小麦条锈病是一种流行性重大病害，可致小麦减产甚至绝收，其防控更是世界性难题。8月18日，科技日报记者从山东农业大学了解到，由该校付道林教授领衔的小麦生物育种团队建立了快速基因克隆技术体系——性状关联突变体测序技术，在小麦中克隆到一个新型抗小麦条锈病基因YrNAM，为小麦的抗病机理研究、生物育种和种质创新提供了重要的基因资源及技术支撑。这一科研成果近日在线发表于《自然·通讯》。
小麦条锈病的危害是什么？为什么要克隆新的抗病基因？上述发现有何意义？带着这些问题，科技日报记者采访了该团队。
小麦条锈病对粮食安全构成严重威胁
“小麦条锈病是世界范围内严重危害小麦生产的重要流行性病害，对国家粮食安全构成严重威胁。”付道林向记者表示。中国是世界上小麦条锈病发生面积最大、危害损失最重的国家之一。2020年，小麦条锈病被农业农村部列入《一类农作物病虫害名录》。付道林说，从苗期、拔节期、开花期，一直到成熟期，小麦在整个生育期均可被小麦条锈菌侵害。小麦条锈病可使小麦生长发育受到多方面的影响，最终导致小麦产量的损失。小麦条锈病一般流行年份常引起减产5%—10%，个别流行年份可引起减产25%，发病严重田块可导致60%以上的减产甚至颗粒无收。
如今，对我国四川省、陕西省、甘肃省、湖北省十堰市、河南省信阳市等地来说，小麦条锈病仍是当地小麦生产的第一大病害。
在付道林看来，小麦条锈菌流行速度快、发生区域广，可随高空气流传播，其防控是世界性难题。克隆新的抗病基因，选育和推广利用抗小麦条锈病小麦品种，是降低小麦条锈病危害最绿色安全、最经济有效的措施。尽管国内外不少高校院所都在针对小麦条锈病防控展开研究，不过由于小麦基因组庞大、基因复杂，长期以来开展小麦关键基因的克隆非常困难。据了解，在抗小麦条锈病基因研究领域，目前国际上仅有不足十个基因得以成功克隆。
据了解，影响小麦条锈病发生和流行的环境条件主要是雨水与气温。比如夏季多雨，有利于越夏菌源繁殖；冬季气温偏高，有利于菌源越冬；春季雨露充沛，促进病菌侵染、发展和蔓延。反之，早春干旱，病叶枯死可延缓病害流行。
培育抗病品种抵御小麦条锈病
小麦条锈病具有分布广泛、病原菌生理小种复杂多变等特点，常常导致小麦抗病品种抗性频繁丧失。因此，小麦条锈病的抗源发掘和抗病基因鉴定一直是植物病理学与遗传育种学研究领域的热点、难点和重点。
专家认为，防治小麦条锈病可以通过使用化学药剂；还可使用物理方法，在小麦生长期进行适量清茬等防止病害发生。但应用抗病品种是防治小麦条锈病最经济、有效、安全的途径。传统育种中，一般利用抗病基因培育抗病品种。
“在我国，育种家利用抗病基因Yr1、Yr9和Yr26等培育的抗病品种，为小麦条锈病防控作出了重大贡献。”上述论文共同通讯作者、山东农业大学农学院教授吴佳洁表示，大面积种植单一抗病基因品种，常导致病原菌新毒性小种的出现，并逐渐形成优势小种，使小麦抗病品种丧失抗病性，病害暴发流行。
此次团队研发的性状关联突变体测序技术，就是为了解决抗小麦条锈病基因缺乏、基因克隆困难等问题。吴佳洁介绍，该技术不需要构建精细遗传图谱，无需获得亲本材料的参考基因组，可实现小麦目标基因的快速克隆，并且经济有效。
新基因的获得，是开展生物育种的前提。如今，YrNAM基因的克隆为通过生物育种策略开展抗小麦条锈病育种创造了条件。在吴佳洁看来，新克隆的YrNAM代表着一类新的抗病基因，同时，其对多个小麦条锈菌生理小种具有高水平抗病性，这意味着它具有潜在的生产应用价值。
在实验过程中，山东农业大学的专家们对数百份小麦品种进行了分子标记检测，未发现有品种携带YrNAM基因。另外，序列分析结果表明，在目前已测序的普通小麦基因组中未发现YrNAM基因，这意味着全新的YrNAM基因对于筛选新的小麦条锈病抗源、创制抗小麦条锈病新种质意义重大。
发掘更广泛的抗病基因类型刻不容缓
谈及小麦条锈病防治仍面临哪些挑战时，付道林表示：“小麦条锈菌变异迅速，可通过基因突变、有性生殖等诸多变异途径产生大量新毒性小种。小麦品种大规模推广3年到5年后，病菌变异产生的新毒性菌系就可能‘攻破’品种的抗性，导致病害成灾。”
小麦条锈菌随着高空气流飞往全国各地，让无数麦农深受其害。半个世纪以来，尽管我国对小麦条锈病的防治工作十分重视，投入了大量人力、物力、财力，不断提升防治技术，但对付“狡猾”的病原菌，还有很长的路要走。
“纵观我国小麦条锈病的发生流行与防治历史，小麦常常处于条锈菌流行的威胁之中。因此，加强小麦条锈病综合治理理论与技术研究，实施源头治理战略，建立持久防控机制，对于保障国家小麦生产安全和粮食安全至关重要。”付道林提到，一方面，培育一个抗病品种需要花费10年左右的时间，品种抗病性丧失年限明显短于品种培育年限。他认为，病菌新毒性小种的产生和发展是导致品种抗病性“丧失”的主要原因，抗病品种的不合理布局和品种抗源的单一性，为新的毒性小种产生提供了条件。
另一方面，虽然抗病品种的选育与应用在我国小麦条锈病防治中发挥了重要作用，但是抗病基因有限、优异抗病种质资源缺乏，导致抗病品种长期滞后于小麦条锈病优势小种，同时缺乏抗小麦条锈病、赤霉病、白粉病等的多抗品种。
付道林表示，目前，小麦育种及生产中可利用的有效抗性基因较少，同时已有基因逐步失去其应用价值，仅Yr5、Yr15及Yr61等少数抗病基因对当前国内小麦条锈菌流行小种仍表现出抗病性。因此，发掘更为广泛的基因类型用于抗小麦条锈病育种已经刻不容缓。
针对小麦条锈病的有效防控，付道林建议，一方面要明晰病原菌群体进化和小麦抗病属性，合理布局使用不同抗病品种，构建不同麦区的生物屏障；另一方面要阐明病原菌致病机理和抗病基因的功能，利用新技术研发新机制、创制新抗源。
