田大剛團(tuán)隊在室內(nèi)種植水稻，驗證抗性基因與無毒基因的互作。
田大剛在實(shí)驗室檢測稻瘟病菌株。
在實(shí)驗室進(jìn)行稻瘟病菌株培養(yǎng)。
【資料圖】
位于龍巖上杭縣茶地鎮(zhèn)的試驗田。
水稻是世界上50%以上人口的主糧，也是我國最重要的糧食作物之一，卻經(jīng)常受到稻瘟病的侵?jǐn)_。據(jù)統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)每年因稻瘟病造成的損失高達(dá)水稻總產(chǎn)量的10%。
“利用可靠的抗病品種鑒定理論與技術(shù)體系，是建立稻瘟病綠色高效防控體系的關(guān)鍵。”11月，省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所副研究員田大剛率團(tuán)隊在水稻與稻瘟病菌互作方面取得重要進(jìn)展，鑒定出福建稻區(qū)的優(yōu)勢無毒基因型，以及相對應(yīng)的表現(xiàn)出良好抗病性的抗病基因。
相關(guān)文章發(fā)表于植物與微生物互作專業(yè)期刊Frontiers in Microbiology。這一研究，將為水稻抗病品種的科學(xué)布局、抗病育種及稻瘟病的綜合防控提供重要的科學(xué)依據(jù)。
水稻的“癌癥”
稻瘟病，相當(dāng)于水稻的“癌癥”。
早在1637年，明朝著名科學(xué)家宋應(yīng)星就在《天工開物》中將稻瘟病命名為“發(fā)炎火”。后來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這是一種嚴(yán)重的真菌性病害。
“在我國，稻瘟病在所有水稻栽培地區(qū)均有發(fā)生，流行年份造成的產(chǎn)量損失據(jù)估計為10％~30％，嚴(yán)重時可達(dá)40％~50％，甚至顆粒無收。”田大剛說。
2008年起，我國水稻新品種審定開始實(shí)行稻瘟病抗性的“一票否決”制。“如果水稻對稻瘟病的抗性差，審定就通不過。”田大剛說。
但長期以來，因水稻品種的抗病性及其抗病基因組成不清，稻瘟病菌群體的優(yōu)勢無毒基因型不明，以致抗病基因在稻瘟病控制中未能得到充分利用。
“目前抗病品種的鑒定、篩選主要依靠自然發(fā)病，此方法易受田間發(fā)病條件影響，多數(shù)情況下品種抗病性鑒定結(jié)果不可靠。”田大剛說。然而，從水稻、病原菌DNA入手鑒定，則不然。
在田大剛看來，只有研究和利用水稻自身抗性基因，培育、推廣抗病品種，方為上策。早在2008年，田大剛就率領(lǐng)團(tuán)隊開展抗病品種的選育。近年來，該團(tuán)隊在水稻與稻瘟病互作抗病育種的研究中取得許多重要進(jìn)展。
植物的免疫系統(tǒng)與動物類似，是經(jīng)過與病原菌的長期斗爭所塑造的。“在稻瘟病原菌中，由無毒基因表達(dá)生成的效應(yīng)蛋白，只能被水稻中相應(yīng)的抗病基因感知，從而觸發(fā)水稻抗病反應(yīng)，及時‘抵抗’稻瘟病。”田大剛說，抗病基因就像水稻中一扇特殊的“閘門”，阻止效應(yīng)蛋白進(jìn)入；若水稻缺失相應(yīng)的抗病基因，就無法對抗病原菌。
正所謂“一副毒藥配一副解藥”。“一種抗病基因就會有相應(yīng)的一種無毒基因與之對應(yīng)。”但擺在田大剛面前的問題有很多，如，有的水稻抗性品種推廣幾年后就會喪失抗性，是優(yōu)勢菌群變了，還是無毒基因“升級”了？
“知己知彼，方能百戰(zhàn)不殆。”他想要研究微觀世界中的無毒基因、抗病基因等，摸透“水稻-稻瘟病菌互作”機(jī)制，在水稻與病原菌的這一場“軍備競賽”中拔得頭籌。
