植物免疫團隊合影

西北農林科技大學科研專家收獲小麥育種材料。本報記者 仵永杰文/圖

銹菌基因和植物抗病基因是同步進化的。因此，“消滅”銹菌是一件艱巨的任務。

作為小麥條銹病病原的條銹菌，通過高空氣流遠距離傳播，隨降雨或結露通過氣孔入侵小麥表皮而使其感病。同時，條銹菌頻繁變異，新的條銹菌致病小種不斷出現，常常導致小麥“喪失”抗條銹特性。

我國是小麥條銹病發(fā)病最為嚴重的區(qū)域之一，經防治后小麥仍累計減產達138億公斤。多年來，條銹菌與植物的“戰(zhàn)爭”始終進行著，而西北農林科技大學在攻克小麥條銹病的道路上也在不斷前進。7月14日，國際頂級期刊《細胞》在線刊發(fā)西北農林科技大學植物免疫團隊歷經十余年的研究成果：發(fā)現小麥中協(xié)助條銹菌感染的“真兇”——感病基因。

發(fā)現“叛徒”

小麥是世界上種植最為廣泛的禾谷類作物之一，為全球超過25億人提供主食。中國是世界上最大的小麥生產國與消費國之一，年種植小麥面積2400萬公頃左右、產量近1.3億噸。然而，氣傳性真菌病害條銹病猶如“懸頂之劍”威脅著小麥生產。當我們在享用面包、饅頭、啤酒等食物時，可能還不知道，在變成食物之前，作為原料的小麥植株已與條銹菌“短兵相接”多次。

研究與生產實踐表明，培育、推廣抗病小麥品種一直是最為經濟有效且綠色環(huán)保的條銹病防治措施。然而，由于條銹菌毒性變異而不斷出現新致病類型和優(yōu)勢生理小種，導致小麥抗病主栽品種在使用3至5年后“喪失”抗病性，由此造成嚴重的經濟損失并引發(fā)新一輪品種更替。簡而言之，面對小麥抗病基因，條銹菌并非“束手就擒”，而是“奮起操戈”。

解決問題的關鍵在于思路方法，從不同角度分析問題往往會有意想不到的收獲。在經典遺傳育種中，育種專家觀察小麥植株的各種農藝性狀，通過雜交篩選符合預期性狀的基因。雜交篩選的基因多為正調控的，但還有許多負調控基因（如感病基因）是被育種專家所忽視的，因為負調控基因對于小麥的抗性是不利的。

反向思維在此項研究中得到運用，從負調控基因感病基因著手也能發(fā)現打敗條銹病的方法。西北農林科技大學植物免疫團隊王曉杰教授稱，感病基因是病原菌成功侵染和繁殖所必需的，由感病基因突變所介導的抗性常具持久與廣譜特性，因此修飾編輯感病基因是作物抗性改良的重要新途徑，團隊的研究目標就是找到小麥中的感病基因并揭示其被條銹菌操縱利用的過程。

早在2004年，王曉杰就跟隨植物病理學專家、西北農林科技大學植物保護學院康振生教授讀博士。在做條銹菌相關實驗時，他在小麥材料中發(fā)現一個從未見過的基因片段?！皸l銹菌在侵染小麥時，這個基因的‘表達’比較高。由此可見，條銹菌在發(fā)揮作用時非常需要這個基因。同時，我們利用技術讓這個基因失去作用，小麥材料表現出極其明顯的抗銹特征?！蓖鯐越芑貞?。但由于當時技術和人力所限，加之小麥全基因組測序在當時還未實現，因此關于這個基因的研究并沒有推進。

2015年，王曉杰作為博士生導師將這個基因鄭重地交給自己第一位博士生王寧，并對她講述這個基因的功能及發(fā)現過程，期待她揭開基因與小麥條銹病之間撲朔迷離的關系——小麥自身為什么會產生這個負調控的感病基因？感病基因與條銹菌互作背后的原因和機理是怎樣的？感病基因是如何被條銹菌“劫持”并操縱成為“叛徒”的？一系列問題等著植物免疫團隊去解答。

讓基因“改邪歸正”

2015年9月，在王曉杰教授的指導下，王寧和團隊成員創(chuàng)制了穩(wěn)定沉默的小麥植株材料。然后，團隊開始對小麥植株進行抗性鑒定，觀察小麥植株對條銹菌的反應狀態(tài)及程度。團隊成員發(fā)現，在感病基因沉默的小麥植株中，條銹菌因缺失感病基因導致發(fā)育畸形，部分條銹菌不能突破小麥表皮而使其感病。

