寻找植物“癌症”的克星

——Fhb7基因水平转移塑造小麦赤霉病抗性

湖南    肖保和

     赤霉病——小麦的“癌症”

        赤霉病是长江中下游大麦和小麦的重要病害。安徽沿江圩区、皖南山区流行频率最高，大流行年份减产五成以上，而且麦粒所含毒素，可致人畜中毒。患病大麦和小麦有三大症状：苗枯、秆腐和穗腐，以穗腐危害最大。禾赤霉菌（无性阶段大型分生孢子聚集呈粉红色，镰刀形或梭形，学名禾谷镰刀菌，如图）是小麦赤霉病的主要致病菌种。      

        小麦赤霉病被称为小麦的“癌症”，基本不可治且难防，它极大地威胁着小麦生产和食品安全。不仅使小麦减产毁质，而且其产生的脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON，又称呕吐毒素）为三级致癌物，严重污染食品和饲料，可引起人畜中毒。DON的逐渐积累，还会破坏动物的免疫功能，诱发疾病。

     寻找 “癌症”克星之路

        山东农业大学农学院党委副书记兼院长、山东省现代农业产业技术体系小麦创新团队首席专家、全国优秀共产党员孔令让带领的团队，通过20年持续研究，经抗赤霉病基因初定位、精细定位、图位克隆和抗病分子机制解析等研究，从小麦近缘植物长穗偃麦草中克隆出抗赤霉病基因Fhb7，成功将其转移至栽培小麦品种中，获得了对赤霉病抗性稳定的小麦新品种。

        孔令让团队在小麦家族及整个植物界没有发现Fhb7的同源基因，但发现禾本科植物内生真菌Epichlo 基因组中的单拷贝基因与Fhb7相似性高达97%。结果显示，二倍体长穗偃麦草早期可能与Epichlo形成共生体，通过基因水平转移将Epichlo Fhb7的DNA整合到长穗偃麦草基因组中。该发现首次提供了真核生物间核基因组DNA水平转移的证据。

        研究还发现，Fhb7编码的蛋白可以打开DON毒素的环氧基团，催化其形成谷胱甘肽加合物（DON-GSH），从而产生解毒效应。

      Fhb7在小麦育种的应用

        孔令让团队将携带该基因的小麦种质材料分发到30多家育种单位，用于小麦赤霉病抗性的遗传改良，在山东、河南、江苏、安徽等小麦主产区进行广泛试验。试验表明，Fhb7具有广谱抗性，携带Fhb7的植株在抗小麦赤霉病的同时，对小麦另一重大病害茎基腐病也表现出了明显抗性，同时对产量无显著负面影响。

        目前，携带 Fhb7 基因的多个小麦新品系已经进入国家、安徽省、山东省预备试验和区域试验，并被纳入我国小麦良种联合攻关计划，为从源头上解决小麦赤霉病问题提供了解决方案，以确保人民群众 “ 舌尖上的安全 ” 。近5年来，孔令让率领团队成员培育小麦新品种26个，研究集成小麦栽培生产技术11项，其中多个品种和技术被列为全国或山东省主推技术，年推广面积超过5000万亩，获得了较大经济效益和社会效益。

        这一研究为解决小麦赤霉病世界性难题找到了“金钥匙”。 2020年4月10日，该成果以 “First Release”的形式发表于《Science》，《Science》同期还刊登了点评文章。

     赤霉菌与赤霉素的发现

        凡事都有两面性。使小麦致“癌”的赤霉菌也并非一无是处。

        1926年，日本黑泽英一发现，当水稻感染了赤霉菌后，会出现植株疯长的现象，病株往往比正常植株高50%以上，而且结实率大大降低，因而称之为“恶苗病”。科学家将赤霉菌培养基的滤液喷施到健康水稻幼苗上，发现这些幼苗虽然没有感染赤霉菌，却出现了与"恶苗病"同样的症状。1938年日本薮田贞治郎和住木谕介从赤霉菌培养基的滤液中分离出这种活性物质，并鉴定了它的化学结构，命名为赤霉酸。1956年，CA韦斯特和BO菲尼分别证明在高等植物中普遍存在着一些类似赤霉酸的物质。到1983年已分离和鉴定出60多种，统称赤霉素，分别被命名为GA1，GA2等。

        合成赤霉素的部位主要是幼芽、幼根和未成熟的种子。果实和种子（尤其是未成熟种子） 的赤霉素含量比营养器官的多两个数量级。每个器官或组织都含有两种以上的赤霉素，而且赤霉素的种类、数量和状态都因植物发育时期而异。与生长素不同，赤霉素的运输不表现极性。不同植物间的运输速度差别很大。

        赤霉素是广谱性植物生长调节剂，应用非常广泛。主要适合果树，及棉花、番茄、马铃薯、水稻、麦子、大豆和烟草等作物。赤霉素可促进作物生长发育，使之提早成熟、提高产量、改进品质；能解除种子、块茎和鳞茎等器官的休眠，促进发芽；防止蕾、花和果实的脱落，提高果实结果率或形成无籽果实。也能使某些二年生的植物在当年开花。