袁隆平、康振生、鄧興旺等多位院士點評!山東農大科研團隊找到攻克...

北京時間4月10日，國際知名學術期刊《科學》（Science）在線發表這一重要突破。

小麥赤黴病，是世界範圍內極具毀滅性且防治困難的真菌病害，有小麥「癌症」之稱。

令人振奮的是，我國科學家在攻克小麥赤黴病上已邁出了關鍵一步。

山東農業大學農學院教授、山東省現代農業產業技術體系小麥創新團隊首席專家孔令讓教授及其團隊從小麥近緣植物長穗偃麥草中克隆出抗赤黴病主效基因Fhb7，並成功將其轉移至小麥品種中，首次明確並驗證了該基因在小麥抗病育種中不僅具有穩定的赤黴病抗性，且具有廣譜的解毒功能。

北京時間4月10日凌晨2點，相關論文在線發表於《科學》雜誌。

從「近親」物種中尋得關鍵基因

根除小麥赤黴病，培育與利用抗病品種是首要選擇，過去科學家們已在全球範圍內對數以萬計的小麥品種進行了篩選。

「受制於理論認知和技術水平，半個多世紀以來，關於赤黴病的研究全球鮮有突破性進展，特別是小麥種質資源中可用的主效抗赤黴病基因非常稀少。」中國工程院院士、長期從事小麥抗赤黴病育種的科學家程順和指出。

事實上，人們至今未發現赤黴病免疫的小麥種質資源。

目前由國際上鑑定並命名的7個抗赤黴病主效基因也並非全部有著高效的抗病性，有些儘管有抗病性，但卻以犧牲產量為代價。

此外，中國工程院院士、西北農林科技大學教授康振生還指出，由於小麥有著龐大的基因組和小麥-真菌互作的複雜性，科研工作者對小麥抗赤黴病機制的了解十分有限。

近年來，破解這一世界性難題，更加迫在眉睫。

對農民來說，該病防不勝防，麥田一旦被感染，通常減產10%—20%，嚴重時達80%—90%，重病麥田可致絕收。

論文通訊作者孔令讓告訴《中國科學報》，感染赤黴病的小麥籽粒乾癟，澱粉與蛋白質含量降低，出粉率低，溼麵筋含量少，病麥率含量達到4%以上就失去了食用價值。

產量和品質下降的同時，以其為原料製作的食品和飼料更嚴重威脅人畜健康。

小麥近緣植物長穗偃麥草攜帶抗病、抗逆、優質等許多優異基因，是小麥品種改良的優異基因資源，利用遠緣雜交技術，可以將這些優良的外源基因轉移到小麥上。

通訊作者孔令讓

孔令讓團隊獲得的抗赤黴病基因Fhb7就是來源於長穗偃麥草，隨後通過遺傳群體分析表明，該基因使得赤黴病病情指數降低超過30%，被認為是高效抗性基因，為解鎖赤黴病這一世界性難題找到了「金鑰匙」。

解密Fhb7的抗病機理

「抗赤黴病基因Fhb7克隆及育種利用是極具戰略意義的，其研究內容承前啟後無縫交織成了一個完整的科學故事。」北京大學現代農業研究院首席科學家鄧興旺閱讀研究論文後，專門撰文給予高度評價。

鄧興旺提到的科學故事正是，20年來孔令讓團隊從組裝長穗偃麥草基因組到發現、克隆、解析主效基因Fhb7抗病機理，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緣雜交研究，首次在長穗偃麥草7E染色體長臂末端發現小麥抗赤黴病主效基因Fhb7。

近10餘年來，他帶領團隊經過初定位證明Fhb7單基因可控制較高的抗性效應，隨後，對複雜的長穗偃麥草基因組進行了高質量的組裝和注釋，並完成了該基因的精細定位。

那麼，Fhb7基因究竟是如何「抗擊」小麥赤黴病的？研究團隊採用傳統圖位克隆、細胞遺傳學、突變體篩選和轉基因等技術，對其進行了充分的功能性驗證。

Fhb7的跨物種轉移和抗赤黴病分子機理

通過系列分子實驗和高分辨質譜分析發現，Fhb7基因編碼一種穀胱甘肽S-轉移酶，可以打開嘔吐毒素的環氧基團，並催化其形成穀胱甘肽加合物，從而產生解毒效應。

產生嘔吐毒素是小麥赤黴病之所以危害嚴重的重要因素之一。

「引起小麥赤黴病的病原菌分泌的單端孢黴烯族毒素中，嘔吐毒素最為普遍，在穀物中含量最高，被世界衛生組織定為天然存在的最危險的食品汙染物，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。

