发生纹枯病的水稻田。扬州大学供图
■本报记者 李晨 通讯员 王一凡
盛夏时节，在江苏省扬州市江都区一片热浪翻滚的稻田里，农民们正背着沉重的喷雾器穿梭于田间，将防治药液均匀地喷洒在稻丛基部。这是当地今年第二次防治纹枯病，而这样的“农药拉锯战”年复一年地在水稻产区上演。
造成这场拉锯战的元凶是被称为“烂脚病”的水稻纹枯病。这种由立枯丝核菌引发的真菌病害，堪称世界水稻生产的三大“杀手”之一。它可侵袭各类水稻品种，足迹遍布南北稻区，轻则减产，重则绝收，让农民一年的辛劳付之东流。
近日，扬州大学教授左示敏团队联合中国农业科学院植物保护研究所、河北师范大学等单位，成功克隆出蕴藏在水稻自然品种中具有显著育种价值的抗纹枯病优异基因SBRR1-R，为攻克这一长期制约水稻高产、稳产的“顽疾”提供了关键基因资源。
7月30日，相关研究成果在线发表于《自然-遗传学》。8月4日，《自然-遗传学》专门配发研究简报对该发现进行推介。
粮食的“隐形杀手”
“纹枯病菌隐蔽性很强，就像‘隐形杀手’潜伏在水稻基部叶鞘内侧，一旦药剂防控不及时、不到位，病害就会快速从基部向上传播，直至剑叶，也就是水稻植株最顶上紧靠稻穗的叶子，严重影响灌浆结实，此时再防治为时已晚。”左示敏向《中国科学报》描述纹枯病危害的隐蔽性。
数据显示，在中国主要稻区，纹枯病年均发生面积高达2.4亿亩。在高密高产栽培田块，平均每10株水稻就有至少5株存在纹枯病危害。遇到高温高湿等有利于病害发生的天气条件，即便大量用药，纹枯病仍可蔓延扩展至植株中上部。受害稻株看似穗头饱满，实则叶鞘早已被病菌蛀空，常在风雨中成片倒伏。在我国，该病无论发生面积还是造成的产量损失，均位列水稻各病害之首。
目前，防治纹枯病主要依赖化学农药。然而，病菌往往藏身于药液难以触及的茎秆基部，土壤中顽强的菌核存活期甚至达10年之久，迫使农民每季需反复施药3至5次。据统计，纹枯病年均防治投入已位列水稻各病害之首，显著增加了老百姓种植投入成本。
“最令人忧心的还是生态账。”左示敏介绍，长期大量使用杀菌剂不仅破坏了稻田生态系统，还加速了病菌抗药性的产生。然而，目前生产上推广的水稻品种普遍易感纹枯病。
中国工程院院士、中国农业科学院作物科学研究所研究员万建民表示，纹枯病是威胁全球水稻生产的重大病害，年均造成产量损失10%至30%。当前，抗纹枯病育种面临天然抗病基因缺乏、分子机制不明、抗性与农艺性状难以协同改良等关键瓶颈。因此，挖掘天然抗病基因并解析其功能，对水稻抗纹枯病育种和粮食安全至关重要。
从“大海捞针”到“精准定位”
“与稻瘟病、白叶枯病已发现数十个主效抗病基因相比，目前全球范围内已报道的水稻纹枯病抗性基因位点不足，且多数抗性基因存在抗性时效短、适用范围窄等问题，导致可供育种利用的抗源极度匮乏。”中国科学院院士、海南省崖州湾国家实验室副主任钱前表示，现有主栽品种普遍缺乏有效抗性，纹枯病已成为制约水稻单产提升的关键瓶颈。
“寻找抗纹枯病基因，是一场异常艰辛的‘马拉松’，其核心难点在于如何‘看得清’。”左示敏坦言。与其他大部分病害不同，纹枯病抗性受多个“微效基因”共同调控。虽然抗性基因有多个，但每个基因的抗性效果微弱，加上环境影响大，想要精准定位关键抗性基因犹如大海捞针。
为攻克这一难题，自上世纪90年代末开始，扬州大学教授潘学彪便率先带领团队利用分子标记技术，逐步定位到多个重要的抗纹枯病的数量性状位点。
