中華農(nóng)業(yè)科技獎。還先后榮獲中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院優(yōu)秀共產(chǎn)黨員、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)優(yōu)秀教師、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)優(yōu)秀教育工作者、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生心目中的“良師益友”、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生心目中的十大優(yōu)秀教師、泰安市泰山先鋒優(yōu)秀共產(chǎn)黨員等榮譽(yù)稱號。

學(xué)習(xí)經(jīng)歷

1981－1985 大學(xué)，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)系農(nóng)學(xué)專業(yè)

1985－1988 碩士，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)系植物遺傳育種專業(yè)

1993－1996 博士，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物品種資源研究所作物遺傳育種專業(yè)

研究經(jīng)歷

1988－1990 助教，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)系

1990－1993 講師，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)系

1996－1997 副教授，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)系

1997－1998 博士后，德國墨尼黑技術(shù)大學(xué)植物育種系

1998－1999 副教授，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)系“植物遺傳工程”省重點實驗室

1999－2000 教授，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)系“植物遺傳工程”省重點實驗室主任，教務(wù)處副處長

2000.5－2000.9 博士后，以色列國海法大學(xué)進(jìn)化研究所

2000－2003 博士后，美國普度大學(xué)農(nóng)學(xué)系

2003－2008 研究遺傳學(xué)家，美國普度大學(xué)農(nóng)學(xué)系

2008－ 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳育種學(xué)科特聘教授，“作物生物學(xué)”國家重點實驗室常務(wù)副主任

教學(xué)經(jīng)歷

1988－1993 普通遺傳學(xué)，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)系

1996－1999 普通遺傳學(xué)，細(xì)胞遺傳學(xué)，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)系

1999－2000 細(xì)胞遺傳學(xué)，生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)系

2001－2007 分子標(biāo)記和分子標(biāo)記輔助育種，美國普度大學(xué)農(nóng)學(xué)系

學(xué)術(shù)研究