隨後，他們終於在偃麥草的共生菌——香柱內生真菌發現了同源基因，同源性高達97%。

Fhb7的遺傳進化機理與抗病功能分子機理

孫思龍分析，「該基因很可能是通過基因水平轉移，從香柱內生真菌整合進了長穗偃麥草基因組，從而進化出抗鐮刀菌屬病原菌侵染的功能。」

這是科學家首次發現真核生物間核基因組DNA水平轉移的功能性證據。

「這是一個極其少見的生物基因跨界轉移現象，值得進一步深入研究，以探討植物抗病基因和基因組進化新機制。」鄧興旺說。

抗赤黴病基因Fhb7的轉移利用

值得一提的是，在7個抗赤黴病主效基因中，Fhb1和Fhb7被公認為抗赤黴病的高效基因，二者具有相當的抗性。

河南農業大學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的赤黴病抗性有一定影響。

孔令讓團隊通過比較Fhb7在多個小麥背景中對其它農藝性狀的影響，結果表明，在對赤黴病表現出良好抗性的同時，對包括千粒重、旗葉長度等性狀沒有顯著負面影響。

這意味著，在未來育種中，Fhb7的選擇性將可能多於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發展有意義，還要真正「用得上」「用得好」，受農民和市場歡迎。

孔令讓團隊利用遠緣雜交結合分子標記輔助選擇將攜帶Fhb7基因的長穗偃麥草染色體片段轉移至栽培小麥，最終獲得了抗赤黴病的種質材料。

長穗偃麥草基因組分子進化與Fhb7的圖位克隆

目前，已有30多家單位利用這些材料進行小麥抗赤黴病遺傳改良，並在山東、河南、江蘇、安徽等地進行廣泛試驗，結果表現良好。

令研究人員感到欣慰的不止這些。「Fhb7基因真的是一個『神奇基因』。」論文第一作者和共同通訊作者、山東農業大學農學院副教授王宏偉興奮地告訴《中國科學報》，近幾年的大量田間試驗發現，攜帶Fhb7基因的植株在抗小麥赤黴病的同時，對廣泛侵染多種農作物的莖基腐病也表現出了明顯抗性。

這意味著，研究中所揭示的Fhb7基因編碼一種穀胱甘肽S-轉移酶（GST)技術或許可應用於包括小麥、玉米、水稻等糧食的深加工和飼料工業，去除食品中的相關毒素，且有望產業化。

「這更大的意義在於為人類生命健康謀福祉，同時也是未來較長一段時間我們努力的方向。」孔令讓說。

目前，攜帶Fhb7基因的多個小麥新品系已經進入國家以及省級預備試驗和區域試驗，並被納入我國小麥良種聯合攻關計劃，為從源頭上解決小麥赤黴病問題提供解決方案。

中國工程院院士、「雜交水稻之父」袁隆平對該研究作出評價，他表示，Fhb7基因的發現和抗病機制解析對水稻、玉米等作物育種同樣具有重要意義。

作為禾穀類作物種質改良和創新的難得基因，其在育種領域的推廣應用，將有力提升我國農作物種質資源創新水平，為產業提質增效、確保國家糧食安全提供重要保障。

孔令讓團隊

孔令讓，男，1963年4月出生，山東成武人，教授，博士研究生、碩士研究生導師。山東省小麥分子育種學崗位「泰山學者」特聘教授，山東農業大學農學院院長，中國遺傳學會理事，山東遺傳學會副理事長兼秘書長，《作物學報》常務編委，《The Crop Journal》編委。

