作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2023/10/30 11:59:46
选择字号:
国际“会诊”,寻找水稻“癌症”解药

 

绿油油的稻田里,一些稻子呈现矮缩状态,茎秆基部、叶背有白色蜡滴状和深褐色瘤状凸起……江苏省农业科学院植物保护研究所研究员周彤敏锐地发现了水稻身上的细微变化。这是有水稻“癌症”之称的“水稻黑条矮缩病”症状,病害暴发时能引起死苗、绝收。

自2018年起,在国家自然科学基金委员会与国际农业研究磋商组织(CGIAR)合作研究项目“水稻黑条矮缩病抗性基因的鉴定与功能分析”支持下,“稻田侠医”周彤联手来自国际水稻研究所的多位专家,成功为求解水稻黑条矮缩病完成国际“会诊”。

“在国际专家的帮助下,我们成功获得一份能够抵抗这种病毒的水稻资源,并成功鉴定水稻黑条矮缩病毒抗性基因——天冬氨酸蛋白酶基因OsAP47,突破了水稻抗病育种和抗病分子机制研究的技术瓶颈。”周彤向《中国科学报》介绍。

国际水稻研究所研究员、韩国专家崔一龙表示:“此次科研合作十分愉快。中国科学家的科研水平很高,富有创新精神,为全球水稻研究共同面临的关键科学问题作出了贡献。”

周彤(左一)与崔一龙(右二)及团队成员在稻田里合影(研究团队供图)


“漂洋过海”的水稻资源

2016年6月,崔一龙站在江苏省农业科学院植物保护研究所的试验田边,详细记录下周彤向他介绍的水稻黑条矮缩病的情况。

有水稻“癌症”之称的水稻黑条矮缩病,由昆虫灰飞虱传播,是水稻生产上重要的病毒病害。水稻一旦染病,将面临无药可救的灾害,给农业生产、粮食安全带来不可挽回的损失。

近20年来,周彤带领科研团队一直致力于水稻病毒病的研究,在水稻病毒病的抗性鉴定与评价方法、抗性资源筛选,以及抗病基因的发掘与利用等方面取得了一系列成果。

对崔一龙的到来,周彤兴奋不已。双方深入交流后,找到了极具潜力的合作点,拉开了一场卓有成效的国际科研合作的序幕。

植物被病毒感染,该如何治疗?周彤向《中国科学报》介绍,为植物治病的思路和为动物治病不太一样。让动物抵抗病毒的最有效办法是通过接种疫苗产生免疫力,而植物的“免疫力”却不能通过接种疫苗获得。植物在上万年的自然演化过程中,一些品种进化出“抗性基因”,天然具有抗病毒的能力。

找到这些具备“抗性基因”的“天选”品种,并对其进行合理利用,便成为植物病害防控最经济、有效的手段。

时间回到与国际水稻研究所合作前的那几年,周彤带领科研团队踏遍全国,加紧寻找抗水稻黑条矮缩病毒的“天选”品种。遗憾的是,他们筛选了几千份材料,国内的绝大部分水稻品种都对这种病毒易感。不久后,中国专家苦寻水稻黑条矮缩病抗性品种的消息,传到了位于菲律宾的国际水稻研究所。

负责植物病毒研究的崔一龙代表国际水稻研究所与周彤取得联系,表示国际水稻研究所拥有丰富的水稻种质资源,愿意与中国科学家一起攻克全球水稻研究的科学难题。这才有了崔一龙与周彤在稻田中见面的那一幕。

经过多次深入交流,2018年二人合作申请国家自然科学基金“水稻黑条矮缩病抗性基因的鉴定与功能分析”项目,并成功获批。

在该项目的支持下,来自全球50多个国家的上千份全球水稻种质资源“漂洋过海”来到中国。周彤相信,这些资源有望帮助他们找到治疗水稻“癌症”的“解药”。

千里挑一的田间鉴定

成功引进水稻品种资源后,下一步便是要从1000多份材料里鉴定出“天选”品种。面对这项难度堪比“大海捞针”的任务,周彤和科研团队丝毫没有退缩。

2008年起,水稻黑条矮缩病在长江中下游地区暴发流行,累计超6000万亩水稻受到影响,严重影响全国水稻的产量和质量。亲眼目睹水稻受灾甚至绝收,周彤深感使命重大。“水稻是我国的主粮之一,我们农业科技工作者要用科技手段让水稻免受病虫的危害,保护国家粮食安全!”他曾这样暗下决心。

根据这项研究的基本思路,科研人员计划先用携带病毒的昆虫感染不同品种的水稻,得到一个或多个能够抗病毒的水稻种质,再进一步对这些抗病毒的种质开展基因层面的研究,找到抗性基因。

