研究粮食作物病害防治的新成果
（一）探索水稻病害防治的新信息
1．防治稻瘟病研究的新进展
⑴完成稻瘟病菌基因组测序。[8]2005年4月21日，美国北卡罗来纳州立大学的一个研究小组，在《自然》杂志上公布了常见的稻瘟病菌的基因组草图，这是科学家首次完成植物病原体的基因测序。
稻瘟病是一种常见的水稻疾病，由真菌病原体引起，多发于泰国、菲律宾这样气候湿热的国家，它造成的水稻产量损失可高达15%至30%。据测算，由于稻瘟病的危害，全球范围内每年减产的水稻足以养活6000万以上的人口。
研究人员说，测序结果表明，稻瘟病菌的基因超过1.1万个。另外，他们发现，这种真菌的孢子上存在一个受体，这种受体能够区别水稻和其他作物。研究人员还说，该受体的发现，在抗击这种病菌的道路上迈出了一大步。研究人员可以通过转基因方法，对水稻进行改良，使其不被受体识别。
目前，农民只能使用农药来预防稻瘟病，大量喷洒会导致他们健康受损，研究人员说，转基因水稻的出现将减少或消除农药的使用。
⑵发现稻瘟病病原菌的遗传基因。[9]2007年3月，首尔大学农业生命工学科教授李龙焕领导的科研小组，在《自然·遗传学》杂志网络版上发表论文称，他们已成功确定水稻稻瘟病病原菌的数百种病原性遗传基因。
研究人员表示，今后将联合生物学、遗传学和电脑方面的专家，建立生物信息学研究体系，进一步分析稻瘟病病原菌遗传基因之间的相互关系。
据介绍，研究人员2005年开始，对稻瘟病病原菌进行深入研究。他们在对稻瘟病病原菌的2万多种变体进行生物学实验后，确定了病原菌的741种遗传基因，其中202种是病原性遗传基因。稻瘟病是一种常见水稻疾病，由真菌病原体引起，多发于气候湿热的国家，其造成的水稻产量损失高达15%～30％。据测算，由于稻瘟病的危害，全球范围内每年减产的水稻，足以养活6000万以上人口。
⑶揭示激活稻瘟病防卫基因的机制。[10]2019年4月9日，中科院植物生理生态研究所何祖华研究员主持的研究团队，在《分子细胞》网络版发表论文称，水稻病害中最让农民头疼的一种“顽症”是稻瘟病。该病害严重影响水稻产量，甚至导致颗粒无收。近日，他们在广谱和持久抗稻瘟病研究中获得新突破，发现了激活稻瘟病防卫基因的控制机制。
此前，该研究团队已分离鉴定出广谱持久抗瘟性新基因位点Pigm，并发现它是一个包含多个抗病基因的基因簇，编码一对“黄金搭档”功能蛋白：PigmR和PigmS免疫受体，可以让水稻具有高抗、广谱和持久抗病性且高产。
该研究成果，进一步破解了PigmR为什么能控制广谱抗病的问题。研究人员发现，植物中存在一类新的调控基因表达的因子即转录因子家族RRM。PigmR就像“司令”，RRM好比“将领”，它听从“司令”指令，选择性地与广谱抗病蛋白直接作用，进入细胞核，激活下游的“士兵”：防卫基因，从而使水稻产生广谱抗病性。如果RRM直接进入细胞核，水稻即使没有抗病基因，也可以产生抗病性。这是说，可用RRM改良不同作物的抗病性。
这项研究，为植物抗病蛋白的信号转导和广谱抗病机制的探索，以及实际的抗病育种，提供了重要理论依据和技术支持。
