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小麥條鏽病、赤黴病研究再發力,挽回小麥損失

時間:2019/9/10 11:00:04文章來源:中國農資網浏覽次數: 1691

    2017年11月27日,康振生從陝西楊淩趕到北京,參加完中國工程院新增院士頒證儀式,又匆匆忙忙地趕回了楊淩。第二天一大早,他走進實驗室,有條不紊地繼續手上的工作,一如往常。

    楊淩,西北農林科技大學所在地。1978年2月,春寒料峭,21歲的康振生走進了西北農學院(現西北農林科技大學),成爲恢複高考後該校植物保護專業第一屆大學生中的一員。此後40年,楊淩成爲他生命中一個尤爲重要的坐標。在這裏,他潛心小麥條鏽病、赤黴病等重大病害發生規律、致病機理與防治技術的研究,憑著強烈的事業心和嚴謹的治學態度,在教書育人以及科學研究方面取得了令人矚目的成就,三獲國家科學技術進步獎,同時,收獲了首屆全國創新爭先獎、“全國模範教師”、我國植物病理學科主要學術帶頭人、長江學者特聘教授、旱區作物逆境生物學國家重點實驗室主任乃至西北農林科技大學土生土長的第一位院士等諸多榮譽。

    “當選院士是榮譽,更是責任,是對我和我們整個團隊的認可。”康振生說。對他而言,理想與責任之間,院士康振生和教授康振生並沒有什麽區別,他依然是他,不忘初心,無問西東。他說:“我們是從田間地頭走出來的,還是要回到田間地頭上去,要瞄准世界農業科技前沿,努力用前瞻性的基礎研究和創新成果,確保國家糧食安全。”

    小麥鏽病擒真凶

    小麥條鏽病,作爲一種隨著高空氣流遠距離傳播的低溫真菌病害,一直是影響我國乃至全球糧食安全的重大生物災害。小麥患病後,在葉片、葉鞘、莖稈等部位産生鐵鏽色的疱狀病症,人們就給它起名鏽病,也叫“黃疸病”。一般流行年份,這種病害常造成小麥減産10%~30%,嚴重時甚至絕收。1950年,新中國遭遇了小麥條鏽病大流行,損失小麥60億公斤,相當于當年全國夏季征糧的總數,可夠1700萬人吃一年。

    國際上針對小麥條鏽病的主要防治措施,就是培育能抵抗病害的小麥品種。然而,小麥條鏽菌的致病性變異極其頻繁,科學家們花上8~10年才能培育成功的品種,往往兩三年就會喪失抗病性。世界各國科學家們經過長期研究認爲,這種病害主要是真菌在小麥上進行無性繁殖造成的結果。康振生也在琢磨這個問題。更令他感到奇怪的是,在我國,新的致病菌小種始終是在西北越夏地區被發現的。爲什麽中國會存在這樣一個區域?病原菌在這裏究竟發生了什麽?“這是一個謎,不管對中國,還是全球的科學家來說。

    爲了找到答案,康振生帶著團隊下隴南、入川北,凡是條鏽病菌的策源地,均留下了他的腳步。2010年,美國科學家通過實驗室接種發現,小檗可作爲小麥條鏽病的轉主寄主,但進一步研究證實小檗在小麥條鏽菌的有性生殖與病害流行中不起作用,這條消息引起了康振生的高度關注。要知道,小檗是一種枝幹上帶有小針刺的落葉灌木,在我國南北均有分布。但我國科學家過去驗證發現,無論稈鏽菌葉鏽菌還是條鏽菌均與小檗無關。

    “自然當中的條鏽病菌會不會存在有性生殖?”康振生産生了一個大膽的想法。就在這一年,他發現隴南麥田旁邊的陝西小檗、少齒小檗和長穗小檗上竟然都有被鏽菌侵染過的痕迹。一時間,他如獲至寶,把這些發病小檗的葉片小心翼翼地帶回了實驗室,並將發病小檗的鏽孢子接種到小麥上,果然,小麥出現了典型的條鏽病症狀。

    有戲!這一下,康振生堅定了自己的想法。經過一系列的試驗,他和團隊終于有了重要發現:小檗可作爲小麥條鏽菌的轉主寄主;小麥條鏽菌可在小檗上完成有性繁殖過程。即條鏽菌在秋苗階段侵染冬小麥後,便可再産生冬孢子。這些條鏽菌冬孢子會被春雨喚醒,飄飛到附近的野生灌木小檗葉上“生兒育女”——冬孢子萌發産生擔孢子,擔孢子侵染小檗,小檗葉片上表皮下形成的性孢子在異宗配合(即不同菌絲體産生的性孢子和受精絲相結合)産生鏽孢子,這些鏽孢子又會隨風回到麥田裏,再次“襲擊”小麥。就這樣,隴南“越夏易變區”成爲我國條鏽病菌源基地和病菌毒性變異的關鍵地帶。每年,小麥條鏽病菌從這裏借助高空氣流從該區域逐漸向廣大的黃淮海麥區傳播,引起全國病害大流行。而小檗的廣泛分布與條鏽病有性生殖的發生則是“越夏易變區”形成的根本原因。