在艰辛的田间鉴定工作中,他们遇到了新的难题:如何确认水稻是不是真的对病毒不易感。周彤解释说:“这种病毒通过虫子传播。当我们把水稻种质资源放到病害重发地去鉴定对病毒的抗性时,实际上有很多种可能性,比如虫子不喜欢吃某个品种的水稻。”

为了排除这些干扰因素,科研人员突破“RSV-FREE灰飞虱群体培养”和“高亲和性饲毒”等两大关键技术,建立了一套完备的人工接种鉴定新方法,形成精准抗性评价体系。在这一体系中,科研人员以带毒虫量为核心指标制定了抗性鉴定的行业标准。

“这套新方法有效克服了以往不同环境、不同研究者间鉴定结果容易出现较大范围波动的弊端。”周彤介绍说。

在此基础上,科研团队成功“大海捞针”,找到一种“天选”水稻——来自南亚的最强抗性品种籼稻资源W44。他们进一步通过全基因组关联分析、基因表达差异和序列差异分析、基因功能注释和转基因功能验证等一系列实验室工作,锁定W44中控制抗性的基因为“天冬氨酸蛋白酶基因OsAP47”。

这是国际上第一个被克隆和经功能验证的同时抗水稻黑条矮缩病和南方水稻黑条矮缩病的抗性基因。2022年初,这项成果在《新植物学家》发表。

优势互补的国际合作

“优势互补”是周彤对本项目国际合作的最大感受。“我国是水稻黑条矮缩病病害发生的主要地区,并且我国水稻病毒研究水平处于世界前列,在精准表型鉴定方法、水稻功能基因克隆等先进技术上已有深厚积累。”周彤说,“但就缺抗性种质。”

万事俱备,只欠东风。作为全球水稻研究的先行者,国际水稻研究所拥有丰富的水稻种质资源,涵盖所有水稻种植区和类型。

除了灰飞虱传播的水稻黑条矮缩病毒之外,它的“亲戚”——南方水稻黑条矮缩病毒攻击范围可能更大,也被国家农业农村部列为水稻上的一类农作物病虫害。

南方水稻黑条矮缩病毒由迁飞的白背飞虱传播,每年冬天在湄公河三角洲内的越南、泰国、缅甸、柬埔寨等国家的区域内栖息、繁殖,3月开春后,它们随着气流飞到平流层精准抵达我国广东、广西和云南等地区的稻田中,繁殖一代后又一路向北迁飞,一直到渤海湾,甚至远至日本、韩国等国家的区域。

崔一龙和国际水稻研究所的专家深知,全球的水稻种植都可能面临水稻黑条矮缩病的威胁。并且,这两种同样都由病毒传播的水稻病害理论上具有相似的解决方案。

恰巧,近年来水稻黑条矮缩病毒的病害仅在中国发生,国际专家缺乏直接的科研对象和研究条件。因此,国际专家也对周彤的研究充满兴趣。

双方科学家一致认为,国家自然科学基金的资助为开展科研合作搭建了良好平台。据了解,该项目也是国际水稻研究所看重的工作之一。2018年10月底,时任国际水稻研究所所长马修·莫雷尔专程来到周彤的实验室。但当时水稻已经过季“下架”,周彤只好对着昆虫的照片为马修讲解水稻病毒病。

一年后的2019年11月,马修又来了,他还带着韩国、埃及、日本、俄罗斯、土耳其、澳大利亚、美国、意大利等多个国家水稻研究机构的主要负责人和科研人员。这次周彤提前准备好了病苗,在全球专家面前展示了该项目的进展。马修当时就表示:“双方通力合作一定会取得重大成果。”

在国家自然科学基金的支持下,国际水稻研究所的多位专家参与该项目研究。其中,2016年至2018年间,崔一龙参与了项目申请前期相关工作。由于工作变动,2018年至2022年间,崔一龙的工作由国际水稻研究所研究员、华人专家梁海接手。

“梁海对论文写作、修改提供了指导意见。”周彤介绍,“很遗憾,梁海去年因病去世。我们十分感激他对项目所付出的努力,并且永远怀念他!”

如今,崔一龙重新回到国际水稻研究所的工作岗位,继续与周彤计划下一步的合作方向。

他们希望挖掘出更多抗性基因并进行克隆,揭示抗性基因对抗水稻黑条矮缩病毒的策略和分子机制,解决水稻黑条矮缩病问题。

 
版权声明:凡本网注明“来源:中国科学报、科学网、科学新闻杂志”的所有作品,网站转载,请在正文上方注明来源和作者,且不得对内容作实质性改动;微信公众号、头条号等新媒体平台,转载请联系授权。邮箱:shouquan@stimes.cn。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
中国科学家首次发现“无摩擦的冰” 冰表面长啥样?原子级分辨图像揭晓答案
北方中纬高频雷达网发布首批科学探测结果 “双星计划”:开启中国空间科学新纪元
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文