⑷成功克隆出一个抗稻瘟病新基因。[11]2019年8月23日，中国工程院万建民院士领导，南京农业大学王家昌博士、中国农科院作物科学研究所任玉龙副研究员参加的研究团队，与中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所、中科院遗传与发育生物学研究所等单位合作，在《细胞研究》杂志网络版上发表有关水稻抗稻瘟病分子机制的最新成果。他们克隆出调控水稻先天免疫的一个新基因，并对其影响水稻苗期稻瘟病抗性的分子机制进行深入研究。
植物主要依靠自身的免疫系统抵御病原的入侵。在模式触发的免疫反应中，植物通过定位于细胞膜上的模式识别受体，识别病原相关分子模式，从而激活免疫反应。细胞质中钙离子浓度的瞬时上升，一直被认为是植物触发免疫反应的早期核心事件之一，但水稻中负责介导这一过程的钙离子通道仍然未知。
王家昌介绍，该研究团队以一个苗期稻瘟病抗性减弱的水稻突变体为材料，通过图位克隆的方法，获得一个编码环核苷酸离子通道蛋白的基因OsCNGC9，该基因对水稻苗期稻瘟病抗性具有正向调控作用，并被进一步鉴定为一个钙离子通道蛋白。
任玉龙说，在水稻触发免疫反应过程中，该基因积极调控病原相关分子诱导的胞外钙离子内流、活性氧爆发和触发免疫反应相关基因的表达。进一步研究还发现，一个水稻触发免疫反应相关的类受体激酶OsRLCK185，可以与OsCNGC9互动，通过将其磷酸化从而改变其通道活性。使其过表达以显著提高水稻的触发免疫反应和苗期稻瘟病抗性，这初步展现了该基因在水稻抗病遗传改良中的潜在应用价值。
万建民认为，这项研究建立了一条从病原菌识别到钙离子通道激活的免疫信号传导途径，填补了植物模式触发的免疫反应中缺失的重要一环，也为利用OsCNGC9进行水稻抗病遗传改良提供了理论基础。
⑸发现可阻止稻瘟病菌扩散的一个新途径。[12]2018年3月26日，英国埃克塞特大学发布新闻公报说，该校和美国堪萨斯州立大学等机构组成的一个国际研究小组，在《科学》杂志上发表论文称，他们最新研究发现，抑制稻瘟病菌的一种特定蛋白质活动，可阻止病菌在水稻细胞间传染。
稻瘟病是水稻的主要病害之一，它由真菌感染而引起，可使稻株萎缩或枯死。每年全球因稻瘟病损失的水稻产量高达30%。新发现将帮助深入理解稻瘟病的机制，开发实用的抗病药物和技术。稻瘟病菌通过菌丝侵袭水稻细胞，在细胞内复制出更多菌丝，然后通过细胞之间细微的连接通道：胞间连丝隐蔽地传染其他细胞，且不会被水稻的免疫系统攻击。
该研究小组表示，用化学遗传学手段抑制稻瘟病菌PMK1蛋白质的活动，就能将病菌束缚在细胞内部，阻止其传染其他细胞。研究人员发现，PMK1蛋白质调控着一系列基因的表达，这些基因有的能抑制水稻免疫系统，防止它识别和攻击稻瘟病菌；还有的会使病菌菌丝具备“缩骨功”，能缩得很小以便在胞间连丝的管道里穿行。
研究人员表示，这是一个重大发现，但目前还不能应用于实际。他们希望在此基础上能找到PMK1蛋白质的作用目标，搞清楚稻瘟病的分子机制。
2．防治水稻白叶枯病研究的新进展
成功克隆水稻白叶枯病的“克星”基因。[13]2021年1月，浙江师范大学马伯军课题组，与中国水稻研究所钱前院士课题组联合组成的研究团队，在《植物通讯》杂志发表论文称，他们成功克隆水稻白叶枯病的“克星”：持久抗病基因Xa7。通过揭示Xa7高抗、广谱、持久、耐热特性的新抗病分子机制，为水稻白叶枯病的长效防控奠定基础。
白叶枯病是我国水稻生产中的“三大病害”之一，严重影响水稻产量和品质。资料显示，20世纪80年代以前，白叶枯病常导致水稻减产20%～30％，严重时可达50％，甚至绝收。
