被稱為小麥"癌症"的赤黴病是農業領域的世界性難題，嚴重威脅糧食生產和食品安全，是亟待解決的重大農業問題。2020年4月10日，山東農業大學
孔令讓教授團隊在Science發表了題為Horizontal gene transfer of Fhb7 from fungus underlies Fusarium head blight resistance in wheat 的研究長文。該團隊經過20年的持續研究成功克隆了來源於長穗偃麥草的抗赤黴病主效基因Fhb7，揭示了其抗病分子機理和遺傳機理，併成功應用於小麥育種。該成果對我國及國際小麥抗赤黴病育種具有重要意義。值得一提的是，這是我國小麥研究領域首篇Science文章，也是我國有關小麥重要功能基因研究的首篇CNS三大主刊文章。鑑於該研究的重大意義，美國科學院院士鄧興旺教授和中國工程院院士康振生教授對該研究做了點評。
專家點評
鄧興旺 教授（美國國家科學院院士，原耶魯大學終身講座教授，北京大學現代農業研究院首席科學家，北京大學現代農學院教授）
這是一篇非比尋常的宏大論文，其報道的五大研究內容精闢，其中任何一個進展皆足以在任何權威期刊上進行發表。閱讀這篇論文會給讀者帶來一次非凡的科學之旅，確實是一篇難得一見的好文章。本論文首次報道了克隆的小麥抗赤黴病基因Fhb7具有的廣譜的解毒功能。小麥赤黴病由鐮刀菌屬（Fusarium Link ex Fr．）真菌侵染而導致。鐮刀菌屬廣泛分佈於自然界中，可以侵染多種農作物和經濟作物，引起小麥、大麥、和燕麥的赤黴病和莖基腐病以及玉米的穗腐病等。鐮刀菌侵染作物後分泌的單端孢黴烯族毒素，是目前小麥、玉米等糧食及其深加工產品中主要的毒素來源。這種真菌疾病一直威脅著全球小麥的產量和質量（受感染的穀物含有毒性很強的嘔吐毒素），也是制約我國及世界糧食安全和食品安全的重要因素。
本人有幸一覽此研究的全文，五大研究內容承前啟後無縫地交織成一個完整的科學故事，闡釋了一個極具關鍵戰略意義、又飽受關注的重要基因：抗赤黴病基因Fhb7，該基因可賦予小麥對赤黴病的抗性。這五大研究內容具體包括：（1）一個複雜的長穗偃麥草基因組的高質量的組裝和註釋，長穗偃麥草攜帶抗病、抗逆、優質等許多優異基因，在小麥遠緣雜交育種中廣泛應用，抗赤黴病基因Fhb7 就來源於長穗偃麥草基因組；（2）一個由抗病新基因支持的簡練的基因克隆故事，本研究採用傳統圖位克隆技術，巧妙地使用細胞遺傳學、突變基因組學、病毒誘導的基因沉默 (VIGS) 和轉基因技術進行功能驗證，以證明所確定的基因的必要性和充分性；（3）Fhb7基因編碼一種谷胱甘肽S-轉移酶（GST)，對包括脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（DON）（又稱嘔吐毒素，被世界衛生組織列為三類致癌物質）在內的很多主要的單端孢黴烯族毒素，如NIV、T2、HT-2等都具有廣譜的解毒功能。隨後，該研究團隊通過系列分子實驗和高分辨質譜分析，進一步揭示了Fhb7編碼的蛋白可以打開DON毒素的環氧基團，並催化其形成谷胱甘肽加合物（DON-GSH），從而產生解毒效應。該研究揭示的谷胱甘肽S-轉移酶（GST) 技術有望產業化並應用於糧食深加工和飼料工業，去除食品中的相關毒素，具有重要的市場前景；
（4）田間試驗證明攜帶Fhb7基因的長穗偃麥草染色質片段在不同背景小麥中對產量性狀均沒有產生明顯的負面影響，是禾穀類作物種質改良和創新難得的好基因；(5) 還有一個驚人的發現，Fhb7看來是通過水平基因轉移 (HGT) 從真菌轉入植物！這是一個極其少見的生物基因跨界轉移現象，值得進一步深入研究，以探討植物抗病基因和基因組進化新機制。我期待並完全相信，這篇文章報道的故事將引起科學家及大眾廣泛的關注，包括那些致力於植物-病原體相互作用、穀物基因組學、植物基因組進化、植物遺傳修飾、植物育種（特別是抗病性）的研究人員，甚至世界各國決策者的廣泛關注。
專家點評
康振生 教授（中國工程院院士，西北農林科技大學教授）
小麥赤黴病是一種典型的氣候性病害， 但近年來，由於耕作方式和氣候的變化，黃淮麥區也逐漸成為赤黴病病害的常發區， 每年造成小麥產量損失達數百萬噸。因此，進一步發掘優異的抗病基因資源，明確其抗病機制並應用於小麥育種中是目前我國小麥抗赤黴病遺傳改良的重要途徑。
由於小麥基因組龐大以及小麥-真菌互作的複雜性， 目前， 科研工作者對小麥抗赤黴病機制的瞭解還十分有限。近年來， 孔令讓教授科研團隊在長穗偃麥草抗赤黴病基因 Fhb7 開展的一系列研究工作，不但為培育抗赤黴病小麥品種提供了寶貴的基因資源，同時還明確了Fhb7 編碼的蛋白可以打開單端孢黴烯族毒素的環氧基團，並催化其形成谷胱甘肽加合物（DON-GSH），從而產生解毒效應。另外， 本研究還首次提供了真核生物間核基因組 DNA 水平轉移的功能性證據，為進一步探索植物抗病基因和基因組進化機制提供了一條新途徑。
論文解讀
研究背景
