四川在線記者 史曉露
“意味著水稻種植可以基本不施農(nóng)藥。”1月14日，談到水稻新品種“川優(yōu)6709”時(shí)，水稻育種大咖陳學(xué)偉這樣解釋該品種的突破。
近日，重慶市農(nóng)作物品種審定委員會(huì)辦公室公示了2020年初審?fù)ㄟ^的農(nóng)作物品種，由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所選育的“川優(yōu)6709”名列其中。
長(zhǎng)期以來，水稻受“稻瘟病”困擾，這種病癥被稱為水稻“癌癥”，會(huì)造成水稻大幅減產(chǎn)，是全球糧食安全的重大隱患。尋找水稻抗病基因成為科學(xué)家們多年來的努力方向。
近年來，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)西南作物基因資源發(fā)掘與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授陳學(xué)偉和團(tuán)隊(duì)，在水稻抗病性研究方面取得重大突破。兩上全球頂尖學(xué)術(shù)期刊《Cell》、《Science》，“‘川優(yōu)6709’是高抗稻瘟病品種，具有廣譜抗病性，不僅能對(duì)多種稻瘟病小種有效，而且對(duì)稻曲病和紋枯病表現(xiàn)出很好的抗性。”陳學(xué)偉說。
追蹤水稻“癌癥”克星
“四川盆地濕度大，屬于稻瘟病高發(fā)地。”陳學(xué)偉說，防治稻瘟病主要有兩種手段，一是施用化學(xué)農(nóng)藥，二是種植抗病品種。但過量施用農(nóng)藥不僅會(huì)增加種植成本，還會(huì)影響食品安全、破壞生態(tài)環(huán)境。因此，培育抗病品種是更經(jīng)濟(jì)有效的方法。
然而，要從水稻種子中篩選出抗病基因，選育出高抗水稻品種卻并不容易。
首先，稻瘟病不是特定的病菌，而是一個(gè)“大家族”，有著種類繁多的小種。“目前多數(shù)水稻抗性品種只對(duì)一個(gè)或幾個(gè)稻瘟病小種有效，不具備廣譜抗病性，而且抗性還受種植區(qū)域影響，種植環(huán)境變了，抗性也有差異。”陳學(xué)偉說。
其二，抗病性還面臨持久性考驗(yàn)。稻瘟病變化多端，今年對(duì)稻瘟病有效的抗病基因，可能第二年或者過幾年就不再有效。“就像每年的流感病毒都不一樣。”
因此，要提高水稻的抗病性，需要找到針對(duì)稻瘟病的持久廣譜抗性基因。
20年多前，這項(xiàng)工作有了突破性進(jìn)展。福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院的水稻育種學(xué)家培育出高抗稻瘟病的水稻品種“地谷”。由于其對(duì)稻瘟病具有廣譜抗病性，也成為水稻育種家廣泛研究的育種材料。不過，很長(zhǎng)時(shí)間人們都未能從中成功分離出抗病基因，這意味著無法直接將該基因轉(zhuǎn)育到其他水稻材料中，選育出高抗水稻品種。
1997年，讀研究生的陳學(xué)偉也使用到這份叫“地谷”的研究材料。彼時(shí)，陳學(xué)偉師從四川農(nóng)業(yè)大學(xué)的周開達(dá)院士、李仕貴教授和中國(guó)科學(xué)院的朱立煌研究員，在這些導(dǎo)師的精心指導(dǎo)下，他終于在博士階段，從這份材料中成功克隆了兩個(gè)抗病基因。
“但這兩個(gè)都是小種特異性抗性基因，只對(duì)少數(shù)幾個(gè)稻瘟病菌的小種有效，不具有廣譜抗病性。”陳學(xué)偉說，此外，“地谷”為何具有廣譜抗病性，它的抗病機(jī)制是怎樣的，也一直不清楚。
二十年磨一劍
陳學(xué)偉沒有放棄。
為了找尋水稻廣譜抗病性的原因，2004年他遠(yuǎn)赴美國(guó)的加州大學(xué)從事博士后研究工作，在國(guó)外著名植物病理學(xué)家的指導(dǎo)下，他對(duì)抗病分子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及抗性機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，科研能力也得到進(jìn)一步提升。
2011年，他回到母校——四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，組建科研團(tuán)隊(duì)，重新對(duì)“地谷”材料進(jìn)行研究。通過多種實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)合分子生物技術(shù)手段，最終從“地谷”基因組中，鑒定出廣譜抗病新基因，并解析了其抗病的分子機(jī)理，為防治稻瘟病提供了全新路徑。
