科技日報記者 王延斌 通訊員 王靜

小麥條銹病是一種流行性重大病害，可致小麥減產甚至絕收，其防控更是世界性難題。8月18日，科技日報記者從山東農業大學了解到，由該校付道林教授領銜的小麥生物育種團隊建立了快速基因克隆技術體系——性狀關聯突變體測序技術，在小麥中克隆到一個新型抗小麥條銹病基因YrNAM，為小麥的抗病機理研究、生物育種和種質創新提供了重要的基因資源及技術支撐。這一科研成果近日在線發表于《自然·通訊》。

小麥條銹病的危害是什么？為什么要克隆新的抗病基因？上述發現有何意義？帶著這些問題，科技日報記者采訪了該團隊。

(資料圖)

小麥條銹病對糧食安全構成嚴重威脅

“小麥條銹病是世界范圍內嚴重危害小麥生產的重要流行性病害，對國家糧食安全構成嚴重威脅。”付道林向記者表示。中國是世界上小麥條銹病發生面積最大、危害損失最重的國家之一。2020年，小麥條銹病被農業農村部列入《一類農作物病蟲害名錄》。付道林說，從苗期、拔節期、開花期，一直到成熟期，小麥在整個生育期均可被小麥條銹菌侵害。小麥條銹病可使小麥生長發育受到多方面的影響，最終導致小麥產量的損失。小麥條銹病一般流行年份常引起減產5%—10%，個別流行年份可引起減產25%，發病嚴重田塊可導致60%以上的減產甚至顆粒無收。

如今，對我國四川省、陜西省、甘肅省、湖北省十堰市、河南省信陽市等地來說，小麥條銹病仍是當地小麥生產的第一大病害。

在付道林看來，小麥條銹菌流行速度快、發生區域廣，可隨高空氣流傳播，其防控是世界性難題。克隆新的抗病基因，選育和推廣利用抗小麥條銹病小麥品種，是降低小麥條銹病危害最綠色安全、最經濟有效的措施。盡管國內外不少高校院所都在針對小麥條銹病防控展開研究，不過由于小麥基因組龐大、基因復雜，長期以來開展小麥關鍵基因的克隆非常困難。據了解，在抗小麥條銹病基因研究領域，目前國際上僅有不足十個基因得以成功克隆。

據了解，影響小麥條銹病發生和流行的環境條件主要是雨水與氣溫。比如夏季多雨，有利于越夏菌源繁殖；冬季氣溫偏高，有利于菌源越冬；春季雨露充沛，促進病菌侵染、發展和蔓延。反之，早春干旱，病葉枯死可延緩病害流行。

培育抗病品種抵御小麥條銹病

小麥條銹病具有分布廣泛、病原菌生理小種復雜多變等特點，常常導致小麥抗病品種抗性頻繁喪失。因此，小麥條銹病的抗源發掘和抗病基因鑒定一直是植物病理學與遺傳育種學研究領域的熱點、難點和重點。

專家認為，防治小麥條銹病可以通過使用化學藥劑；還可使用物理方法，在小麥生長期進行適量清茬等防止病害發生。但應用抗病品種是防治小麥條銹病最經濟、有效、安全的途徑。傳統育種中，一般利用抗病基因培育抗病品種。

“在我國，育種家利用抗病基因Yr1、Yr9和Yr26等培育的抗病品種，為小麥條銹病防控作出了重大貢獻。”上述論文共同通訊作者、山東農業大學農學院教授吳佳潔表示，大面積種植單一抗病基因品種，常導致病原菌新毒性小種的出現，并逐漸形成優勢小種，使小麥抗病品種喪失抗病性，病害暴發流行。

此次團隊研發的性狀關聯突變體測序技術，就是為了解決抗小麥條銹病基因缺乏、基因克隆困難等問題。吳佳潔介紹，該技術不需要構建精細遺傳圖譜，無需獲得親本材料的參考基因組，可實現小麥目標基因的快速克隆，并且經濟有效。

新基因的獲得，是開展生物育種的前提。如今，YrNAM基因的克隆為通過生物育種策略開展抗小麥條銹病育種創造了條件。在吳佳潔看來，新克隆的YrNAM代表著一類新的抗病基因，同時，其對多個小麥條銹菌生理小種具有高水平抗病性，這意味著它具有潛在的生產應用價值。

在實驗過程中，山東農業大學的專家們對數百份小麥品種進行了分子標記檢測，未發現有品種攜帶YrNAM基因。另外，序列分析結果表明，在目前已測序的普通小麥基因組中未發現YrNAM基因，這意味著全新的YrNAM基因對于篩選新的小麥條銹病抗源、創制抗小麥條銹病新種質意義重大。

發掘更廣泛的抗病基因類型刻不容緩

談及小麥條銹病防治仍面臨哪些挑戰時，付道林表示：“小麥條銹菌變異迅速，可通過基因突變、有性生殖等諸多變異途徑產生大量新毒性小種。小麥品種大規模推廣3年到5年后，病菌變異產生的新毒性菌系就可能‘攻破’品種的抗性，導致病害成災。”

小麥條銹菌隨著高空氣流飛往全國各地，讓無數麥農深受其害。半個世紀以來，盡管我國對小麥條銹病的防治工作十分重視，投入了大量人力、物力、財力，不斷提升防治技術，但對付“狡猾”的病原菌，還有很長的路要走。

“縱觀我國小麥條銹病的發生流行與防治歷史，小麥常常處于條銹菌流行的威脅之中。因此，加強小麥條銹病綜合治理理論與技術研究，實施源頭治理戰略，建立持久防控機制，對于保障國家小麥生產安全和糧食安全至關重要。”付道林提到，一方面，培育一個抗病品種需要花費10年左右的時間，品種抗病性喪失年限明顯短于品種培育年限。他認為，病菌新毒性小種的產生和發展是導致品種抗病性“喪失”的主要原因，抗病品種的不合理布局和品種抗源的單一性，為新的毒性小種產生提供了條件。

另一方面，雖然抗病品種的選育與應用在我國小麥條銹病防治中發揮了重要作用，但是抗病基因有限、優異抗病種質資源缺乏，導致抗病品種長期滯后于小麥條銹病優勢小種，同時缺乏抗小麥條銹病、赤霉病、白粉病等的多抗品種。

付道林表示，目前，小麥育種及生產中可利用的有效抗性基因較少，同時已有基因逐步失去其應用價值，僅Yr5、Yr15及Yr61等少數抗病基因對當前國內小麥條銹菌流行小種仍表現出抗病性。因此，發掘更為廣泛的基因類型用于抗小麥條銹病育種已經刻不容緩。

針對小麥條銹病的有效防控，付道林建議，一方面要明晰病原菌群體進化和小麥抗病屬性，合理布局使用不同抗病品種，構建不同麥區的生物屏障；另一方面要闡明病原菌致病機理和抗病基因的功能，利用新技術研發新機制、創制新抗源。

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