也因此，一場轟轟烈烈的試驗，在閩西的一個小山村展開了。
田埂上的試驗
2018年的春天，龍巖上杭縣茶地鎮(zhèn)的一處田間，迎來了117類特殊的“客人”，將要“迎戰(zhàn)”稻瘟病。
它們是來自南方11個稻區(qū)的水稻，除了生產(chǎn)于本省的品種外，還有的來自廣東、湖南、江蘇、廣西等地區(qū)。
這是省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所花了10余年時間，從我國50多年來種植面積較大的水稻品種中篩選出來的。“想通過鑒定這些品種的抗病基因，了解抗病基因在這些品種中的分布情況。此外，通過鑒定這片稻田中不同類型發(fā)病品種，找到稻瘟病菌中無毒基因的優(yōu)勢基因型。”田大剛說。
好客的茶地鎮(zhèn)提供了充裕的空間。“每個品種種植14株，分兩行。”在田大剛的指導(dǎo)下，一行又一行翠綠壯實(shí)的水稻秧苗依次插在了田間。
7月下旬的苗期、8月下旬的最大分蘗期……季節(jié)交替中，他們獲得了這些品種在田間生長不同時期的鑒定數(shù)據(jù)。
當(dāng)茶地鎮(zhèn)遍地稻谷隨秋風(fēng)泛金波時，這片試驗田里的水稻卻是枯死衰敗之景：葉、莖、葉鞘等均出現(xiàn)不同程度的發(fā)黃、發(fā)黑，靠近一聞，還會有腐爛味。“這就是稻瘟病了。”田大剛說。
原來，在這種稻瘟病多發(fā)重發(fā)的地區(qū)，多數(shù)水稻品種在整個生長期間，需要打多次農(nóng)藥才能保證收成。“但為了充分反映出抗病基因與無毒基因的互作情況，我們利用田間自然發(fā)病，因此這片試驗田整個生育期階段都不會打藥。到成熟期，我們選擇不同類型發(fā)病品種，分離菌株。”田大剛說。
試驗也從田埂轉(zhuǎn)到了實(shí)驗室。在南平農(nóng)科所，田大剛合作的團(tuán)隊成員在超凈工作臺前，對田埂中的稻穗一一取樣、分離、培養(yǎng)、鑒定、保存，花了一個多月時間分離出稻瘟病菌株。
田大剛發(fā)現(xiàn)，這些不同時期的主栽品種，既沒有表現(xiàn)出田間抗病性的明顯差異，又不含有數(shù)量明顯不等的抗性基因。“這意味著，抗稻瘟病基因在過去育種過程中的大多數(shù)時期未得到充分重視，這可能是因為過去的育種家更多的關(guān)注點(diǎn)在產(chǎn)量、品質(zhì)等方面，或是這些品種多數(shù)沒有經(jīng)歷過發(fā)病區(qū)的篩選。”
他還發(fā)現(xiàn)，堿基缺失、轉(zhuǎn)座子插入和基因片段重復(fù)是當(dāng)?shù)氐疚敛【》N幾個關(guān)鍵無毒基因變異的主要原因。“無毒基因變了，水稻原有的抗性基因就無法識別它了。這也解釋了為何有的水稻品種含有抗性基因卻喪失了抗病性。”
當(dāng)然，一些優(yōu)勢無毒基因型和抗病基因也被篩查出來了。“鑒定到的無毒基因AVR-Pi9中，幾乎不存在變異基因型，說明它是很穩(wěn)定的‘靶點(diǎn)’，能持續(xù)被水稻中對應(yīng)的抗病基因識別。”田大剛說，另外他們還對在鑒定到的抗性品種中貢獻(xiàn)抗性的Pi2、Pigm（抗病基因）等進(jìn)行了抗性驗證，確定它們對當(dāng)?shù)氐纳硇》N也表現(xiàn)出很好的抗性，暗示了這兩個抗病基因?qū)?yīng)的無毒基因，必將是優(yōu)勢無毒基因型。
“通過水稻抗性基因與稻瘟病菌無毒基因的關(guān)聯(lián)分析，我們不僅摸清了水稻抗病基因應(yīng)用情況，也知道了稻瘟病菌生理小種中的優(yōu)勢無毒基因型，這為我們下一步選擇抗病基因育種提供了有價值的參考。”田大剛說。（記者 林霞 文/圖）