盛夏時(shí)節(jié)，稻田里熱浪翻滾。在江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)的一片稻田里，農(nóng)民們正背著沉重的噴霧器穿梭于田間，將防治藥液均勻地噴灑在稻叢基部，這是今年當(dāng)?shù)氐诙畏乐渭y枯病，而這樣的“農(nóng)藥拉鋸戰(zhàn)”，年復(fù)一年地在水稻產(chǎn)區(qū)上演。
造成這場(chǎng)拉鋸戰(zhàn)的元兇，正是被稱為“爛腳病”的水稻紋枯病。這種由立枯絲核菌引發(fā)的真菌病害，堪稱世界水稻生產(chǎn)的三大“殺手”之一。它可侵襲各類水稻品種，足跡遍布南北稻區(qū)，輕則減產(chǎn)，重則絕收，讓農(nóng)民一年的辛勞付之東流。
發(fā)生紋枯病的水稻田。揚(yáng)州大學(xué)供圖
近日，揚(yáng)州大學(xué)教授左示敏團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)科院植物保護(hù)研究所、河北師范大學(xué)等單位，成功克隆出蘊(yùn)藏在水稻自然品種中、具有顯著育種價(jià)值的抗紋枯病優(yōu)異基因SBRR1-R，為攻克這一長(zhǎng)期制約水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的“頑疾”提供了關(guān)鍵基因資源。相關(guān)研究成果7月30日在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然-遺傳學(xué)》。8月4日，《自然-遺傳學(xué)》專門配發(fā)了研究簡(jiǎn)報(bào)對(duì)該發(fā)現(xiàn)進(jìn)行推介。
糧食的“隱形殺手”：解困迫在眉睫
“紋枯病菌隱蔽性很強(qiáng)，就像個(gè)‘隱形殺手’，通常潛伏在水稻基部葉鞘內(nèi)側(cè)，一旦藥劑防控不及時(shí)、不到位，病害就會(huì)快速?gòu)幕肯蛏蟼鞑ィ敝羷θ~，也就是水稻植株最頂上緊靠稻穗的葉子，嚴(yán)重影響灌漿結(jié)實(shí)，此時(shí)再防治就為時(shí)已晚。”左示敏向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》描述紋枯病危害的隱蔽性。
數(shù)據(jù)顯示，在中國(guó)主要稻區(qū)，紋枯病年均發(fā)生面積高達(dá)2.4億畝。在高密高產(chǎn)栽培田塊，平均每10株稻子就有至少5株存在紋枯病危害。遇到高溫高濕等有利于病害發(fā)生的天氣條件，盡管大量用藥，紋枯病仍可蔓延擴(kuò)展至植株中上部，受害稻株看似穗頭飽滿，實(shí)則葉鞘早已被病菌蛀空，常在風(fēng)雨中成片倒伏。該病在我國(guó)無(wú)論發(fā)生面積還是造成的產(chǎn)量損失均位列水稻各病害之首。
目前，防治紋枯病主要依賴化學(xué)農(nóng)藥。然而，病菌往往藏身于藥液難以觸及的莖稈基部，土壤中頑強(qiáng)的菌核存活期更可達(dá)十年之久，迫使農(nóng)民每季需反復(fù)施藥3至5次。據(jù)統(tǒng)計(jì)，紋枯病年均防治投入已位列水稻各病害之首，顯著增加了老百姓種植投入成本。
“最令人憂心的還是生態(tài)帳。”左示敏介紹，長(zhǎng)期大量使用殺菌劑不僅破壞了稻田生態(tài)系統(tǒng)，還加速了病菌抗藥性的產(chǎn)生。然而目前生產(chǎn)上推廣的水稻品種普遍易感紋枯病。
中國(guó)工程院院士、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員萬(wàn)建民表示，紋枯病是威脅全球水稻生產(chǎn)的重大病害，年均造成產(chǎn)量損失10%~30%。當(dāng)前抗紋枯病育種面臨天然抗病基因缺乏、分子機(jī)制不明、抗性與農(nóng)藝性狀難以協(xié)同改良等關(guān)鍵瓶頸。因此，挖掘天然抗病基因并解析其功能，對(duì)水稻抗紋枯病育種和糧食安全至關(guān)重要。