“早期田间表型鉴定方法不够精准，我们走了不少弯路。”论文第一作者、扬州大学副教授冯志明回忆道，“比如，高温高湿天气，病害普遍严重，有抗性基因和无抗性基因的品种间病情差异会缩小。同样，低温干燥天气，病害发生轻，品种间的抗性差异也会缩小。如果没有精准的鉴定方法，很难将此抗性差异高效鉴别出来，导致同一基因去年鉴定有抗性，今年又没有了。”
潘学彪团队前期的抗病位点研究，成为这场“马拉松”中至关重要的一棒。在此基础上，左示敏带领团队接过重任，历经十余年持续攻关，深入研究了纹枯病菌特性和病害规律，革新性地建立了一套温湿度可控、消除环境干扰的纹枯病抗性表型精准鉴定技术体系，让精准识别微效抗性基因成为可能。
在精准鉴定技术的加持下，团队联合中国农业科学院植物保护研究所、河北师范大学等多家单位，对我国及周边国家或地区的200多份水稻推广品种资源进行了基因型和表型的“精确匹配”筛选。功夫不负有心人，关键抗病基因SBRR1-R 终于浮出水面。
“这个基因就像水稻内置的‘调控枢纽’，编码一种防御信号关键管家蛋白，能高效激活抗病信号，抵抗病菌侵袭。”冯志明进一步揭示了其核心价值。研究发现，该基因内部存在一段独特的“增强密码”—— 一段位于基因启动调控区域的256个碱基片段，可以有效促进水稻抗病能力实现“质的飞跃”。
“这是大自然历经百万年演化的宝贵馈赠。”论文共同通讯作者、扬州大学教授杨泽峰介绍，“研究证实，该优异单倍型SBRR1-R起源于普通野生稻中的籼稻祖先亚群。在漫长的驯化过程中，籼稻产区由于气候适宜纹枯病发生，反而‘幸运’地保存了这一基因片段；而主要分布于温带的粳稻品种则绝大多数遗失了这份珍贵的抗病‘遗产’。”
钱前表示，这是国际上首个从水稻自然品种资源中克隆的抗纹枯病基因，是水稻抗纹枯病研究领域的一个重大突破，改变了以往水稻育种实践中没有可利用的抗纹枯病基因的现状，将加速抗纹枯病新品种的培育进程。
构筑水稻抗病“绿色防线”
“自然进化已为水稻定制了如此精准的‘环境适配’。我们团队的目标就是要让这份自然馈赠，更好地在现代水稻品种中发挥作用。”左示敏说。
团队进一步证实，水稻中一个名为“bHLH57”的转录因子，是能够精准识别并且结合到SBRR1-R 基因上的关键“密码增强器”，在纹枯病菌侵染时可快速打开密码，强力激活该基因。随之产生的SBRR1蛋白在“助手”SIP1蛋白的协助下，能高效转运至细胞膜，并快速诱导下游关键抗真菌蛋白——几丁质酶的产生，最终形成强大的防御屏障抵御病原真菌的侵袭。
“这相当于给水稻装上了快速感知的‘雷达’，赋予其自主防御的能力。”左示敏比喻说，“将这个基因转入感病品种后，能显著降低纹枯病的发病程度，在纹枯病高发情况下有效减少病害造成的稻谷减产。”
目前，团队已借助标记辅助选择技术将SBRR1-R基因成功导入江苏推广的粳稻品种中。在纹枯病暴发的田间环境下，携带该基因的改良品种表现出显著的抗病能力，使得纹枯病造成的产量损失减少9.54%。
中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员何祖华表示，这说明SBRR1-R位点具有重要育种应用价值。这项研究揭示了一个蕴藏在水稻品种资源中的纹枯病抗性新机制，为解决水稻抗纹枯病育种这个长期困扰育种界的问题提供了基因资源和技术基础，是我国水稻抗病遗传育种一个新的重大成果。
左示敏表示，未来他们将挖掘更多有价值的抗纹枯病基因，并加速推动这些基因资源向产业转化，让每一粒种子里的“中国芯”真正筑起守护中国饭碗的绿色“防线”。
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