廿余載科研長跑：“亮劍”世界難題小麥赤霉病
風吹麥浪，金穗飄香。在南京農業大學有這樣一支團隊，他們為了解決小麥“癌癥”赤霉病的世界性難題，圍繞抗赤霉病育種中“選什么基因、用什么親本、怎么選”的瓶頸問題持續攻關20余載。
“小麥抗赤霉病研究一直是全球研究熱點。”團隊負責人、南京農業大學教授馬正強告訴《中國科學報》，該團隊已經鑒定出18個抵抗小麥“癌癥”的遺傳位點，建立了高效的抗赤霉病分子育種技術體系，創造出上百個抗赤霉病、綜合性狀優異、適應不同生產區的新種質，并以此為基礎成功選育出高產抗赤霉病新品種。
部分團隊成員與研究生在溫室。南京農大供圖
他們不僅為解決抗赤霉病育種瓶頸問題、保障我國和全球小麥生產和食品安全作出了突出貢獻，而且將基礎研究與應用研究相結合，成為“頂天立地”的農業科研樣本。
向小麥領域的世界性難題發起挑戰
“小麥赤霉太可怕，四個麥穗能爛仨。”小麥赤霉病是由多種鐮刀菌真菌引起的小麥病害，防治困難、極具毀滅性，它不僅會導致嚴重的產量損失，還影響小麥籽粒品質和食品安全。
“隨著全球氣候變暖、耕作制度改變，赤霉病發病區域擴展、常發重發已成趨勢，嚴重制約我國綠色農業發展，影響糧食安全。”馬正強說，長期以來，缺乏抗病基因和易用的育種種質，表型選擇難、準確性差，導致小麥高產抗赤霉病育種一直難以突破。
1998年，從美國留學回國的馬正強意識到，基因組學將在復雜性狀遺傳解析中發揮關鍵作用。于是他選定了小麥赤霉病抗性這個極其重要的復雜育種性狀，以抗病遺傳基礎解析、抗病基因挖掘、優異種質創新和育種利用為團隊的主攻方向。
南京農業大學所處的長江中下游麥區一直是小麥赤霉病重發區，長期的高壓環境孕育了一批以江蘇溧陽“望水白”為代表的高抗赤霉病地方品種。它和上世紀70年代由江蘇太湖地區農科所育成的“蘇麥三號”，至今仍是世界上最好的抗赤霉病種質。
然而，幾乎所有赤霉病抗源都存在育種中難于利用的問題。以望水白為例，馬正強將其稱為小麥中的“美女”，說的是外形特征上身材高挑細瘦。但在科研人員眼中，這是個帶有瑕疵的性狀：雖然抗性好，但產量低，極易倒伏，哪怕微風吹過，都會東倒西歪。團隊要做的，就是挖掘出望水白中有用的基因，摒棄不良的累贅。
采用分子育種技術創制的第一代高抗赤霉病種質NMAS022。圖中展示在鑒定圃中人工接種20天后的表現。南京農大供圖
抗赤霉病與高產、優質等其它育種目標往往難以兼顧，抗性鑒定條件苛刻、表型選擇效率低等問題難倒了不少同行。據團隊骨干、南京農業大學教授賈海燕介紹，要想成功利用這些抗源，必須明確其抗性受多少基因控制、基因所在的位置和效應、抗病的機制是什么、抗病基因是否影響其它育種目標性狀等。于是，團隊以育種應用為導向，采用正向遺傳策略、挖掘優異遺傳變異，開始了一場艱苦的科研跋涉。
賈海燕介紹，普通小麥是部分同源六倍體，其基因組相較其他作物要復雜得多。本世紀初，小麥基因組學研究還處于嬰兒期。在2018年普通小麥基因組草圖完成以前，“對赤霉病抗性這類復雜性狀的研究，只能步步為營。”賈海燕說。
為了進行望水白基因組抗赤霉病基因的篩查，他們必須克服小麥基因組大、重復序列占比高、多態率低等一系列困難，還必須對作圖群體進行多年、多點的抗性鑒定，以獲取準確的表型數據。
賈海燕表示，抗赤霉病位點篩查僅僅是抗赤霉病基因挖掘和利用的第一步，在此基礎上，還需要進行抗病位點的精確定位、效應分析和評價、基因克隆、分子育種技術體系的建立等。
“尤其對于赤霉病抗性這樣的復雜性狀，任何一項重要進展都不是一蹴而就的。”馬正強說。
抗性鑒定實驗：麥田里的“繡花功夫”
在抗病基因挖掘中，抗性鑒定準確與否，直接決定了研究的成敗。考慮到赤霉病抗性鑒定結果受材料生長狀態、接種后的溫濕度等影響，刮風下雨等氣候變化也會直接影響鑒定的準確性，僅僅依靠個別植株的結果無法說明問題。
