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文| 《中国科学报》记者李晨通讯员杨媛媛
条锈病被称为小麦的“癌症”。新中国成立以来，发生了8次大流行，累计损失小麦138亿公斤。
因此，中国农业农村部将条锈病列为一种农作物病害。
7月14日，《细胞》在网上发布了西北农林科技大学植物免疫团队的研究成果；持续了18年的f大学。
该团队首次在小麦中发现了“真正的杀手”——感病基因，并利用基因编辑技术，在保持小麦产量不变的情况下，使小麦不易感染条锈病，从而为抗病小麦育种开辟了新思路和新途径。
自然条件下感染条锈病的小麦。照片由西北农业大学提供。f大学
“升级打怪”：抗病基因后劲不足
小麦是世界上种植最广泛的谷类作物之一。它为世界上超过25亿人提供主食，是最重要的粮食作物。
然而，病虫害往往造成小麦产量的巨大损失，严重威胁粮食安全。
论文作者、中国工程院院士康振声告诉《中国科学报》记者，条锈病作为一种气传真菌病害，是小麦的头号重大生物灾害，在全球小麦种植区均有发生。
中国一直是受灾最严重的地区。一般来说，该病会造成小麦10%~30%的产量损失，严重时甚至导致小麦绝收。
1950年，我国小麦条锈病流行，造成当年小麦总产量的41.37%。因此，有效防控小麦条锈病对保障我国粮食安全具有重要意义。
“培育和种植抗病品种是防治条锈病最安全、最经济、最有效的措施。”康振声说。
传统方法主要是利用抗病基因培育品种。抗病基因介导的抗性强，但容易被病菌克服，导致疫病流行。
自20世纪50年代以来，中国的主要小麦品种利用了抗病基因，如Yr1、Yr9、Yr26等。突破了一轮又一轮的病菌围攻，为保障我国小麦生产安全做出了巨大贡献。
然而，随着病菌的“升级”，疾病防控越来越被动，可用于“打怪兽”的抗病基因越来越少。
这篇论文的作者、西北农业大学教授王晓杰说：f大学，告诉《中国科学报》小麦品种大面积推广三到五年后，病菌变异产生的新强毒株往往能突破品种的抗性。
此外，用传统方法培育一个抗病品种至少需要10年。
“品种的抗性丧失期明显快于品种的培育期。因此，用于有效应对小麦条锈病的品种越来越少，抗病资源日益匮乏。”王晓杰说。
如何打破这种困境？除了抗病基因，还有与病原菌密切相关的易感基因。因此，科学家们将注意力转向易感基因。
易感基因是病原菌感染致病所必需的宿主基因。
与抗病基因相比，感病基因突变介导的抗性具有持久性和广谱性的特点。
"修饰和编辑易感基因是提高作物抗性的一种重要的新方法."康振声说，然而，易感基因的多效性带来的负面影响限制了它的应用。例如，易感基因的突变会导致其自身生理功能的丧失，影响植物的生长发育、产量等性状。“寻找可以利用的易感基因一直是植物病理学和作物抗病育种的重点和难点”。
接力科研：掀开感病基因神秘面纱
原来，条锈菌是一种活体营养寄生真菌。感染时，条锈菌通过吸器从寄主细胞中吸收养分，并向寄主小麦分泌毒性效应物。这些效应子可以通过操纵寄主的感病基因或其他方式感染寄主小麦并引起病害。
论文第一作者之一、西北农业大学博士后王宁说。f大学说，“易感基因是病原菌成功感染、定殖和繁殖所必需的。分析acti的机理
由于小麦条锈病无法人工培育，也无法进行遗传转化，为了找到小麦条锈病的关键致病因子和易感基因，团队从小麦与条锈病的相互作用入手。
这场长达18年的与病菌的“赛跑”始于王小杰的博士论文。
2004年，在康振声的指导下，王晓杰开始研究小麦与条锈病互作的分子机制。
2007年，在小麦被条锈菌侵染后的基因表达实验中，他发现了一个在小麦中从未见过的基因，并将其命名为TaPsIPK1。
他发现沉默该基因可以降低小麦条锈病的易感性。然而，该基因的表达增强了小麦对条锈病的易感性，并介导小麦感染条锈病。
但由于技术水平和硬件设施的限制，王小杰在读博期间始终没有揭开这个基因的神秘面纱。
然而，他坚信这个基因背后有一个重要的秘密。
转眼11年过去了，当时博士是博士生导师。王宁成为王小杰的第一个弟子。
王晓杰第一时间拿出了自己一直缺失的基因，作为礼物送给王宁，希望她能揭开潘多拉魔盒的秘密，理清这个基因和小麦条锈病之间扑朔迷离的关系。
设计实验方案，研究实验的可行性，推敲每个实验环节.尽管困难重重，团队成员从不轻言放弃，走上这条充满未知的路。
最终，该团队发掘出世界上首个小麦易感基因TaPsIPK1——，该基因被致病蛋白所利用，编码细胞质受体蛋白激酶。
这篇论文的第一作者之一，西北农业大学副研究员唐春雷说。f大学介绍，侵染基因TaPsIPK1负调控小麦的基础免疫，可被条锈菌分泌的毒性蛋白劫持，从质膜释放到细胞核内，在细胞核内操纵转录因子，抑制抗性相关基因的转录，增强侵染基因的转录水平，放大侵染基因介导的侵染效应，促进小麦侵染。
保障稳产：实现种源自主可控
世界上第一个小麦条锈病易感基因被鉴定出来，团队成员非常兴奋。他们期望在小麦中验证其应用潜力。
范昕，论文的第一作者之一，西北农业大学的博士生。f大学，介绍他们利用基因编辑技术，精确地敲除了被感染的基因，破坏了有毒蛋白质和被感染基因之间的识别和相互作用。
令人振奋的是，这个小麦编辑品系实现了对我国三个主要条锈病流行小种的持久广谱抗性，同时对小麦叶锈病也有抗性。
田间试验证明，编辑后的小麦品系还能保持千粒重、株高、分蘖数等主要农艺性状，即保持产量稳定。
2020-2021年陕西省条锈病流行，田间种植的小麦条锈病易感基因编辑品系表现高抗条锈病。
“在保持作物主要性状和品质的前提下，编辑的小麦品系表现出高抗条锈病的特性，具有良好的应用潜力。这是一个易感基因，可用于小麦的抗病性改良。”王晓杰说。
康振声指出，小麦感病基因的发现是植物与病原菌互作领域的重大突破，标志着我国在该领域迈出了一大步。
该成果打破了小麦育种主要靠抗病基因的传统思维，丰富了抗病育种可利用的基因类型，开辟了小麦生物育种的新途径，为我国现代生物育种和绿色病害防控提供了科技支撑。
中国工程院院士陈建平评价说，该团队通过破坏病原效应器与小麦感病基因的相互作用，创造出具有广谱持久抗性的小麦材料，在该领域显示出巨大的应用前景。
这项研究工作兼具理论突破和实用价值，是植物病理学和作物抗病育种领域的标志性成果。
种业正进入生物技术、信息技术、工程技术和其他学科高度交叉和融合的新阶段
中国工程院院士徐伟刚说，西北农林科技大学植物免疫研究团队取得了创新性的重大成果。f大学在小麦感病基因的鉴定和利用上，是实现种子来源自主可控、提升种业原始自主创新能力的跨越式突破，开启了我国种业自主创新的新篇章。
相关论文信息：
doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.027
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