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发稿时间: 2020-06-02 09:05:44

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  他找到了治疗小麦“癌症”的“特效药”

  受访者供图

  人物档案

  孔令让,山东农业大学农学院院长、“泰山学者”特聘教授、博士生导师,国家小麦改良中心山东分中心主任,山东省现代农业产业技术体系小麦创新团队首席专家,山东省农作物品种审定委员会常委兼小麦专业委员会主任,山东遗传学会理事长。先后在《科学》等期刊发表论文100余篇,出版教材专著2部;主持或参加审定小麦品种7个,推广面积累计5000多万亩;成功克隆小麦抗赤霉病基因Fhb7并探明其解毒机理,该成果在多个科学层面取得关键性突破,使我国在该领域研究走在国际前列。

  全球首次从小麦近缘植物长穗偃麦草中克隆出抗赤霉病关键基因Fhb7,并揭示了其抗病分子机制,为粮食提质增产再添重磅砝码——

  近日,《科学》杂志封面文章刊登了山东农业大学孔令让教授团队在小麦赤霉病研究领域的重大成果,这也是我国小麦研究领域在《科学》上发表的首篇文章。

  小麦赤霉病堪称小麦“癌症”,是全球小麦生产中面临的重大病害,也是威胁世界粮食生产和食品安全的重大难题。该团队在全球首次从小麦近缘植物长穗偃麦草中克隆出抗赤霉病关键基因Fhb7,并揭示了其抗病分子机制,这为解决小麦赤霉病这一世界性难题找到了“特效药”。这是继2019年南京农业大学马正强团队克隆出抗赤霉病Fhb1基因后,我国科学家在此领域的又一重大突破。

  为了这一天,孔令让及其团队已经耕耘了35年。

  把种质资源掌握在自己手里

  初夏的田野,在阵阵微风的吹拂下,正待干透的麦秆和叶片沙沙作响,仿佛向人们报告着丰收的消息。每天六点多到麦田里转一转是孔令让多年的习惯,这位国内知名专家可以“听得懂”小麦的声音,“摸得透”小麦的渴求。

  孔令让告诉科技日报记者,小麦赤霉病除了让小麦减产毁质外,它产生的呕吐毒素还被世界卫生组织定为三级致癌物,可引起人畜中毒。

  孔令让研究发现,小麦近缘植物长穗偃麦草7E染色体长臂末端携带抗赤霉病主效基因,并把该基因命名为Fhb7。历经抗病基因初定位、精细定位、图位克隆、抗病分子机制解析等长期探索,该团队最终成功将该基因转移至小麦品种,并明确了其在小麦抗病育种中的稳定抗性和应用价值。

  “Fhb7基因是禾谷类作物种质改良和创新的难得基因。”“杂交水稻之父”袁隆平院士认为,Fhb7基因的发现和其抗病机制解析对水稻、玉米等作物育种同样具有重要意义。孔令让认为,这一研究的重要意义还在于“我们把小麦抗赤霉病种质资源牢牢掌握在了自己手里”!

  孔令让坦陈:“我们农业科研人员,总说要保障国家粮食安全,安全应该有两层含义,一个是量的安全,另一个就是质的安全。我们找到这个基因,能抗赤霉病,分解呕吐毒素,就是在报效祖国。”

  一句朴实的话,诠释出科学家的拳拳爱国之心。

  同一个实验做了至少30万次

  做小麦杂交,尤其是远缘杂交研究,工作细致而繁重。业内人士常常用一句话形容,“黎明时下地,晴天一身汗,雨天一身泥。”

  偃麦草,小麦的近缘植物。挖掘出偃麦草、粗山羊草、野生二粒小麦等的优异基因导入小麦里,提升小麦抗性和品质,丰富种质资源,这便是孔令让的科研路线,但难点很多。

  例如,偃麦草是小麦近缘植物,二者染色体间难以自由交换,因此难以得到重组体。再比如,每年大田常规杂交要做一两千个组合,一个组合要做4个穗子,每个小穗保留两朵小花,每朵小花里三枚花药都要去掉雄蕊,一枚一枚捏出来,可想而知这个工作量有多大。孔令让说,做杂交就是这样,特别辛苦繁琐。

