麦收时节，同样迎来丰收的还有我国小麦研究领域。5月22日，国际顶级学术期刊《科学》在封面发表了山东农业大学孔令让团队在全球首次找到并克隆抗小麦赤霉病关键基因Fhb7的重大成果。随着论文的公开发表，各国也在加快相关产业化研究。当前，山东正按照“下决心把民族种业搞上去”的要求，大力推进现代种业强省建设，并将济南打造成北方国际种业之都。业内呼吁，可探索设立种质资源研究机构，同时依托优质平台公司，整合省内外育种、种植、加工资源在济南成立产学研共同体，抢先创建辐射全国、领先世界的免呕吐毒素产业技术体系，打造山东版“隆平高科”，推进小麦等粮食作物提质增效，保障国家粮食安全和食品安全。
从关键种质资源中找到“金钥匙”
手中有粮，心中不慌。小麦是我国主要粮食作物之一，制约小麦产业提质增效的核心问题之一在于各种频发的小麦病害。以小麦赤霉病为例，其不仅可导致小麦大面积减产，所产生的呕吐毒素还严重污染食品和饲料，被世界粮农组织列为三级致癌物质，对小麦生产造成严重威胁。据统计，仅在中国，过去30年中就有7年赤霉病受灾面积超过7000万亩，占全国冬小麦播种面积的五分之一。农业农村部全国农技推广中心3月25日的监测显示，今年全国小麦赤霉病发生面积可能达9000万亩，需预防控制面积在1.5亿亩以上。
中国工程院院士、长期致力于小麦赤霉病研究的作物遗传育种学家程顺和表示，培育与利用抗病品种是最经济有效并环保的选择。但受制于理论认知和技术水平，半个多世纪以来，关于赤霉病的研究全球鲜有突破性进展，特别是小麦种质资源中可用的主效抗赤霉病基因非常稀少。
“与大部分研究者从小麦自身寻找解决方案不同，我们的思路是从小麦近缘植物长穗偃麦草的基因组入手。”山东农业大学农学院院长、山东省现代农业产业技术体系小麦创新团队首席专家孔令让说，他与偃麦草研究结缘于35年前攻读硕士期间，2000年开始抗赤霉病研究，经过大量接种鉴定，在长穗偃麦草中首次发现抗赤霉病基因，2010年完成该基因的分子定位，2015年实现该基因向小麦的转移并在国际上命名为Fhb7。近年来，在国家自然科学基金和国家重点研发计划“七大农作物育种”重点专项等项目联合资助下，孔令让率领团队在长穗偃麦草基因组组装和抗赤霉病基因的图位克隆、基因水平转移、广谱解毒功能、抗病育种应用等多个科学层面连续取得关键性突破，使我国在此领域研究走在国际前列。
“抗赤霉病基因Fhb7克隆及育种利用是极具战略意义的，其研究内容承前启后，无缝交织成了一个完整的科学故事，阐释了极具战略意义的抗赤霉病Fhb7基因从发现、组装、克隆、解析到运用的前世今生。”美国国家科学院院士、北京大学现代农业研究院首席科学家邓兴旺对该研究给予高度评价。
今年4月10日，国际顶级学术期刊《科学》杂志在线发表这一重要突破。4月22日《科学》杂志正式发表，并成为封面文章。这是我国小麦研究领域首篇《科学》文章，也是我国小麦重要功能基因研究领域首篇CNS（《细胞》《自然》《科学》）三大主刊文章。论文第一作者和共同通讯作者、山东农业大学农学院博士生导师王宏伟说，这篇论文从投稿到发表仅用3个多月时间，获得《科学》杂志的高度认可。科学界普遍认为，这一突破解决了一个令世界头疼的难题，找到了攻克小麦赤霉病的“金钥匙”。
放眼全球其产业化价值不可估量
关于应用前景，“杂交水稻之父”袁隆平表示，Fhb7基因是禾谷类作物种质改良和创新的难得基因，其发现和抗病机制解析将有力提升我国农作物种质资源创新水平，为产业提质增效、确保国家粮食安全提供重要保障。
群体遗传分析表明，Fhb7这一高效抗性基因在小麦抗病育种中的稳定抗性和应用价值已毋庸置疑，这为从源头上解决小麦赤霉病问题提供了解决方案。更加可喜的是，孔令让团队发现Fhb7基因可以有效分解呕吐毒素，产生解毒效应，这一特性有望在粮食深加工和饲料工业中得到广泛应用，有效解决我国存储粮积累造成的呕吐毒素污染问题。Fhb7这一高效抗性基因在良种培育、谷物生产、粮食加工三个重要领域具有巨大的应用潜力，对全球粮食产业链都将产生重大影响。
一是在育种方面，不仅能抗赤霉病，对其他病害也表现出明显抗性；不仅能用于小麦品种改良，还可以广泛应用于玉米等禾谷类作物种质改良。Fhb7基因来源于长穗偃麦草，是通过杂交实现基因重组，属于杂交育种，而非转基因。研究表明，Fhb7基因对很多镰刀菌属病原菌具有广谱抗性，携带该基因的小麦品系在抗赤霉病的同时，对小麦另一重大病害茎基腐病也表现出了明显抗性，还可以从小麦领域推广应用于其他谷物选育，对粮食作物病虫害防控和保护国家粮食安全具有重要意义。