研究方向：

1.小麥分子生物學；

2. 小麥及其近緣植物優異基因發掘及利用；

3.小麥-病原菌相互作用及功能基因組學、蛋白質組學；

4.小麥種質創新及新品種選育。

科研簡介：

1988-2000年在國內工作期間，曾主持或參加完成國家自然科學基金、國家「863」、國家科技攻關、山東省科技廳及山東省自然科學基金等多項科研課題。在《植物學報》、《遺傳學報》等國內核心學術期刊上發表論文30餘篇。副主編專著《冬小麥種質創新與評價利用》2000年獲國家優秀圖書獎暨科技進步一等獎。2000-2008年在美國工作期間，主持完成了美國農業部資助的「Improvement of Soft Winter Wheat for Fusarium Head Blight Resistance」、「Rapid Function Identification of Genes Contributing to FHB Resistance and Susceptibility」等多項研究課題，並在《THEOR APPL GENET》、《GENOME》、《MOL BREED》等國際學術期刊（SCI）發表論文10餘篇。2008年4月回國至今，主持或參加國家自然科學基金、國家948國際合作、國家973計劃、國家863計劃、國家轉基因重大專項等課題研究工作，並與美國Purdue University、University of Louisville、University of Kentucky，以色列Haifa University，以及國內高校和科研院所等單位進行小麥分子育種、抗病基因分子標記、基因組學、蛋白質組學等方面的合作研究, 在《THEOR APPL GENET》、《DNA RESEARCH》、《EUR JPLANTPATHOL》等國際學術期刊（SCI）發表論文20餘篇。曾獲國家「八五」科技攻關重大成果獎1項，山東省科技進步二等獎2項、三等獎1項，農業部科技進步二等獎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年榮獲中國科學院海外學者「王寬誠」科研獎，2011年榮獲中華農業科技獎。還先後榮獲中國農業科學院優秀共產黨員、山東農業大學優秀教師、山東農業大學優秀教育工作者、山東農業大學研究生心目中的「良師益友」、山東農業大學學生心目中的十大優秀教師、泰安市泰山先鋒優秀共產黨員等榮譽稱號。