据有关专家介绍，由于我国主栽水稻品种引入Xa4、Xa21、Xa23等抗性基因，白叶枯病曾得到有效控制。但随着全球气候变暖、白叶枯病菌不断变异，陆续出现新型致病变种，导致主栽水稻品种逐渐失去抗病性。近些年，水稻白叶枯病呈逐年加重趋势，这种老病新发现象日益严重，产量损失巨大。
一直以来，Xa7是国际公认对白叶枯病菌抗性最持久的“明星基因”，从最初发现其持久抗病性至今已有20年。但由于该抗病遗传位点的序列与参考基因组完全不同，国际上许多实验室在Xa7基因的分离鉴定上一直未获成功。
该研究团队经过多年攻关，近日取得突破性进展。他们在精细定位的基础上，通过辐射诱变和遗传筛选，终于把Xa7锁定在28kb范围，并通过大量分子功能验证，成功克隆Xa7基因。同时，这项成果还表明，在高温下，Xa7受诱导产生防卫反应阻止病菌入侵表现更为突出。也就是说，在全球气候变暖情况下，该基因具有更大的育种价值。
（二）探索麦类作物病害防治的新信息
1．防治小麦病害研究的新进展
⑴发现小麦抗条锈病新基因。[14]2007年7月，中国农科院作物科学研究所的一个课题组，在《作物学报》发表论文称，他们经过4年多的研究，人工合成了小麦新种质CI108，发现其含有一个抗条锈病新基因YrC108，并利用分子标记对该基因进行了染色体定位。该成果不仅为抗条锈病小麦育种提供了新抗原，而且为高效分子育种提供了选择标记。
小麦条锈病是我国小麦生产上的重要病害，20世纪50年代至90年代曾几次在我国大面积暴发，引起小麦大面积减产。它是一种真菌病害，病菌的孢子就相当于植物的种子一样，从发病的基地（即菌原地）通过气流传播到新的发生区域。在适合的气候条件下，其孢子萌发，侵入小麦，经过5到7天的潜伏期后，小麦叶片像生锈一样，直至枯黄。这种病害暴发性强、流行快、发生范围广、危害性大。特别是在我国，它的发生范围较广，损失比较严重。
人工合成小麦新种质CI108及其抗条锈病新基因的发现，为小麦抗条锈病育种提供了新抗原，对拓宽小麦品种抗性遗传多样性、增加抗病品种使用寿命有重要意义。
⑵发现小麦抗穗发芽病基因。[15]2013年9月，美国媒体报道，小麦最怕遇到连续降雨，这将会导致小麦在收获前因麦穗发芽而造成严重损失。近日，美国农业部农业研究局和堪萨斯州立大学组成的一个研究小组，在小麦中发现并克隆出一个被命名为PHS的能防止植物提前发芽的基因，这一基因的发现将阻止麦穗提前发芽。
鉴定PHS基因的大部分工作，主要来自于研究人员对普通小麦的全基因组测序。由于小麦的基因组差不多有人类基因组的三倍大，分离PHS基因就是一个十分庞大的工作。通过来自于普通小麦基因组彻底排序的努力——基因蓝图，研究人员能够研究出普通小麦基因组中的测序片段，搜寻到自然产生的抗性基因，而若没有这些测序片段，这些PHS基因是很难被发现的。
据了解，白小麦是最受堪萨斯州消费者欢迎的品种，它没有红小麦的苦味，且通过研磨能够生产出更多的面粉，但白小麦对穗发芽病却非常敏感。因此，在小麦播种作物之前识别PHS基因，是创收的最好保证。因为一旦小麦生长了一年后，这种基因就能够抵抗穗发芽病。
研究人员表示，将来，育种者可以携带一小部分小麦植物组织样本到实验室里测试它们是否具有抗穗发芽病基因，而不是在庄稼种好后才发现它们。