攻堅(jiān)30載：從“大海撈針”到“精準(zhǔn)定位”
“與稻瘟病、白葉枯病已發(fā)現(xiàn)數(shù)十個(gè)主效抗病基因相比，目前全球范圍內(nèi)已報(bào)道的水稻紋枯病抗性基因位點(diǎn)不足，且多數(shù)抗性基因存在抗性時(shí)效短、適用范圍窄等問題，導(dǎo)致可供育種利用的抗源極度匱乏。”中國(guó)科學(xué)院院士、海南省崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副主任錢前表示，現(xiàn)有主栽品種普遍缺乏有效抗性，紋枯病已成為制約水稻單產(chǎn)提升的關(guān)鍵瓶頸。
“尋找抗紋枯病基因，是一場(chǎng)異常艱辛的‘馬拉松’，其核心難點(diǎn)在于如何‘看得清'。”左示敏坦言。與其他大部分病害不同，紋枯病抗性受多個(gè)“微效基因”共同調(diào)控。雖然抗性基因有多個(gè)，但每個(gè)基因的抗性效果微弱，加上環(huán)境影響大，想要精準(zhǔn)定位關(guān)鍵抗性基因猶如大海撈針。
健康稻田。揚(yáng)州大學(xué)供圖
為了攻克這一難題，自上世紀(jì)90年代末，揚(yáng)州大學(xué)教授潘學(xué)彪率先帶領(lǐng)成員利用分子標(biāo)記技術(shù)，歷經(jīng)重重困難，逐步定位到多個(gè)重要的抗紋枯病的數(shù)量性狀位點(diǎn)。
“早期田間表型鑒定方法不夠精準(zhǔn)，我們走了不少?gòu)澛罚闭撐牡谝蛔髡摺P(yáng)州大學(xué)副教授馮志明回憶道，“比如，高溫高濕天氣，病害普遍發(fā)生嚴(yán)重，有抗性基因和無(wú)抗性基因的品種間病情差異會(huì)縮小。同樣，低溫干燥天氣，病害發(fā)生輕，品種間的抗性差異也會(huì)被縮小。如果沒有精準(zhǔn)的鑒定方法，就很難將此抗性差異高效鑒別出來(lái)，導(dǎo)致同一基因，去年鑒定有抗性，今年又沒有了。”
潘學(xué)彪團(tuán)隊(duì)前期的抗病位點(diǎn)研究，成為了這場(chǎng)“馬拉松”中至關(guān)重要的第一棒。在此基礎(chǔ)上，左示敏帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)接過(guò)重任，歷經(jīng)十余年持續(xù)攻關(guān)，深入研究了紋枯病菌特性和病害規(guī)律，革新性地建立了一套溫濕度可控、消除環(huán)境干擾的紋枯病抗性表型精準(zhǔn)鑒定技術(shù)體系，讓精準(zhǔn)識(shí)別微效抗性基因成為可能。
在精準(zhǔn)鑒定技術(shù)的加持下，團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)科院植物保護(hù)研究所、河北師范大學(xué)等多家單位，對(duì)我國(guó)及周邊國(guó)家或地區(qū)的200多份水稻推廣品種資源進(jìn)行了基因型和表型的“精確匹配”篩選。功夫不負(fù)有心人，關(guān)鍵抗病基因SBRR1-R 終于浮出水面。
“這個(gè)基因就像水稻內(nèi)置的‘調(diào)控樞紐’，它編碼一種防御信號(hào)關(guān)鍵管家蛋白，能高效激活抗病信號(hào)，抵抗病菌侵襲。”馮志明進(jìn)一步揭示了其核心價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)，該基因內(nèi)部存在一段獨(dú)特的“增強(qiáng)密碼”——一段位于基因啟動(dòng)調(diào)控區(qū)域的256個(gè)堿基片段，可以有效促進(jìn)水稻抗病能力實(shí)現(xiàn)“質(zhì)的飛躍”。