學習經歷

1981－1985 大學，山東農業大學農學系農學專業

1985－1988 碩士，山東農業大學農學系植物遺傳育種專業

1993－1996 博士，中國農業科學院作物品種資源研究所作物遺傳育種專業

研究經歷

1988－1990 助教，山東農業大學農學系

1990－1993 講師，山東農業大學農學系

1996－1997 副教授，山東農業大學農學系

1997－1998 博士後，德國墨尼黑技術大學植物育種系

1998－1999 副教授，山東農業大學農學系「植物遺傳工程」省重點實驗室

1999－2000 教授，山東農業大學農學系「植物遺傳工程」省重點實驗室主任，教務處副處長

2000.5－2000.9 博士後，以色列國海法大學進化研究所

2000－2003 博士後，美國普度大學農學系

2003－2008 研究遺傳學家，美國普度大學農學系

2008－ 山東農業大學遺傳育種學科特聘教授，「作物生物學」國家重點實驗室常務副主任

教學經歷

1988－1993 普通遺傳學（本科生），山東農業大學農學系

1996－1999 普通遺傳學（本科生），細胞遺傳學（研究生），山東農業大學農學系

1999－2000 細胞遺傳學（研究生），生物技術在農業上的應用（研究生），山東農業大學農學系

2001－2007 分子標記和分子標記輔助育種（AGRY480）（高年級本科生和研究生），美國普度大學農學系

學術研究

編輯

從事研究項目

1990－1995 小麥－偃麥草二體異附加系的選育，山東省科委

1992－1997 利用小麥－偃麥草異附加系選育優質、多抗冬小麥新品系的研究，山東省科委

1997－2000 小麥和粗山羊草正反交育性的分子機理研究，山東省自然科學基金

1999－2001 小麥抗白粉病基因的標記及克隆，國家教育部留學回國人員基金

1999－2002 利用粗山羊草豐富小麥D染色體組遺傳多樣性的研究，國家自然科學基金（NSFC）

2000－2005 將基因組學引入小麥育種的研究，美國農業部

2001－2008 利用分子標記輔助選擇培育軟粒、抗赤黴病冬小麥的研究，美國農業部

2005－2008 偃麥草抗赤黴病基因的鑑定及其遺傳轉移，美國農業部

2006－2008 利用基因沉默鑑定小麥抗赤黴病基因的研究，美國農業部

2006－2009 小麥抗病基因QTL標記及分子育種研究，美國農業部

獎勵及榮譽

1993 小麥和八倍體小偃麥雜種F1低育原因的細胞胚胎學研究，山東省教委理論成果三等獎

1995 小麥－偃麥草二體異附加系的創製，山東省科技進步二等獎

1996 山東省青年科技獎

1996 中國農業科學院優秀共產黨員

1996 利用分子標記鑑定外源染色體的研究，農業部科技進步二等獎

1997 利用小麥－偃麥草異附加系創造優質、多抗冬小麥新品系的研究，山東省科技進步二等獎

2000 研究生心目中的「十大」優秀導師

2007 中國科學院「王寬誠」海外學者科學研究獎

2011年榮獲中華農業科技獎[2]

近來主要研究領域

Wheat genetics and breeding with an emphasis on wheat breeding and germplasm enhancement using chromosome engineering and molecular marker-assisted selection; marker-assisted backcrossing; genetics of plant disease and pest resistances; gene mapping (including QTLs); genetics of wheat soft grain texture; and genetics of plant-pathogen interactions.

1) Applying genomic approaches for wheat improvement

The combined use of conventional breeding with MAS, genetics, and bioinformatics accelerated the development of new wheat cultivars with enhanced yield, grain quality and disease/insect resistances (FHB, BYDV, Sr, Lr, Yr, Hessian fly, and so on). Selection efficiency had been significantly increased by using markers-trait associations.

2) Understanding the mechanisms of wheat–pathogens interactions:

Induction of wheat defense and stress-related genes in response to Fusarium graminearum; Identification of differentially expressed genes corresponding to FHB resistance using SSH, GeneCalling and a cDNA library; Selection of candidate genes for specific plant defense; Verification of the integrated network for resistance to pathogens in the plant-pathogen interactions; Analysis of FHB resistance in wheat using the Virus-Induced Gene Silencing (VIGS) system.

3) Genetic study on plant resistance gene

Amplified Fragment Length Polymorphism (AFLP) and Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP) mapping for powdery mildew resistance gene (Pm29) and microsatellite (SSR) mapping for yellow rust resistance gene (Yr15); Identification of QTLs controlling low FHB incidence in wheat and determination of the location of Striga gesnerioides resistance in cowpea (Vigna unguiculata).

4) Applying genomic approaches for wheat germplasm enhancement

Marker-assisted selection in wheat breeding and germplasm enhancement; Improvement of Triticum aestivum D genome diversity exploiting Aegilops tauschii D genome; Improvement of soft winter wheat for resistance to Fusarium head blight; Bring genomics into wheat fields.

5) Introgressing alien interest genes into adapted wheat lines

Gene introgressions for rust resistance, powdery mildew resistances and quality traits; Developing and releasing an excellent cultivar 『Shannong 408698』 with leaf rust resistance and quality traits; Identification of FHB resistance genes from Thinopyron elongatum (E, 2n=14) and Leymus multicaulis (XN, 2n=28); Pyramiding barley yellow dwarf virus (BYDV) resistance genes Bdv2 and Bdv3 into one genotype using ph mutant and null-tetrasomic lines and marker-assisted selection.

6) Expanding the current range of softer wheat textures by introgressing additional active genes from T. monococcum

Selection of translocation lines with shortened T. monococcum fragment carrying Pina and Pinb using Pina-Am1, Pinb-Am1 and Gsp-Am1 allele-specific DNA makers and ph mutant; Construction of a series of backcrossing segregation populations (BC1F1) of Ham using crosses between Chinese Spring-T. monococcum translocation (CS - 5Am) and wheat cultivars differing in grain textures; Effect of additional T. monococcum active softness genes on wheat grain textures using the molecular markers; Development of wheat varieties with much softer grain textures than soft wheat.

7) Crown rust and yellow dwarf virus resistance gene mapping in oats

Genetics of crown rust and YDV resistance genes in oats (Avena sativa); Introgression of YDV resistances from wild diploid into cultivated oats by embryo rescue.