⑶分离出小麦赤霉病抗性基因。[16]2016年11月，美国马里兰大学、华盛顿州立大学等多所大学组成的研究小组，在《自然·遗传学》杂志上发表论文称，他们利用先进的小麦基因组测序技术，分离出具有广谱抗性的Fhb1基因，这一发现不仅对小麦赤霉病，而且对各种受到真菌病原体——禾谷镰刀菌感染的类似寄主植物的抗病防治，也将产生广泛影响。
禾谷镰刀菌产生的毒素，使受感染的作物不适合人类和动物食用，这种农作物病害在美国、加拿大以及欧洲、亚洲和南美洲有关国家大规模频繁流行。小麦赤霉病一直以来也是一个难以解决的问题，它是一种全球性小麦疾病，会造成作物产量急剧下降，每年给全球农业生产造成巨大损失。
研究人员表示，掌握了广谱抗性Fhb1基因的来源后，它的复制进程将可在实验室中以更快的方式进行。一旦最终了解了基因的作用性质，此项发现还可用于控制其他镰刀菌引起的葫芦、西红柿、土豆等农作物的腐烂。研究人员未来准备利用广谱抗性Fhb1基因，克服由病原体造成的大量农作物病害，并把这种抗性，通过育种、转基因、基因组编辑技术等进行优化后，转移到其他易感染镰刀菌的农作物中。
⑷找到攻克小麦赤霉病的“金钥匙”。[17]2020年5月22日，山东农业大学农学院孔令让教授领导的研究团队，在《科学》杂志发表防治小麦赤霉病研究领域的重大成果：首次从小麦近缘植物长穗偃麦草中克隆了小麦抗赤霉病基因Fhb7，并揭示了其抗病遗传及分子机制。
目前，Fhb7基因已经申请国际专利，携带该基因的材料已被多家单位用于小麦育种，并表现出稳定的赤霉病抗性。这一发现为解决小麦赤霉病世界性难题找到了“金钥匙”。
据介绍，小麦赤霉病是世界范围内极具毁灭性且防治困难的真菌病害。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。
孔令让说，经过长期探索，研究人员不仅把Fhb7基因成功转移至小麦品种，明确了其在小麦抗病育种中的稳定抗性和应用价值，还发现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。
孔令让研究团队这一成果，是我国科学家在小麦赤霉病研究领域的又一重大突破，也是我国小麦研究领域首篇《科学》主刊文章。该研究受到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。目前，携带Fhb7基因的多个小麦新品系已经进入国家、安徽省、山东省预备试验和区域试验，同时被纳入我国小麦良种联合攻关计划，为从源头上解决小麦赤霉病问题提供了解决方案。
⑸利用沙伦山羊草基因培育抗病小麦。[18]2007年8月，以色列特拉维夫大学和美国明尼苏达大学联合组成的一个研究小组，在《植物病害》期刊上发表论文称，他们正在研究沙伦山羊草对小麦常见病菌株的抗病性，探索把沙伦山羊草用于小麦育种的可能性。
生长在以色列沿海平原和黎巴嫩一些地区的沙伦山羊草，是栽培小麦的一个远方亲缘植物。研究人员发现，沙伦山羊草对于茎锈病、叶锈病、镰刀霉、白粉病等一些病害具有抵抗力。把沙伦山羊草基因用于小麦育种，将会增强小麦常见病菌株的抗病性。
据悉，研究人员正在收集更多的沙伦山羊草，存放在特拉维夫大学的基因库中，进行深入研究。以色列是一个野生谷物种质资源很特殊的地方，近年来在这里发现的一些野生谷物品种及其优异特性，引起了科学家的重视。