這個(gè)過程異常艱辛。“工作量非常大，要從幾百萬份遺傳材料中，找到幾份有用的材料。”陳學(xué)偉說，水稻有一定的生長(zhǎng)周期，抗病性狀的表現(xiàn)目前只能通過將種子種到田間，根據(jù)人工調(diào)查篩選出抗病株。期間，他們借助分子育種和田間的“經(jīng)驗(yàn)育種”手段，使用全基因組關(guān)聯(lián)分析方法，不斷通過基因組合、田間選育，一步步縮小篩選范圍，花了近六年時(shí)間，終于找到稻瘟病的發(fā)病抗病機(jī)制。
“在基因Bsr-d1的啟動(dòng)子區(qū)域發(fā)現(xiàn)了水稻天然變異位點(diǎn)，正是它提高了對(duì)稻瘟病的抗病性。”陳學(xué)偉說，極為難得的是，這一變異位點(diǎn)是純天然的，而且在提高抗病性的同時(shí)，對(duì)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)沒有明顯影響。這不僅為培育持久廣譜抗稻瘟病的水稻新品種提供了關(guān)鍵抗性基因，也為其他糧食作物相關(guān)新型抗病機(jī)理的研究提供了重要借鑒。
二十年磨一劍。從1997年初次接觸“地谷”材料以來，陳學(xué)偉通過20年的持續(xù)研究終獲成果。2019年，他獲得了首屆“科學(xué)探索獎(jiǎng)”，是當(dāng)年榜單中唯一的農(nóng)林類高校得主。
2020年9月，陳學(xué)偉團(tuán)隊(duì)的水稻廣譜抗病的分子遺傳基礎(chǔ)研究，入選2020年度四川省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)類一等獎(jiǎng)。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員周儉民曾用“令人振奮的突破”來評(píng)價(jià)這項(xiàng)研究成果。
魚與熊掌可以兼得嗎？
獲得關(guān)鍵性抗性基因后，陳學(xué)偉又忙于選育高抗且高產(chǎn)的水稻新品種。
高產(chǎn)和抗病是水稻育種的兩大主要方向。然而，這兩者又往往相互拮抗，不可兼得。
“抗病基因的導(dǎo)入常常伴隨不良農(nóng)藝性狀的產(chǎn)生，比如產(chǎn)量低或品質(zhì)差，這大大增加了水稻抗病品種選育的難度。”陳學(xué)偉說。
此前，研究人員通過廣泛挖掘抗稻瘟病的水稻資源，已經(jīng)克隆出一些抗病基因，并通過雜交和反復(fù)選育，獲得了一些總體品質(zhì)較好的水稻品種。
“這次審定的川優(yōu)6709就導(dǎo)入了此前克隆的一些具有優(yōu)異有效的抗病基因。從前期試驗(yàn)來看，該品種實(shí)現(xiàn)了高抗高產(chǎn)且優(yōu)質(zhì)。在成都平原和重慶多地試種，大面積生產(chǎn)的條件下畝產(chǎn)能夠達(dá)到600—650公斤。”陳學(xué)偉說，川優(yōu)6709適宜在長(zhǎng)江中上游稻區(qū)做一季中稻種植，具有抗病性好、豐產(chǎn)性好、米質(zhì)優(yōu)、廣適性好等諸多特點(diǎn)。
不過，他也坦言，稻瘟病變化多端，川優(yōu)6709是否具有持久抗病性，還需長(zhǎng)期驗(yàn)證。
為在育種方面實(shí)現(xiàn)更大突破，當(dāng)前陳學(xué)偉和團(tuán)隊(duì)正在將新的持久廣譜抗病基因?qū)刖C合農(nóng)藝性狀優(yōu)良的水稻材料中，選育水稻新品種。“過去選育的一些水稻品種，可能也含有一些抗稻瘟病基因，但是當(dāng)時(shí)不知道具體是哪個(gè)或哪些基因在起作用，又是如何發(fā)揮作用。”陳學(xué)偉說，現(xiàn)在掌握抗病機(jī)制后，可以進(jìn)行更多基因組合，選育出新型持久廣譜抗性水稻新品種。
稻瘟病在不斷進(jìn)化，攻克稻瘟病仍存在諸多不確定性。“未來需要不斷更新 ‘武器 ’。”陳學(xué)偉說，一方面需要繼續(xù)挖掘廣譜持久抗病新基因，另一方面要實(shí)現(xiàn)抗病和產(chǎn)量等性狀協(xié)同調(diào)控的突破。
針對(duì)四川盆地的特殊自然條件，還需要研究在弱光照和高濕度環(huán)境下，如何提高水稻的抗病性，實(shí)現(xiàn)品質(zhì)和產(chǎn)量提升。
“這些都需要與水稻育種家進(jìn)行廣泛合作，才能實(shí)現(xiàn) ‘魚和熊掌兼得 ’。”陳學(xué)偉說，多年來，國(guó)內(nèi)育種家們?cè)谧魑锓N質(zhì)資源方面已實(shí)現(xiàn)資源共享，正如此次審定的川優(yōu)6709，便利用了四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所選育的不育系川106A作為母本，最終配組選育出雜交水稻新品種。
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