  “取得重大成果是大家共同努力的结果,学生们也付出很多。他们晚上10点前没离开过实验室。”据论文第一作者和共同通讯作者、山东农业大学农学院博士生导师王宏伟介绍,自2016年以来,团队共分析了2.5万株实验小麦,还将重复性的DNA扩增实验做了至少30万次。“做科研就要耐得住寂寞。要求每一步必须百分之百准确,一点错都不能有,这实际上也把学生累得够呛。”王宏伟说。

  “最难的还是缺钱,我们课题组把所有的钱都用在课题上。”孔令让说。

  大约40年前,偃麦草被山东农业大学引入并列为小麦杂交育种的优良材料。孔令让硕士期间的课题研究就是围绕偃麦草染色体片段如何导入普通小麦而展开。当时,细胞遗传学很热,但在此之前,三四届师兄师姐的努力都没有成功,面对困难和挑战,导师也几次询问他是否换个题目,但他坚持再试一试。

  “一根针,一台镜,用手敲,用眼蹬”,就是孔令让的工作状态。

  他回忆,“做压片,取根是关键的第一步。我就傍晚去地里浇水,第二天一早把根挖出来,这时候根比较粗壮,非常好用,天天工作到下午两三点钟才去吃饭。当时的显微镜倍数不高,但能用,所以需要‘用眼蹬’;解剖针很尖,方便取材,但是压强过大容易毁坏片子,我就把它弄断,再拿到石头上磨平,好用多了,整个片子上都能看到清晰的细胞分裂相。”

  终于,偃麦草染色体及其片段被孔令让成功导入普通小麦品种。但在科研的长征路上,这只是“迈出了一小步”。

  “田间选材感觉像是在淘宝”

  小麦远缘杂交结实比较困难。

  譬如,小麦与粗山羊草杂交需要通过幼胚拯救方能成苗,每年春季,孔令让团队在大田要做几千个杂交穗子,一个穗子上大约30个小花,算下来就是十几万枚小花,这里面能得到一两千个幼胚,然后再通过幼胚培养成苗。

  “田间选择材料感觉就像是在淘宝,每选到一份好材料还想看下一个,觉得后面还有更好的,总要选出最好的。”孔令让说。“选出最好的”,意味着大量的付出。为了打破抗赤霉病基因Fhb7和叶黄素基因Psy之间的连锁,该团队用了整整一年时间,通过分子标记辅助选择和抗赤霉病接种鉴定,完成了21000株Fhb7基因杂合体自交后代的基因型选择和抗病鉴定工作,最后找到了2株打破了这两个基因紧密连锁的小麦植株,获得了赤霉病抗性良好且面粉色泽亮白的小麦—长穗偃麦草短片段易位系。

  失败乃成功之母。但对科研人来说,如果长久地努力换来“功亏一篑的打击”,那么,再度复盘、重整旗鼓更需要一颗强大的心脏。

  在追溯该基因的进化历史时,孔令让团队反复对基因组序列进行比较分析,结果在整个植物界没有发现Fhb7的同源基因,却在偃麦草的共生菌——香柱内生真菌中发现了同源性高达97%的基因。

  “我们第一时间怀疑可能是基因组组装被内生真菌污染了,非常沮丧,因为这意味着这几年的努力全部白费了。然而过了几天,我们又对不同的偃麦草和遗传重组体进行数据分析,发现该基因的有无与植物的抗、感病表型明显相关,让我们意识到这个候选基因是真正的Fhb7。”孔令让说,这个沮丧与兴奋交织的故事,让科研充满着挑战和乐趣。

  “孔教授团队‘心有大我’的家国情怀、‘十年磨剑’的科研品质和‘集智攻关’的协同精神值得全校科研工作者学习。”山东农业大学党委书记徐剑波的这句评价,透露出3个关键词,而“集智攻关”也是孔令让一直强调的。

  “从2008年我就可以要助手,但观察了四年,终于在2012年等到了王宏伟。他是生物技术出身,做了很多关键性工作;2019年初孙思龙来学校工作,他擅长基因组学,分析基因特别在行。”王宏伟、孙思龙同为论文第一作者,为成果的攻克起到了至关重要的作用。

  孔令让说,团队接下来的工作是加速品种的审定。“现在已有多个小麦新品系进入了国家和省级预备试验和区域试验,明年开始就会陆续出现含有携带Fhb7基因的新品种。审定了品种,就可以给老百姓用了。”

【编辑:陈海峰】
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