通過實驗，團隊成員斷定條銹菌確實能夠操控感病基因而使小麥致病，但明確這個過程具體的發(fā)生機理是一項艱巨的任務。王寧說：“2016年，團隊的實驗剛剛起步，成員對實驗操作并不是非常熟悉，團隊要用多種方法驗證每一個猜想，因此工作效率比較低而且花費時間比較長?！辈贿^，王寧非常喜歡做實驗，幾乎每天要去實驗室，她說：“待在實驗室對我來說是一件很開心的事，做自己喜歡的事情是不會累的。”

2020年，團隊明確這個特別的基因為小麥中被病原菌效應子“劫持”的感病基因，闡明感病基因作為小麥基礎免疫負調控因子，被條銹菌效應子利用并放大負調控作用，打破小麥的抗病反應從而導致感病的分子機理?！跋喈斢跅l銹菌將感病基因‘策反’并‘收買’，然后進到細胞核中去感病。我們的最終目標是通過基因編輯將感病基因‘敲除’，使感病基因‘改邪歸正’?！蓖鯐越芙忉?。

2020年7月，團隊將研究成果論文投給《細胞》期刊后，編輯提出修改意見并要求補充實驗，審稿意見至少有23頁。在補充實驗階段，西北農林科技大學植物保護學院博士生樊昕和團隊成員承擔了大量的工作。“《細胞》期刊編輯對研究提出許多意見，老師對實驗的嚴謹程度和圖片質量要求很高。我們必須抓緊時間補充實驗，任務重、壓力大?！狈空f。今年2月，樊昕為了在實驗中得到一張比較完美的資料圖片，有一周時間是睡在實驗室的。

在論文修改階段，西北農林科技大學植物保護學院副研究員湯春蕾主要負責實驗方案設計、實驗數據把關等任務。她說：“經過近兩年時間的補充實驗，我們對論文進行大幅修改——補充數據、調整邏輯。同時，我們引用同行業(yè)最新的研究成果，切中研究成果對科研及生產的現實意義。”湯春蕾的壓力一直很大，加班到凌晨兩三點是經常的事兒。編輯提出的意見確實非常有挑戰(zhàn)性，她有時甚至會想“對方是不是在故意刁難”。

為種業(yè)自主創(chuàng)新貢獻力量

今年5月，論文在修改后又一次投遞給《細胞》期刊。經過一段時間的檢查和校對后，《細胞》期刊正式接收論文并回復：“令人難以置信的研究，你們的毅力與恒心值得贊揚?！?/p>

“小麥基因組體量龐大、生長周期較長，因此針對小麥的感病基因研究任務比較艱巨。我們將發(fā)現的感病基因‘敲除’后，小麥材料體現出一定的抗銹性，而且它的產量等農藝性狀沒有受影響，這對小麥育種具有非常良好的應用價值。”王曉杰說。

“小麥感病基因的發(fā)現及機理研究兼具理論性突破和生產應用價值，此項工作不僅是國際上病菌與植物互作研究領域的重大突破，也是基于理論發(fā)現服務農業(yè)生產的重要創(chuàng)新，是服務國家重大需求的重要體現，為我國現代生物育種開辟新思路和新途徑?！笨嫡裆菏空f。

中國工程院院士、植物病理學專家陳劍平稱，西北農林科技大學植物免疫團隊的此項研究堪稱植物與病原菌互作研究領域的標志性成果，是植物病理學與作物抗病育種行業(yè)的重大成果。團隊長期從事小麥條銹病可持續(xù)控制應用與基礎研究，從小麥與條銹菌互作入手鑒定到小麥感病基因，并通過破壞病菌效應子與小麥感病基因的互作，創(chuàng)制具有廣譜持久抗性的小麥材料，展示出巨大的應用前景。

中國工程院院士、小麥育種專家許為鋼稱，西北農林科技大學植物免疫團隊對于小麥感病基因的鑒定與利用開啟了我國種業(yè)自主創(chuàng)新的新篇章，為作物抗病育種開辟新路徑、創(chuàng)新新技術、提供新材料。種業(yè)科技創(chuàng)新處于農業(yè)產業(yè)鏈的源頭，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。優(yōu)異種質與基因資源是種業(yè)創(chuàng)新的關鍵，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。

在談到研究成果時，王曉杰教授坦言：“團隊的成績是在李振岐院士與康振生院士兩代科學家奮斗的基礎上取得的?？道蠋煏r常對團隊成員講，各項研究要圍繞生產需求，科研成果要服務于國家農業(yè)生產。下一步，團隊將不忘科研初心，繼續(xù)學習老一輩農業(yè)科學家無私奉獻、專注科研的精神，做實做好基礎研究，為我國小麥育種事業(yè)貢獻力量?！?/p>