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[问题求解]硬核成果,实力彰显!山东农业大学孔令让团队找到小麦赤霉病克星! [复制链接]

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  小麦赤霉病,是世界范围内极具毁灭性且防治困难的真菌病害,有小麦“癌症”之称。山东农业大学孔令让团队经过20年持续研究,首次从小麦近缘植物长穗偃麦草中克隆出抗赤霉病基因Fhb7,并揭示了其抗病分子机制。目前,已有30多家单位利用这些材料进行小麦抗赤霉病遗传改良,并在山东、河南、江苏、安徽等地广泛试验,结果表现良好。这一发现为解决小麦赤霉病世界性难题找到了“金钥匙”。4月10日,国际知名学术期刊《科学》(Science)在线发表了这一重要突破,5月22日,最新出版的国际顶级学术期刊《科学》在封面发表了山东农业大学孔令让团队在小麦赤霉病研究领域重大成果

  从“近亲”物种中寻到关键基因能使赤霉病病情指数降低超过30%

  小麦赤霉病别名麦穗枯、烂麦头、红麦头,是全球小麦生产中面临的重大病害,也是威胁世界粮食生产和食品安全的重大难题,被称为小麦“癌症”。对农民来说,这种病防不胜防,麦田一旦被感染,通常减产10%—20%,严重时达80%—90%,重病麦田可致绝收。

  小麦赤霉病,资料图片↑↑↑


  长穗偃麦草,资料图片↑↑↑

  “感染赤霉病的小麦籽粒干瘪,淀粉与蛋白质含量降低,出粉率低,湿面筋含量少,当病麦率达到4%以上,就失去了食用价值。产量和品质下降的同时,以其为原料制作的食品和饲料更严重威胁人畜健康。”4月10日,论文第一作者、山东农业大学农学院副教授王宏伟对齐鲁晚报·齐鲁壹点记者介绍,更为重要的是,其产生的呕吐毒素严重污染食品和饲料,被世界卫生组织定为天然存在的最危险的食品污染物,可引起人畜中毒。呕吐毒素同时可在人和哺乳动物体内逐渐积累,诱发免疫功能下降等慢性毒副作用。

  “根除小麦赤霉病,培育与利用抗病品种是首要选择,过去科学家们已在全球范围内对数以万计的小麦品种进行了筛选。受制于理论认知和技术水平,半个多世纪以来,关于赤霉病的研究全球鲜有突破性进展,特别是小麦种质资源中可用的主效抗赤霉病基因非常稀少。”长期从事小麦抗赤霉病研究的山东农业大学农学院教授、山东省现代农业产业技术体系小麦创新团队首席专家孔令让教授说。事实上,人们至今未发现赤霉病免疫的小麦种质资源。目前国际上鉴定并命名的7个抗赤霉病主效基因并非全部有着高效的抗病性,有些尽管有抗病性,却是以牺牲产量为代价。由于小麦有着庞大的基因组及小麦—真菌互作的复杂性,科研工作者对小麦抗赤霉病机制的了解十分有限。

  小麦近缘植物——长穗偃麦草是小麦的“近亲”,恰好它具有携带抗病、抗逆、优质等许多优异基因,孔令让团队利用远缘杂交技术,将这些优良的外源基因转移到小麦上。

  “我们获得的抗赤霉病基因Fhb7就来源于长穗偃麦草,随后通过群体遗传分析表明,这个基因使得赤霉病病情指数降低超过30%,是高效抗性基因。”孔令让教授说,这个成果为解锁赤霉病这一世界性难题找到了“金钥匙”。

  香柱内生真菌发现同源基因Fhb7的抗病机理被层层解密

  Fhb7基因究竟是如何“抗击”小麦赤霉病的?齐鲁晚报·齐鲁壹点记者采访中了解到,孔令让研究团队采用传统图位克隆、细胞遗传学、突变体筛选和转基因等技术,对其进行了充分的功能性验证。