⑹首次发布全球小麦病虫害遥感监测报告。[19]2018年6月20日，《中国科学报》报道，中国科学院空天信息研究院研究员黄文江、董莹莹博士及其研究团队，当天在国际上首次发布了全球小麦病虫害遥感监测报告。
本期监测报告，聚焦全球粮食主产国，在主要粮食作物关键生长期典型病虫害的发生发展状况，对2018年4月至5月全球进入小麦中后期生长阶段的10个主产国，包括中国、俄罗斯、法国、土耳其、巴基斯坦、美国、德国、伊朗、乌兹别克斯坦和英国等的小麦锈病、赤霉病和蚜虫等发生发展状况进行定量监测，提取并分析了其空间分布、危害程度和发生面积。监测结果表明，小麦病虫害在上述10个国家总体呈轻度发生态势。
在我国，2018年小麦病虫害总体偏轻，条锈病、纹枯病、蚜虫、赤霉病发生面积与往年相比减少19.7%。其中，条锈病发生面积约1561万亩，纹枯病发生面积约9939万亩，蚜虫发生面积约1.1亿亩，而赤霉病在安徽、江苏、河南及湖北4省累计发生面积约2105万亩，总体较往年偏重。
在全球其他国家，俄罗斯小麦种植面积约15.5亿亩，锈病发生面积占9%，蚜虫发生面积占10%；法国小麦种植面积约3.7亿亩，锈病发生面积占4%，蚜虫发生面积占5%；土耳其小麦种植面积约3.7亿亩，锈病发生面积占12%；巴基斯坦小麦种植面积约3.2亿亩，锈病发生面积占17%，蚜虫发生面积占22%；美国小麦种植面积约2.5亿亩，赤霉病发生面积占5%，蚜虫发生面积占5%。
黄文江表示，研究团队将进一步开展全球小麦、水稻、玉米、大豆等作物的病虫害监测和预警工作，并定期发布全球作物病虫害遥感监测与预测报告。
2．防治大麦病害研究的新进展
培育出抗病高产的大麦新品种。[20]2007年5月，秘鲁国家农业研究所发表的一份报告说，该国科学家通过长期研究和试验，成功培育出一种抗病能力强、产量高的大麦新品种。
这种大麦的籽实大而饱满，且有光泽，被命名为“神奇大麦”。其主要优点是：能有效抵抗黑穗病、大麦叶斑病等，从而能显著提高单位面积产量，而且还适合在海拔2500米～3800米的高原地区生长。
据悉，这种大麦新品种，已在秘鲁胡宁省部分地区种植推广，并取得了很好的效果。它的产量，每公顷达到4.5吨左右，而当地传统大麦品种的产量每公顷只有3.5吨。
（三）探索玉米病害防治的新信息
1．研究危害玉米病菌的新进展
开展玉米黑粉菌基因组测序。[21]2006年11月，德国马普所陆地微生物研究所、美国麻省哈佛总医院等27个研究单位组成的一个研究团队，在《自然》杂志上发表研究成果称，他们对危害玉米的黑粉菌基因组序列进行测定。
当玉米感染上玉米黑粉病菌后，玉米棒上会长出大小不等的瘤状物。多年来，科学家们还没有找到有效治疗玉米黑穗病的方法。而现在，该研究小组在解决这个问题上有了非常重要的研究进展。
研究小组已经分析出玉米黑粉菌的基因组。在真菌的7000个基因中，他们发现一些基因致使真菌能够固定于活体植物，而不是使植物致病而死。这些基因也有可能帮助真菌躲避植物自身的防御系统而得以存活。研究人员希望能把这些理论应用于依赖于活体植物的玉米黑粉病菌研究。
在墨西哥，玉米黑粉瘤被当作一种观赏性的东西，但是世界其他国家的农民们都认为玉米棒上长出这种瘤状物是一件非常麻烦的事情。因为，长有这种瘤状物的玉米棒不能再加工成玉米糊，也不能制成爆玉米花，只能当作牲畜的饲料。美国的农业专家一直都在想办法对付这种黑粉菌，却一直没有什么实质性的进展。