小麥赤黴病是由多種鐮刀菌引起的穗部真菌病害。近年來，由於全球氣候變暖、小麥-玉米（水稻）輪作制度和秸稈還田技術的推廣，小麥赤黴病在世界範圍內不斷流行爆發，不但造成嚴重減產，同時也導致麵粉和飼料嘔吐毒素（DON）嚴重汙染，已成為威脅糧食生產和食品安全的重大難題。但遺憾的是，目前小麥種質資源中可用的主效抗赤黴病基因非常稀少。
孔令讓教授及其團隊經過20年的持續研究，首先發現小麥近緣植物長穗偃麥草7E染色體長臂末端攜帶抗赤黴病主效基因，並將其命名為Fhb7，隨後成功將該抗病基因轉移至栽培小麥品種，明確了其在小麥抗病育種中的穩定抗性和潛在的應用價值。
小麥赤黴病（孔令讓團隊供圖）
研究結果
1. 首次完成了二倍體長穗偃麥草基因組（E）的組裝、註釋和比較基因組學分析；根據參考基因組開發分子標記，利用小麥-長穗偃麥草異代換系（7D/7E）構建的作圖群體，完成Fhb7的精細定位；通過篩選BAC文庫，搭建了抗病親本物理圖譜，將該基因鎖定在245Kb的物理區間內，並獲得唯一表達的候選基因（功能註釋為谷胱甘肽轉移酶，Gluthanione S-transferase）；通過BMSV誘導基因沉默、TILLING突變體、小麥轉基因研究等驗證了該基因的功能，確認其為Fhb7。
圖1：長穗偃麥草基因組分子進化與Fhb7的圖位克隆
2. 禾穀鐮刀菌分泌的脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（DON）（又稱嘔吐毒素）被世界衛生組織列為三類致癌物質。本研究通過一系列分子實驗和高分辨質譜，發現Fhb7編碼的蛋白可以打開DON毒素的環氧基團，並催化其形成谷胱甘肽加合物（DON-GSH），從而產生解毒效應。（注：自1970年代，已知環氧基為DON毒素的核心毒性結構，本研究首次發現Fhb7編碼的蛋白可以催化其去環氧化從而實現解毒功能）。
鑑於該環氧基團在A型和B型單端孢黴烯族毒素中的保守性，進一步研究發現Fhb7具有廣譜解毒功能，即可以對3-ADON、15-ADON、NIV、T2、HT-2、Fus-X、Das等一系列鐮刀菌屬分泌的毒素進行GSH衍生化。同時，本研究也證明Fhb7對鐮刀菌屬病原菌具有廣譜抗性，其轉基因植株對小麥赤黴病和莖基腐病均表現明顯抗性。
3. 本研究在小麥族及整個植物界沒有發現Fhb7的同源基因，而禾本科植物內生真菌Epichloë 基因組中的單拷貝基因與Fhb7相似性高達97%。該結果暗示，二倍體長穗偃麥草早期可能與Epichloë形成共生體，通過基因水平轉移將Epichloë Fhb7的DNA整合到長穗偃麥草基因組中，從而進化出抗鐮刀菌屬病原菌侵染的功能（注：該發現首次提供了真核生物間核基因組DNA水平轉移的功能性證據）。
圖2：Fhb7的遺傳進化機理與抗病功能分子機理
4. 本研究利用遠緣雜交結合分子標記輔助選擇將攜帶Fhb7的染色體片段轉移至栽培小麥品種，通過多年的表型鑑定發現，在多種不同的遺傳背景下，Fhb7均顯著提高小麥赤黴病和莖基腐病抗性，而對產量無顯著的負面影響。
圖3：抗赤黴病基因Fhb7的轉移利用
研究結論
- Fhb7 的成功克隆為小麥赤黴病及莖基腐病的抗性遺傳改良提供了長效、廣譜的抗病基因資源；
- Fhb7 對單端孢黴烯族毒素的解毒功能將有可能解決糧食和飼料中單端孢黴烯族毒素嚴重汙染的問題；
- 本研究首次提供了真核生物間核基因組DNA水平轉移的功能性證據，為進一步探索植物抗病基因和基因組進化機制開闢了一條新途徑；
- 長穗偃麥草基因組組裝工作的完成，為進一步克隆並有效利用E基因組上的優異基因提供了重要的信息資源。（注：本研究受獨立知識產權保護，部分研究成果已申報專利）。
圖4：Fhb7的跨物種轉移和抗赤黴病分子機理
該論文的通訊單位為山東農業大學，通訊作者為孔令讓教授；王宏偉為第一作者和通訊作者；山東農業大學孫思龍副教授、博士研究生葛文揚、博士後趙蘭飛、博士研究生侯冰倩、博士研究生呂忠璠和諾禾致源生信工程師王凱為共同第一作者。本文主要參與人還包括中國科學院遺傳發育研究所高彩霞研究員，美國農業部中西部應用研究中心柏貴華教授，美國農業部紅河流域農業研究中心許樹軍教授，美國普渡大學
Herbert Ohm教授，以色列海法大學Eviatar Nevo教授，山東農業大學李安飛研究員，山東省農科院郭軍助理研究員以及煙臺大學李家柱副教授等。本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、轉基因重大專項、山東省農業良種工程及山東省現代農業產業技術體系的資助。
團隊合影（左起：郝永超、薄存瑤、王宏偉、李安飛、孫思龍、孔令讓、馬信）
論文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/08/science.aba5435
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關鍵字: 2019未來科學大獎 農產品 團隊