    這是國際學術界首次明確有性生殖是條鏽菌毒性頻繁變異的主要途徑。而康振生團隊率先完成了條鏽菌全基因組測序和全球條鏽菌的重測序,鑒定出一批調控條鏽菌生長發育和致病的關鍵基因,爲條鏽病有效治理奠定了理論基礎。

    一個長期困擾學術界的難題就這樣破解了。康振生團隊不僅發現了條鏽菌從“越夏易變區”向黃淮海主産麥區傳播的分子證據,還探明了我國條鏽病大區傳播路徑與規律,明確了我國條鏽病防治的關鍵區域和防治思路。“重點治理越夏異變區,壓低初始菌源量,延緩病菌變異速率,阻斷病菌跨區傳播,控制全國條鏽病流行”康振生提出,要防治小麥條鏽病,必須以分區防控策略爲依據,並構建出以“作物結構調整、抗病品種布局、藥劑拌種、冬孢子隔離、小檗處理”等爲措施的“越夏易變區”治理技術體系。

    但更令康振生欣慰的是,他們制定出的我國小麥主要病蟲害全程綜合防治技術規程,已被農業部和全國農技中心采納並在全國應用推廣;而與有關單位聯合構建的“中國小麥條鏽病菌源基地綜合治理技術體系”在我國12省(市)大規模應用,成效顯著,全國條鏽病發生面積降低50%,每年挽回小麥損失20億公斤以上,年均增收節支達40億元。康振生作爲第二完成人的“中國小麥條鏽病菌源基地綜合治理技術體系的構建與應用”項目獲2012年度國家科技進步獎一等獎。

    2017年8月26日,康振生團隊相關研究成果發表在國際頂級學術期刊《植物病理學年評》上,在國內外引起廣泛關注。澳大利亞科學院院士Robert McIntosh指出,自然條件下條鏽菌有性生殖的發現在小麥條鏽病研究曆史上具有“裏程碑”式意義。

    立足西北,面向世界,引領方向,無問西東。因爲這一項項重大研究進展,康振生團隊在國際小麥條繡病領域有了一個響當當的雅號——楊淩小組。

    小麥赤黴病研究再發力

    小麥赤黴病屬于典型的氣候性病害,主要發生在小麥抽穗揚花期。赤黴病不僅會造成小麥減産和品質降低,其産生的脫氧雪腐鐮刀菌烯醇等毒素,可引起人畜中毒和嚴重疾病,威脅到食品安全。在我國,赤黴病主要流行于長江中下遊冬麥區、華南冬麥區、黃淮流域冬麥區和東北三江平原春麥區,但由于擴大灌溉、氣候變暖、稭稈還田不到位等原因,小麥赤黴病逐漸向黃淮麥區、北方麥區等擴展。近5年來,受到赤黴病影響,我國年均小麥損失近340萬噸,比上世紀90年代增加2.6倍。

    20世紀90年代末,康振生就率領團隊開展起小麥赤黴病防治基礎與應用相關研究。在國家科技攻關、科技支撐、國家傑出青年科學基金等項目的支持下,他們采用細胞學、細胞化學與分子細胞學等方法,圍繞小麥赤黴病發生與防治中的關鍵問題,開展了系統性研究。

    一是明確了赤黴病菌在小麥穗部的初侵染位點、侵染方式和擴展途徑,首次完整提出了赤黴病菌在小麥穗部的侵染和擴展模式,澄清了百年來國內外對赤黴病菌侵染途徑的爭議,爲赤黴病防治關鍵時期的確定提供了理論依據。

    二是明確了病菌侵染過程中毒素産生與寄主病變的時空關系,闡明了赤黴毒素在病菌致病中的作用。

    三是揭示了小麥抗赤黴病的細胞學機理,發現抗病小麥品種被病菌侵染後可迅速通過乳突、胞壁沉積物的形成、細胞壁的修飾及水解酶類的增長等形態結構與生化防衛反應,來協同抵禦病菌在體內的擴展。相關研究結果被Annu Rev Phytopathol綜述文章完整引述,國際權威專著Fusarium head Blight of Wheat and Barley中對此的引述更是多達26處,得到了國際同行的肯定。

