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水稻育种大咖陈学伟:新品种实现突破,种水稻可以不施农药

时间:2021-01-17 00:36 |编辑:三农之声|

央视三农之声四川讯(叶晓娟)“意味着水稻种植可以基本不施农药。”1月14日,谈到水稻新品种“川优6709”时,水稻育种大咖陈学伟这样解释该品种的突破。

 近日,重庆市农作物品种审定委员会办公室公示了2020年初审通过的农作物品种,由四川农业大学水稻研究所选育的“川优6709”名列其中。

 长期以来,水稻受“稻瘟病”困扰,这种病症被称为水稻“癌症”,会造成水稻大幅减产,是全球粮食安全的重大隐患。寻找水稻抗病基因成为科学家们多年来的努力方向。

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 近年来,四川农业大学西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室教授陈学伟和团队,在水稻抗病性研究方面取得重大突破。两上全球顶尖学术期刊《Cell》、《Science》,“‘川优6709’是高抗稻瘟病品种,具有广谱抗病性,不仅能对多种稻瘟病小种有效,而且对稻曲病和纹枯病表现出很好的抗性。”陈学伟说。

 追踪水稻“癌症”克星

“四川盆地湿度大,属于稻瘟病高发地。”陈学伟说,防治稻瘟病主要有两种手段,一是施用化学农药,二是种植抗病品种。但过量施用农药不仅会增加种植成本,还会影响食品安全、破坏生态环境。因此,培育抗病品种是更经济有效的方法。

 然而,要从水稻种子中筛选出抗病基因,选育出高抗水稻品种却并不容易。

 首先,稻瘟病不是特定的病菌,而是一个“大家族”,有着种类繁多的小种。“目前多数水稻抗性品种只对一个或几个稻瘟病小种有效,不具备广谱抗病性,而且抗性还受种植区域影响,种植环境变了,抗性也有差异。”陈学伟说。

其二,抗病性还面临持久性考验。稻瘟病变化多端,今年对稻瘟病有效的抗病基因,可能第二年或者过几年就不再有效。“就像每年的流感病毒都不一样。”

因此,要提高水稻的抗病性,需要找到针对稻瘟病的持久广谱抗性基因。

20年多前,这项工作有了突破性进展。福建省农业科学研究院的水稻育种学家培育出高抗稻瘟病的水稻品种“地谷”。由于其对稻瘟病具有广谱抗病性,也成为水稻育种家广泛研究的育种材料。不过,很长时间人们都未能从中成功分离出抗病基因,这意味着无法直接将该基因转育到其他水稻材料中,选育出高抗水稻品种。

 1997年,读研究生的陈学伟也使用到这份叫“地谷”的研究材料。彼时,陈学伟师从四川农业大学的周开达院士、李仕贵教授和中国科学院的朱立煌研究员,在这些导师的精心指导下,他终于在博士阶段,从这份材料中成功克隆了两个抗病基因。

“但这两个都是小种特异性抗性基因,只对少数几个稻瘟病菌的小种有效,不具有广谱抗病性。”陈学伟说,此外,“地谷”为何具有广谱抗病性,它的抗病机制是怎样的,也一直不清楚。

 二十年磨一剑

 陈学伟没有放弃。

 为了找寻水稻广谱抗病性的原因,2004年他远赴美国的加州大学从事博士后研究工作,在国外著名植物病理学家的指导下,他对抗病分子信号转导及抗性机理进行了系统研究,科研能力也得到进一步提升。

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 2011年,他回到母校——四川农业大学,组建科研团队,重新对“地谷”材料进行研究。通过多种实验方法,结合分子生物技术手段,最终从“地谷”基因组中,鉴定出广谱抗病新基因,并解析了其抗病的分子机理,为防治稻瘟病提供了全新路径。

 这个过程异常艰辛。“工作量非常大,要从几百万份遗传材料中,找到几份有用的材料。”陈学伟说,水稻有一定的生长周期,抗病性状的表现目前只能通过将种子种到田间,根据人工调查筛选出抗病株。期间,他们借助分子育种和田间的“经验育种”手段,使用全基因组关联分析方法,不断通过基因组合、田间选育,一步步缩小筛选范围,花了近六年时间,终于找到稻瘟病的发病抗病机制。

“在基因Bsr-d1的启动子区域发现了水稻天然变异位点,正是它提高了对稻瘟病的抗病性。”陈学伟说,极为难得的是,这一变异位点是纯天然的,而且在提高抗病性的同时,对水稻产量和品质没有明显影响。这不仅为培育持久广谱抗稻瘟病的水稻新品种提供了关键抗性基因,也为其他粮食作物相关新型抗病机理的研究提供了重要借鉴。

 二十年磨一剑。从1997年初次接触“地谷”材料以来,陈学伟通过20年的持续研究终获成果。2019年,他获得了首届“科学探索奖”,是当年榜单中唯一的农林类高校得主。

 2020年9月,陈学伟团队的水稻广谱抗病的分子遗传基础研究,入选2020年度四川省科学技术奖自然科学类一等奖。中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员周俭民曾用“令人振奋的突破”来评价这项研究成果。

 鱼与熊掌可以兼得吗?

 获得关键性抗性基因后,陈学伟又忙于选育高抗且高产的水稻新品种。

 高产和抗病是水稻育种的两大主要方向。然而,这两者又往往相互拮抗,不可兼得。

“抗病基因的导入常常伴随不良农艺性状的产生,比如产量低或品质差,这大大增加了水稻抗病品种选育的难度。”陈学伟说。

 此前,研究人员通过广泛挖掘抗稻瘟病的水稻资源,已经克隆出一些抗病基因,并通过杂交和反复选育,获得了一些总体品质较好的水稻品种。

“这次审定的川优6709就导入了此前克隆的一些具有优异有效的抗病基因。从前期试验来看,该品种实现了高抗高产且优质。在成都平原和重庆多地试种,大面积生产的条件下亩产能够达到600—650公斤。”陈学伟说,川优6709适宜在长江中上游稻区做一季中稻种植,具有抗病性好、丰产性好、米质优、广适性好等诸多特点。

 不过,他也坦言,稻瘟病变化多端,川优6709是否具有持久抗病性,还需长期验证。

 为在育种方面实现更大突破,当前陈学伟和团队正在将新的持久广谱抗病基因导入综合农艺性状优良的水稻材料中,选育水稻新品种。“过去选育的一些水稻品种,可能也含有一些抗稻瘟病基因,但是当时不知道具体是哪个或哪些基因在起作用,又是如何发挥作用。”陈学伟说,现在掌握抗病机制后,可以进行更多基因组合,选育出新型持久广谱抗性水稻新品种。

 稻瘟病在不断进化,攻克稻瘟病仍存在诸多不确定性。“未来需要不断更新 ‘武器 ’。”陈学伟说,一方面需要继续挖掘广谱持久抗病新基因,另一方面要实现抗病和产量等性状协同调控的突破。

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 针对四川盆地的特殊自然条件,还需要研究在弱光照和高湿度环境下,如何提高水稻的抗病性,实现品质和产量提升。

“这些都需要与水稻育种家进行广泛合作,才能实现 ‘鱼和熊掌兼得 ’。”陈学伟说,多年来,国内育种家们在作物种质资源方面已实现资源共享,正如此次审定的川优6709,便利用了四川省农业科学院作物研究所选育的不育系川106A作为母本,最终配组选育出杂交水稻新品种。(受访者供图)

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