  系列分子实验和高分辨质谱分析表明,Fhb7基因编码一种谷胱甘肽S—转移酶,可以打开呕吐毒素的环氧基团,并催化其形成谷胱甘肽加合物,从而产生解毒效应。

  产生呕吐毒素是小麦赤霉病危害严重的重要因素之一。“引起小麦赤霉病的病原菌分泌的单端孢霉烯族毒素中,呕吐毒素最为普遍,在谷物中含量最高,被世界卫生组织定为天然存在的最危险的食品污染物,也是制约我国及世界粮食和食品安全的重要因素。”孔令让说。

  Fhb7基因如此关键,它究竟从何而来?在追溯其进化历史时,研究人员一度迷惑。因为他们通过基因组序列比较分析,在整个植物界都没有发现Fhb7的同源基因。

  “但我们在基因物理图谱中发现了Fhb7的基因序列,这说明该基因的确真实存在,并非是实验操作时被‘污染’而产生的。”论文并列第一作者、山东农业大学农学院副教授孙思龙告诉记者。随后,他们终于在偃麦草的共生菌——香柱内生真菌中发现了同源基因,同源性高达97%。

  孙思龙分析,“该基因很可能是通过基因水平转移,从香柱内生真菌整合进了长穗偃麦草基因组,从而进化出抗镰刀菌属病原菌侵染的功能。”

  这是科学家首次发现真核生物间核基因组DNA水平转移的功能性证据。

  值得一提的是,在7个抗赤霉病主效基因中,Fhb1和Fhb7被公认为是抗赤霉病的高效基因,它们具有相当的抗性。据了解,河南农业大学国家小麦工程中心副研究员牛吉山等人在研究综述中提到,遗传背景对Fhb1的赤霉病抗性有一定影响。

  孔令让团队进一步比较了在多个小麦背景中Fhb7对其他农艺性状的影响,结果表明,在对赤霉病表现出良好抗性的同时,其对包括千粒重、旗叶长度等性状没有显著负面影响。

  这意味着,在未来育种中,Fhb7的选择性可能多于Fhb1。

  多省已经广泛试验表现良好有望用于粮食深加工和饲料工业

  在孔令让看来,研究成果不仅要对推动科学发展有意义,还要真正“用得上”“用得好”,受农民和市场欢迎。

  利用远缘杂交结合分子标记辅助选择将携带Fhb7基因的长穗偃麦草染色体片段转移至栽培小麦,孔令让团队最终获得了抗赤霉病的种质材料。

  目前,已有30多家单位利用这些材料进行小麦抗赤霉病遗传改良,并在山东、河南、江苏、安徽等地进行广泛试验,结果表现良好。

  “Fhb7基因真的是一个‘神奇基因’。”王宏伟说,近几年的大量田间试验发现,携带Fhb7基因的植株在抗小麦赤霉病的同时,对广泛侵染多种农作物的茎基腐病也表现出了明显抗性。这意味着,研究中所揭示的Fhb7基因编码一种谷胱甘肽S—转移酶技术或许可应用于包括小麦、玉米、水稻等粮食的深加工和饲料工业,去除食品中的相关毒素,且有望产业化。

  “更大的意义在于为人类生命健康谋福祉,同时也是未来较长一段时间我们努力的方向。”孔令让说,中国工程院院士、“杂交水稻之父”袁隆平也对该研究作出书面评价。他表示,Fhb7基因的发现和抗病机制解析对水稻、玉米等作物育种同样具有重要意义。

  作为禾谷类作物种质改良和创新的难得基因,其在育种领域的推广应用,将有力提升我国农作物种质资源创新水平,为产业提质增效、确保国家粮食安全提供重要保障。
资讯来自:齐鲁晚报和其它相关网站
  
 
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只看该作者 沙发  发表于: 2020-08-19
基因改良?
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只看该作者 板凳  发表于: 2020-08-19
硬核成果,实力彰显!
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只看该作者 地板  发表于: 2020-08-26
抗性基因研究,希望有突破。
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只看该作者 4楼 发表于: 2022-07-10
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只看该作者 5楼 发表于: 2022-07-10
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