    十年磨劍。在長期的攻關過程中,康振生團隊不僅是在提出問題、發現問題,也在解決問題。他們篩選出了對赤黴病具高效保護和治療作用,且可明顯降低赤黴毒素含量的三唑類殺菌劑,解決了我國赤黴病防治長期依賴單一藥劑而無替代藥劑的被動局面,目前該類殺菌劑已成爲赤黴病防治的主導藥劑。同時,根據新型耕作制度下赤黴病的發生規律,他們構建起赤黴病綜合防治技術體系,建立的“分區治理、見花打藥”的病害防控關鍵技術,防治效果由原來盛花期施藥的48%提高到77%。

    中國科學院院士魏江春爲主任的鑒定委員會認爲,研究結果對小麥赤黴病的綜合防治及抗病品種選育具有重要理論和實際意義,在小麥赤黴病菌侵染途徑、致病機理及寄主抗病機制等方面達到國際領先水平。2011年1月,康振生主持的“小麥赤黴病致病機理與防控關鍵技術”獲2010年度國家科技進步獎二等獎。近年,該技術已經在我國長江中下遊和黃淮麥區廣泛應用,年均挽回小麥損失28億公斤,取得了顯著的經濟和社會效益。

    坐標楊淩

    西北農林科技大學北校區山坡下,有一排改造出的土窯洞。低矮的洞窟不足兩米高,人在裏面幾乎無法直立,狹窄通道僅容兩人並行通過。走進窯洞,200米長的洞壁上,鑲嵌著24孔接種室,各種接種後的材料呈現出不同的狀態。“小麥條鏽病研究需要低溫實驗室,那時候科研經費不足,20世紀80年代,我的導師、中國工程院院士李振岐將荒廢的防空洞改爲低溫實驗室,沒想到,土窯洞居然真能變成研究小麥病害的風水寶地。此後,我們的工作一直延續下來。”康振生介紹說。30年下來,不同生長階段的麥苗、感染條鏽病病菌的試驗植物藏在這些土窯洞裏的“寶貝”越來越多,這裏也變成了全球唯一的窯洞實驗室。“幹好小麥條鏽病防治這件事,黃土高原是最好的選擇。”看著這些冬暖夏涼的土窯洞,康振生十分滿意。

    楊淩,是康振生最重要的人生坐標。但他的腳步從來不會局限在窯洞實驗室的方寸之地。

    早在20世紀80年代,康振生就在導師李振岐院士帶領下,到甘肅隴南、隴東、陝西關中小麥條鏽病發生重點地區開展調查。那個年代,“科研條件還不那麽好”,在康振生的記憶裏,一路調研,下了火車上汽車,下了汽車上手扶拖拉機,實在不成還有一雙腳。“隨便”成了當時最常見的生活狀態,累了,隨便找個地方歇歇腳;餓了,在農戶或者單位隨便扒口飯。但對待研究,他們始終堅持精益求精的態度,在國內首先發現了嚴重危害我國小麥主要品種的條鏽菌新致病菌系,並對該菌系的發展趨勢和危害性作了准確預測,提出的防治策略和解決途徑被農業生産部門采納,對防治和減輕小麥條鏽病危害起到了重要的指導作用。1987年,該成果榮獲陝西省科技進步獎三等獎。

    對一個碩士畢業僅3年的年輕人來說,這是一個極好的開端,康振生卻在這3年裏愈發感覺到“充電”的必要性。這一年,他考入李振岐門下,攻讀博士學位。翌年,作爲學校第一位中加聯合培養的植物病理學博士,康振生前往在小麥鏽病研究領域處于國際領先地位的加拿大農業部溫尼伯研究所開展工作。臨行前,康振生甚至在行李中特意帶上實驗材料,希望能夠借助研究所的良好科研條件,深入研究小麥條鏽病。1991年,憑借一篇題爲《小麥條鏽病菌和稈鏽菌超微結構和細胞化學的研究》的論文,康振生順利通過答辯,獲得博士學位。他在國際上首次揭示了小麥條鏽菌發育的細胞學特征,提出了吸器母細胞及其入侵結構形成所需的誘導因子是物理接觸作用而非化學作用的新觀點,填補了國際空白,澄清了國內外長期存在的有關問題。

    回國之後,康振生主編的《植物病原真菌的超微結構》和《植物病原真菌超微形態》兩本專著先後出版,用800余幅照片首次系統地記錄了我國200多個主要植物病原真菌各大類群的超微結構和超微形態特征。1997年3月,他再次走出楊淩,來到德國霍因海姆大學開展相關合作研究。之後的幾年,他幾乎都泡在實驗室裏,電子顯微鏡是他的“戀人”,而最讓他牽挂的就是遠在楊淩的母校。在德國完成的學術論文,他總要注上母校的名字。1998年,他專程回國,准備植物保護一級學科申報材料。2001年,又數次飛回楊淩,組織植物病理學國家重點學科材料申報,並參加答辯。