二是作为微生物制剂，可广泛应用于饲料和有机肥料产业。此前，团队采用传统图位克隆技术，使用细胞遗传学、突变基因组学、病毒诱导的基因沉默和转基因技术，对来自长穗偃麦草基因组的抗赤霉病基因Fhb7进行了充分的功能性验证。通过系列分子实验和高分辨质谱分析，发现Fhb7编码的蛋白可以打开呕吐毒素的环氧基团，并催化其形成谷胱甘肽加合物，从而产生解毒效应。目前，在畜牧业领域，受呕吐毒素污染的饲料对生猪养殖业造成很大威胁。中毒严重时会导致怀孕母猪流产、死胎等问题。联合国粮农组织和世界卫生组织将呕吐毒素被定为最危险的自然发生污染物，被列入国际研究的优先地位，严重危害人畜的安全。因此，以Fhb7的解毒功能为突破口，可研发微生物制剂在饲料和有机肥料领域得到广泛应用，比市场上现有解毒产品更为安全可靠。
三是进一步研发为广谱解毒酶剂，可应用于粮食仓储和加工过程，提高粮饲产品附加值。呕吐毒素作为粮食入库重要监测指标，粮食储备企业长期以来备受其害，受呕吐毒素污染的粮食在深加工过程中暂无有效去除办法，导致下游饲料、油品、蛋白粉、淀粉等系列产品的毒素污染，不但大大影响商业价值而且严重危害人畜健康，是食品安全领域的重大难题。围绕该研究成果的解毒机理，可进一步研发高效、条件广适的酶制剂，并将其应用于粮食深加工环节，将有可能彻底去除霉菌毒素污染，有力推动食品安全变革，保障人民健康。
加快在山东产业化落地刻不容缓
随着论文的公开发表，Fhb7基因的应用价值被迅速放大，各国也在加快相关产业化研究，尤其是欧美科研队伍和农业企业正在快速跟进。“我们要把小麦抗赤霉病种质资源牢牢掌握在自己手里!”谈到科研成果转化难转化慢，孔令让也十分着急。现在不少国外研究人员纷纷前来联系索要资料和种子，都被他们一一拒绝。
粮食作物种质资源是育种的重要物质基础，是维护国家粮食安全和种业健康发展的战略性资源。创制育种急需的突破性种质，将为提高我国种业的国际竞争力和保障国家粮食安全发挥强有力的支撑作用。
目前，该团队已将携带Fhb7基因的小麦种质材料分发到国内30多家育种单位，用于小麦赤霉病抗性的遗传改良，并在山东、河南、江苏、安徽等小麦主产区进行了广泛试验。目前，携带Fhb7基因的多个小麦新品系已经进入省级、国家级预备试验和区域试验，并被纳入我国小麦良种联合攻关计划。
“我们现在最担心的是跨国大公司的竞争，主要是种业和生物工程寡头企业，他们的持续研发能力和产业化能力非常强。”王宏伟透露，Fhb7基因的部分功能已经申请国际专利，但受制于资金压力，很难做到全球覆盖。更重要的是，一旦国外相关产业化研究突破我们成果后也可以同样申请专利保护。“办法就是立足山东加快产学研合作，持续研究，继续保持领先地位。”
一个基因创造一个产业，一粒种子改变整个世界。核心种质资源的鉴定、应用和保护一直是国际上农业领域阵地的重中之重。上世纪80年代，美国公司将抗农达除草剂的CP4基因应用于育种，一跃成为世界种子巨头。在国内，依托杂交水稻种子业务，袁隆平农业高科技股份有限公司（简称“隆平高科”）成立一年便实现A股上市，跻身全球种业前八强。
Fhb7基因研究成果也引起山东省委省政府高度重视。5月22日，全省农业科技暨现代种业工作座谈会在济南召开，要求大力推进现代种业强省建设，聚焦“保、育、测、繁、推”全产业链发展，持续加大新品种研发力度，大力提升种业企业市场竞争力，不断优化种业发展环境。此前，济南市也提出要打造北方国际种业之都。目前，济南历下控股集团下属济南科金投资管理有限公司也正与孔令让团队讨论开展产学研方面的深度合作。该公司运营的济南科技金融大厦同时也是山东省技术成果交易中心和山东省科技金融服务中心。
业内呼吁，一方面可由发改委立项，探索设立种质资源研究院，加强这一核心种质资源的保护和研究；另一方面加快抗赤霉病技术成果产业化，依托优质平台公司，整合省内外育种、种植、加工资源在济南成立产学研共同体，抢先创建辐射全国、领先世界的免呕吐毒素产业技术体系，打造山东版“隆平高科”，推进小麦等粮食作物提质增效，保障国家粮食安全和食品安全。
编辑：尹杨
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