“對赤霉病抗性這個性狀，必須通過大規模、重復的接種鑒定才能獲得可信的數據。”團隊骨干、南京農業大學教授李國強介紹，在田間鑒定時，如果碰上小麥揚花期雨水少或者氣溫偏低，當年的努力可能就徒勞無功。
接種鑒定通常是每年3月底開始持續到5月底。針對不同的抗性類型還需要采用不同的接種方法。接種一定時間之后，科研人員需要調查每個接種穗子的病節長度、病小穗數，或者一定面積的病穗數。
網室鑒定圃（上）和田間鑒定圃（下）。南京農大供圖
記者來到一塊大約2000平方米的鑒定圃大棚，映入眼簾的是小麥植株上掛著的幾十萬個五顏六色的吊牌。據介紹，不同的吊牌顏色和形狀記錄著不同的接種時間。因為各個材料的開花期不同，接種工作通常要持續半個多月。五種顏色不夠用的話，科研人員就通過剪角的方式來區分。這樣的鑒定工作猶如大海撈針。
賈海燕告訴記者，在這期間，研究人員都是天剛亮就趕到地里。由于工作量太大，為了完成當天的工作，田間地頭就是餐桌，手機照明加班接種是家常便飯。
“我們多流汗，育種家就會少流汗；我們的結果越準確，育種家用起來就越順手，效率才會高”。這是馬正強常說的一句話，也是團隊一直以來面向應用做研究的初心。
在20多年的科研跋涉后，團隊克隆了小麥中目前已知的最重要抗赤霉病基因Fhb1，該基因具有最強的抗擴展效應，還可降低籽粒中真菌毒素的積累。2018年，該基因及其應用獲得中國和美國發明專利授權。2019年，部分研究成果發表在國際遺傳學權威期刊《自然—遺傳學》上。這對小麥抗赤霉病研究而言，是質的飛躍。
在這一重大突破后，團隊又采用分子育種策略將Fhb1導入到來自江蘇、山東、河南、四川等小麥主產區的中易感或高感赤霉病小麥品種中。他們發現，這一基因的應用能使小麥抗赤霉病擴展的能力提高76%以上，該基因不僅可以提高小麥對赤霉病的抗性，在玉米等其他作物中也可能提高其抗鐮刀菌病害的能力。
農業科研終極目標是服務生產
剛剛過去的5月，近200位專家學者來到位于南京溧水的小麥抗赤霉病基因挖掘與種質創新試驗基地，參加全國小麥抗赤霉病育種工作推進會議。
現場展示的材料中不僅包括大量的抗赤霉病育種新材料，還有已通過審定或正在進行的區試或預試的新品系。
專家們駐足在“南農999”等一系列用分子育種技術育成的抗赤霉病品系和種質前，對其田間抗性表現連連稱贊。
中國工程院院士、山東省農業科學院研究員趙振東說：“該團隊在抗赤霉病小麥育種已走在世界前列。”
中國工程院院士、河南省農業科學院研究員許為鋼表示：“該團隊在抗赤霉病的理論和育種實踐上面，應該說是雙豐收，田里展示的材料在黃淮麥區種植，不用擔心赤霉病抗性。”
中國工程院院士、中國農業大學校長孫其信高度評價了多基因聚合的分子育種策略在小麥抗赤霉病育種中的價值，“希望團隊再大膽一些、步子再大一點，助力全國小麥抗赤霉病育種整體水平的提高。”
育成品種南淮麥193表現出優秀的田間赤霉病抗性。南京農大供圖
根據綜合性狀表現和抗不同小麥病害的能力，該團隊已創造了三代抗赤霉病種質和育種材料。2013年和2017年，他們創制的NMAS022等核心抗赤霉病種質先后兩次免費發放給全國60多家育種單位，為小麥抗赤霉病育種提供了好用的親本。這也成為該團隊從基礎研究邁向生產應用的重要節點，邁出了從種質創新到品種選育、從創新鏈到產業鏈的關鍵一步。
20年探索漫長而艱辛，如果僅僅滿足于發幾篇高水平論文，也許科研不用這么辛苦。但在馬正強看來，“基礎研究的終極目標是提高和培植生產力，服務產業發展，圍繞百姓口糧的農業科研尤其如此。”
馬正強表示，對小麥赤霉病這種由兼性寄生真菌引起的病害來講，現有的進展只是萬里長征的第一步。要根治小麥癌癥赤霉病，還需要多學科交叉和緊密合作，豐富抗病基因庫和育種材料的多樣性，闡明抗病機制，進一步創新育種方法和防治策略。
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