“這是大自然歷經(jīng)百萬(wàn)年演化的寶貴饋贈(zèng)。”論文共同通訊作者、揚(yáng)州大學(xué)教授楊澤峰介紹，研究證實(shí)，該優(yōu)異單倍型SBRR1-R起源于普通野生稻中的秈稻祖先亞群。在漫長(zhǎng)的馴化過(guò)程中，秈稻產(chǎn)區(qū)由于氣候適宜紋枯病發(fā)生，反而‘幸運(yùn)’地保存了這一基因片段；而主要分布于溫帶的粳稻品種則絕大多數(shù)遺失了這份珍貴的抗病‘遺產(chǎn)’。”
錢前表示，這是國(guó)際上首個(gè)從水稻自然品種資源中克隆到的抗紋枯病基因，是水稻抗紋枯病研究領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，改變了以往水稻育種實(shí)踐中沒有可利用的抗紋枯病基因的現(xiàn)狀，將加速抗紋枯病新品種的培育進(jìn)程。
育種利器：構(gòu)筑水稻抗病“綠色防線”
“自然進(jìn)化已為水稻定制了如此精準(zhǔn)的‘環(huán)境適配’。”左示敏表示，“我們團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)，就是要讓這份自然饋贈(zèng)，更好地在現(xiàn)代水稻品種中發(fā)揮作用。”
團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)，水稻中一個(gè)名為“bHLH57”的轉(zhuǎn)錄因子，能夠精準(zhǔn)識(shí)別并且結(jié)合到SBRR1-R基因上的關(guān)鍵“密碼增強(qiáng)器”，在紋枯病菌侵染時(shí)，能快速打開密碼，強(qiáng)力激活該基因。隨之產(chǎn)生的SBRR1蛋白在“助手”SIP1 蛋白的協(xié)助下，能高效轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜，并快速誘導(dǎo)下游關(guān)鍵抗真菌蛋白——幾丁質(zhì)酶的產(chǎn)生，最終形成強(qiáng)大的防御屏障抵御病原真菌的侵襲。
“這相當(dāng)于給水稻裝上了快速感知的‘雷達(dá)’，賦予了它們自主防御的能力。”左示敏形象地比喻道。“將這個(gè)基因轉(zhuǎn)入感病品種后，能顯著降低紋枯病的發(fā)病程度，在紋枯病高發(fā)情況下，能有效減少病害造成的稻谷減產(chǎn)。”
目前，團(tuán)隊(duì)已借助標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，將SBRR1-R基因成功導(dǎo)入江蘇推廣粳稻品種中。在紋枯病嚴(yán)重爆發(fā)的田間環(huán)境下，攜帶該基因的改良品種表現(xiàn)出顯著的抗病能力，使得紋枯病造成的產(chǎn)量損失減少9.54%。
中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員何祖華表示，這說(shuō)明SBRR1-R位點(diǎn)具有重要育種應(yīng)用價(jià)值。這項(xiàng)研究揭示了一個(gè)蘊(yùn)藏在水稻品種資源中的紋枯病抗性新機(jī)制，為解決水稻抗紋枯病育種這個(gè)長(zhǎng)期困擾育種界的問題提供了基因資源和技術(shù)基礎(chǔ)，是我國(guó)水稻抗病遺傳育種的一個(gè)新的重大成果。
左示敏表示，未來(lái)他們將挖掘更多有價(jià)值的抗紋枯病基因，并加速推動(dòng)這些基因資源向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，讓每一粒種子里的“中國(guó)芯”，真正筑起守護(hù)中國(guó)飯碗的綠色“防線”。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-025-02281-4
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