小麦“癌症”有解了？条锈病感病基因是如何被发现的？
央广网2022-07-22 00:16
央广网北京7月22日消息 据中央广播电视总台中国之声《新闻超链接》报道，近日，国际顶级期刊《细胞》在线刊发西北农林科技大学植物免疫团队历经18年的研究成果——发现了小麦中协助条锈菌感染的“真凶”感病基因，并通过敲除感病基因，使得小麦不易遭受条锈菌的侵染，开辟了抗病小麦育种的新思路和新途径。
条锈病被农业农村部列为一类农作物病害。小麦条锈病可以说是小麦所面对的头号重大生物灾害。科学家如何找到并敲除感病基因？是否能用这样的方法攻克更多类似的问题？
危害全国的“小麦癌症”
西北农林科技大学教授、旱区作物逆境生物学国家重点实验室副主任王晓杰介绍，小麦条锈病是气传性的真菌病害，可以借助空气进行高空远距离传播，是小麦头号重大生物灾害，被称为“小麦癌症”，在全世界小麦种植区均有发生。
我国是小麦条锈病发病最为严重的区域之一，条锈病在我国形成独特的流行体系，包括越夏区、冬季繁殖区和春季流行区。越夏区主要在西北麦区，如甘肃、川西北地区，冬季繁殖区包括四川盆地、鄂西北、陕西南部和河南南部，春季流行区则主要在黄淮海大麦区。作为一种跨区域的重大经济病害，如果防控不到位，会造成小麦产量的巨大损失。1950年条锈病大流行时，导致60亿公斤的小麦产量损失，相当于国家小麦减产近一半。
正因如此，条锈病防治成为各地保障粮食产量的重要工作。传统防治条锈病的方法主要是在秋播时进行药剂拌种，或在病害发生时使用农药进行应急防控。王晓杰表示，最为有效的措施是抗病品种的使用，目前小麦育种在我国西部多个省份采取一票否决制，即小麦如果不抗条锈病，该品种便不能进行生产应用。近年来随着防控技术和方案的完善，条锈病在我国实现了可防可控的局面，年发生面积在2000万~3000万亩左右。
致病关键竟是病菌操纵基因
引起小麦条锈病的是条锈菌，学名条形柄锈菌小麦转化型。条锈菌是一种活体营养寄生真菌，必须依赖活体小麦才能生存。病菌从小麦气孔入侵，通过吸器从小麦细胞中汲取营养物质，同时向小麦分泌毒性效应子，通过操纵寄主感病基因或其它途径，实现对寄主小麦的侵染致病。
基于这一侵染过程，研究团队明确了破除条锈病的思路，即通过让感病基因和病原菌的毒性基因不能碰面，让病菌无法操纵感病基因。思路虽然明确，但找到小麦感病基因的过程依然艰辛。王晓杰表示，早期由于技术的限制以及小麦无法进行遗传操作的原因，团队决定从小麦与条锈菌的互作入手，通过病原菌侵染时小麦的基因表达情况，来筛选感病基因。
经过持续多年的研究，团队最终成功找到感病基因，并利用基因编辑技术精准敲除，破坏毒性蛋白和感病基因的识别和互作，实现小麦对条锈病的广谱抗性。并且，团队进行田间试验发现，小麦编辑品系除了抗性提高，对生长发育和农艺性状并无影响。
方法推广？没那么简单
利用基因编辑敲除感病基因提高作物抗性的方法具有广泛适用性，其他粮食作物和经济作物均可采用。但问题的关键在于，目前还没有能力弄清楚每一种作物的每一个基因具体承担何种角色，寻找到被利用的感病基因并不容易。王晓杰表示，“不同的作物基因不一样，小麦就有十几万个基因，要去弄明白每一个基因，其实还有很长的路要走。”
不仅如此，基因功能存在冗余性，即多种基因发挥同一作用，虽然单独敲除了某一基因，但其他基因会将这一基因的功能进行弥补。因此即便幸运地找到并敲除了感病基因，很可能也无法解除病害的威胁。
尽管小麦条锈病的感病基因已经找到，但王晓杰认为，还可能存在目前没有被发现的、能够被病菌更好地利用的感病基因。而每一种作物同时面临多种病害的威胁，这也意味着存在多种病原菌利用同一个关键基因的可能性。“找到被多种病原菌共同利用的基因，创制兼抗多种病害的材料，这是我们未来继续要去做的工作。”
监制：白中华
记者：鹤佳 杨扬
编辑：罗江 彭毓姬
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