该研究小组表示，他们已经识别出为功能未知蛋白编码的几个基因团：整个基因组范围的表达分析表明，这些成团基因的作用在患病期间被增强。这些基因团的突变经常影响到致病能力，其影响范围从致病能力完全丧失到致病能力超强不等。
2．培育具有抗病或抑制病毒能力的玉米新品种
⑴开发出能抵抗条纹病毒的玉米新品种。[22]2007年7月8日，南非开普敦大学和南非种子公司科学家组成的一个研究小组，在美国芝加哥举行的美国植物生物学家学会年会上报告说，他们开发出一种玉米新品种，可以抵抗玉米条纹病毒。他们希望这一进展，将有助于改善粮食安全，并在非洲改善转基因食品的名声。
研究人员声称，新品种在多代种植和与其他品种杂交后，都表现出抗病毒的特性。这个全部由非洲科学家组成的研究小组，希望该技术将有助于解决其他影响非洲粮食作物的病毒疾病，例如小麦矮病毒、甘蔗线条病毒和其他影响大麦、燕麦和黍的病毒。
玉米条纹病毒，在撒哈拉以南非洲和印度洋岛屿上流行，它会妨碍被感染植株的生长，导致它们结出畸形的玉米穗轴，减少可收获的粮食数量。
该研究小组，不是采取把不同程度抗玉米条纹病毒的品种杂交的方法，而是让一种基因发生突变，然后把它插入到玉米植株中。这种基因负责编码玉米条纹病毒自身复制所需的一种蛋白质。当该病毒感染这种转基因玉米的时候，突变蛋白的存在，阻止了病毒复制和杀死玉米。这种作物的大田实验计划将很快开始。
肯尼亚农业研究所生物技术部门负责人西蒙·吉楚奇说，完全证明这一品种的抗病毒特性需要通过大田试验。他说，肯尼亚农业研究所已经用这种方法开发出了一系列作物，例如木瓜和甘薯，但是一些大田试验没有成功。吉楚奇说，温室环境和农场环境不同，大田试验还将评估这种新作物对环境的影响。
吉楚奇还说，让农民种植这种新的作物还需要时间，因为任何新的抗病害作物需要或者批准并进行国家级试验，从而确定它们的特异性、一致性和稳定性。
这个南非科学家组成的研究小组，还研究了389种乌干达玉米条纹病毒的样本，评估了该病毒的多样性以及遗传特征。他们发现，最流行的玉米条纹病毒毒株，是不同病毒基因型重组的产物。这一研究，有助于凸显该病毒的进化过程，以及它是如何导致玉米患病的。
⑵培育能让有毒霉菌失效的转基因玉米。[23]2017年3月，美国媒体报道，有毒霉菌是一个潜藏在常见食物中的沉默杀手。来自霉菌中的一种致癌毒素，每年在全世界会导致成千上万人死亡，并迫使数百万吨农作物被丢弃。但通过转基因新方法，可以关掉产生这种毒素的开关，即便霉菌就长在农作物上也可实现。
运用转基因技术，可让玉米植株获得基因修饰，从而产生一种干扰核糖核酸(RNA)，使生长在农作物上的真菌毒素基因静默。这种转基因作物可以警戒植株上的曲霉真菌，停止其制造会导致肝病和癌症的黄曲霉毒素。尽管这种技术可能仅可以在植物生长过程中发挥作用，并不能在谷物储藏阶段继续抑制毒素形成，但它依然被证明有效。
美国农业部植物病理学家蕾妮·阿里亚斯说：“我们从收获时的黄曲霉毒素水平，可以判断出储藏时的水平。所以，如果我们可以使这个水平降低到零，那么即便储存时毒素会增长，也可以使其降低到有毒水平以下。所以，在收获前使它降低到一半，就意味着这场战役已经胜利了一半。”还有专家表示，让水和空气远离储藏的玉米等谷物，对于降低真菌生长也很关键，它还有助于防止虫害。
