田大剛團隊在室內種植水稻，驗證抗性基因與無毒基因的互作。

田大剛在實驗室檢測稻瘟病菌株。

在實驗室進行稻瘟病菌株培養(yǎng)。

(相關資料圖)

位于龍巖上杭縣茶地鎮(zhèn)的試驗田。

水稻是世界上50%以上人口的主糧，也是我國最重要的糧食作物之一，卻經常受到稻瘟病的侵擾。據統(tǒng)計，全球范圍內每年因稻瘟病造成的損失高達水稻總產量的10%。

“利用可靠的抗病品種鑒定理論與技術體系，是建立稻瘟病綠色高效防控體系的關鍵。”11月，省農業(yè)科學院生物技術研究所副研究員田大剛率團隊在水稻與稻瘟病菌互作方面取得重要進展，鑒定出福建稻區(qū)的優(yōu)勢無毒基因型，以及相對應的表現出良好抗病性的抗病基因。

相關文章發(fā)表于植物與微生物互作專業(yè)期刊Frontiers in Microbiology。這一研究，將為水稻抗病品種的科學布局、抗病育種及稻瘟病的綜合防控提供重要的科學依據。

水稻的“癌癥”

稻瘟病，相當于水稻的“癌癥”。

早在1637年，明朝著名科學家宋應星就在《天工開物》中將稻瘟病命名為“發(fā)炎火”。后來，科學家發(fā)現這是一種嚴重的真菌性病害。

“在我國，稻瘟病在所有水稻栽培地區(qū)均有發(fā)生，流行年份造成的產量損失據估計為10％~30％，嚴重時可達40％~50％，甚至顆粒無收。”田大剛說。

2008年起，我國水稻新品種審定開始實行稻瘟病抗性的“一票否決”制。“如果水稻對稻瘟病的抗性差，審定就通不過。”田大剛說。

但長期以來，因水稻品種的抗病性及其抗病基因組成不清，稻瘟病菌群體的優(yōu)勢無毒基因型不明，以致抗病基因在稻瘟病控制中未能得到充分利用。

“目前抗病品種的鑒定、篩選主要依靠自然發(fā)病，此方法易受田間發(fā)病條件影響，多數情況下品種抗病性鑒定結果不可靠。”田大剛說。然而，從水稻、病原菌DNA入手鑒定，則不然。

在田大剛看來，只有研究和利用水稻自身抗性基因，培育、推廣抗病品種，方為上策。早在2008年，田大剛就率領團隊開展抗病品種的選育。近年來，該團隊在水稻與稻瘟病互作抗病育種的研究中取得許多重要進展。

植物的免疫系統(tǒng)與動物類似，是經過與病原菌的長期斗爭所塑造的。“在稻瘟病原菌中，由無毒基因表達生成的效應蛋白，只能被水稻中相應的抗病基因感知，從而觸發(fā)水稻抗病反應，及時‘抵抗’稻瘟病。”田大剛說，抗病基因就像水稻中一扇特殊的“閘門”，阻止效應蛋白進入；若水稻缺失相應的抗病基因，就無法對抗病原菌。

正所謂“一副毒藥配一副解藥”。“一種抗病基因就會有相應的一種無毒基因與之對應。”但擺在田大剛面前的問題有很多，如，有的水稻抗性品種推廣幾年后就會喪失抗性，是優(yōu)勢菌群變了，還是無毒基因“升級”了？

“知己知彼，方能百戰(zhàn)不殆。”他想要研究微觀世界中的無毒基因、抗病基因等，摸透“水稻-稻瘟病菌互作”機制，在水稻與病原菌的這一場“軍備競賽”中拔得頭籌。

也因此，一場轟轟烈烈的試驗，在閩西的一個小山村展開了。

田埂上的試驗

2018年的春天，龍巖上杭縣茶地鎮(zhèn)的一處田間，迎來了117類特殊的“客人”，將要“迎戰(zhàn)”稻瘟病。

它們是來自南方11個稻區(qū)的水稻，除了生產于本省的品種外，還有的來自廣東、湖南、江蘇、廣西等地區(qū)。

這是省農業(yè)科學院生物技術研究所花了10余年時間，從我國50多年來種植面積較大的水稻品種中篩選出來的。“想通過鑒定這些品種的抗病基因，了解抗病基因在這些品種中的分布情況。此外，通過鑒定這片稻田中不同類型發(fā)病品種，找到稻瘟病菌中無毒基因的優(yōu)勢基因型。”田大剛說。

好客的茶地鎮(zhèn)提供了充裕的空間。“每個品種種植14株，分兩行。”在田大剛的指導下，一行又一行翠綠壯實的水稻秧苗依次插在了田間。

7月下旬的苗期、8月下旬的最大分蘗期……季節(jié)交替中，他們獲得了這些品種在田間生長不同時期的鑒定數據。

當茶地鎮(zhèn)遍地稻谷隨秋風泛金波時，這片試驗田里的水稻卻是枯死衰敗之景：葉、莖、葉鞘等均出現不同程度的發(fā)黃、發(fā)黑，靠近一聞，還會有腐爛味。“這就是稻瘟病了。”田大剛說。

原來，在這種稻瘟病多發(fā)重發(fā)的地區(qū)，多數水稻品種在整個生長期間，需要打多次農藥才能保證收成。“但為了充分反映出抗病基因與無毒基因的互作情況，我們利用田間自然發(fā)病，因此這片試驗田整個生育期階段都不會打藥。到成熟期，我們選擇不同類型發(fā)病品種，分離菌株。”田大剛說。

試驗也從田埂轉到了實驗室。在南平農科所，田大剛合作的團隊成員在超凈工作臺前，對田埂中的稻穗一一取樣、分離、培養(yǎng)、鑒定、保存，花了一個多月時間分離出稻瘟病菌株。

田大剛發(fā)現，這些不同時期的主栽品種，既沒有表現出田間抗病性的明顯差異，又不含有數量明顯不等的抗性基因。“這意味著，抗稻瘟病基因在過去育種過程中的大多數時期未得到充分重視，這可能是因為過去的育種家更多的關注點在產量、品質等方面，或是這些品種多數沒有經歷過發(fā)病區(qū)的篩選。”

他還發(fā)現，堿基缺失、轉座子插入和基因片段重復是當地稻瘟病菌小種幾個關鍵無毒基因變異的主要原因。“無毒基因變了，水稻原有的抗性基因就無法識別它了。這也解釋了為何有的水稻品種含有抗性基因卻喪失了抗病性。”

當然，一些優(yōu)勢無毒基因型和抗病基因也被篩查出來了。“鑒定到的無毒基因AVR-Pi9中，幾乎不存在變異基因型，說明它是很穩(wěn)定的‘靶點’，能持續(xù)被水稻中對應的抗病基因識別。”田大剛說，另外他們還對在鑒定到的抗性品種中貢獻抗性的Pi2、Pigm（抗病基因）等進行了抗性驗證，確定它們對當地的生理小種也表現出很好的抗性，暗示了這兩個抗病基因對應的無毒基因，必將是優(yōu)勢無毒基因型。

“通過水稻抗性基因與稻瘟病菌無毒基因的關聯(lián)分析，我們不僅摸清了水稻抗病基因應用情況，也知道了稻瘟病菌生理小種中的優(yōu)勢無毒基因型，這為我們下一步選擇抗病基因育種提供了有價值的參考。”田大剛說。（記者 林霞 文/圖）