    這般情形下,康振生再次回國,幾乎成了所有人意料之中的事情。“出國留學是爲了學習別人先進的技術,最終目的是爲了解決中國自己的問題,把中國人的飯碗牢牢端在中國人的手上。”康振生說。

    回國之後,康振生從西北農林科技大學植保學院、農學院和生命學院等學科選拔出了一批精幹隊員,組建起植物免疫研究團隊。針對國家重大需求和國際前沿,團隊圍繞4個研究方向,形成了病害流行、病菌致病機理、寄主抗病機制、抗病資源與利用、病害防控5個研究小組。在康振生的帶領下,他們通過資源共享、優勢互補、密切合作、協同攻關,從不同方面、不同層次系統深入研究新常態下小麥重大病害的發生致災規律,揭示病原菌致災機理和寄主對病原菌侵染的應答機制,進而通過新策略創制新型廣譜抗病材料,研發病害關鍵防控技術,集成出一套多病害綠色防控技術體系,保障我國小麥生産安全。

    2012年起,康振生團隊開始爲“一帶一路”沿線國家肯尼亞、土耳其、埃塞俄比亞等國家培養技術力量和提供技術咨詢。全球鏽病協作組織負責人、美國康奈爾大學著名植物病理專家Ronie Coffman教授也高度稱贊他們的技術“可以成爲國際小麥條鏽防治的模板”。爲此,康振生先後被邀請到肯尼亞等第三世界國家進行生産防治指導。以楊淩爲起點,康振生和他的團隊終于帶著“楊淩經驗”走向了世界。

    桃李成蹊

    “康老師親切、謙虛、堅韌、務實、嚴謹、求真的人生態度時刻影響著我,他不僅是我科研的導師,也是我人生的導師,永遠激勵和鼓舞著我不斷探索科學奧秘,我將繼續跟隨康老師一道爲解決國際前沿技術和國家重大需求貢獻自己的力量。”得知康振生當選中國工程院院士後,青年長江學者、國家優秀青年科學基金獲得者王曉傑說。

    2001年起,王曉傑就師從康振生攻讀碩士、博士學位;2009年留校進入“康之隊”,16年的相處,王曉傑對導師的人才培養模式十分熟悉。從進入實驗室開始,康振生就要求研究生圍繞小麥條鏽病可持續控制的主線,制定明確的研究目標,鼓勵研究生自己選題並設計方案。他看重學生的獨立思考能力,定期和研究生座談,了解科研進度,並將自己了解的最新科研進展反饋給學生。在“康之隊”,不論是學術問題,還是具體實驗,研究生都要和康振生交換意見,常常討論到深夜。

    “嚴謹求精”,這4個字已經融進了“康之隊”的骨血。“白加黑”“五加二”是他們的常態。平時不說,2013年春節,研究生發現,大年初一康振生竟然就來到了實驗室工作。

    2013年11月,康振生帶隊到甘肅、甯夏開展小麥條鏽病秋苗調查,行車到3800米的山頂時,突遇降雪,由于路滑,一輛大轎車不能啓動,擋住了他們前行的路。手頭有沒有合適的工具,康振生和大家一起,用手掬起沙子,一趟趟送到車輪底部,幫助大轎車解除了困境。到了目的地,皚皚白雪遮蓋住了麥苗,爲了尋找被條鏽病感染的葉片,康振生帶頭,蹲在地上,小心翼翼刨開積雪,仔細尋找目標。

    “一聽說小麥條鏽病,就來勁了。”康振生妻子、也是同行的黃麗麗說道。有這樣的領頭人,經過打磨的“康之隊”成長爲精銳之師。康振生先後培養博士50多人、碩士100多人。其中,1人獲評“全國優秀博士學位論文”,3人獲教育部“博士研究生學術新人獎”;科研成果多次發表在《自然通訊》《植物病理學年鑒》等國際著名雜志上。

    “揭示條鏽菌毒性變異的遺傳與分子機理工作才拉開序幕,而這也將成爲國際研究的熱點。”談到未來,這位新晉院士誠懇地說:“時代給我們創造這麽好一個平台,才使我們能夠有機會施展自己。今後的任務,在從事科學研究的同時,要把後邊的年輕人培養好,使得我們的農業科技,真正的由過去的跟跑並跑進入領跑階段。”


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