刘志勇：小麦与白粉病的爱恨情仇：从“睡美人”到“中国美”

专题：2024年CC讲坛

　　由北京君和创新公益基金会、中国科学院大学校友会联合主办，主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第63期演讲2024年12月14日在中国科学院大学（北京玉泉路校区）礼堂举行。来自中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员刘志勇出席，并以《小麦与白粉病的爱恨情仇：从“睡美人”到“中国美”》为题发表演讲。

　　以下为演讲实录：

　　非常高兴今天有机会来这里跟大家交流，我叫刘志勇，来自中国科学院遗传与发育生物学研究所，我们主要研究一个病，叫白粉病，给大家分享一下我们的研究里边所发现的一些有趣的故事，就叫小麦与白粉病爱恨情仇，从“睡美人”到“中国美”的研究工作。

　　我们每天要吃饭，我记得上大学的时候，中午要吃三个馒头，小麦做的，大家都说过年要吃饺子，好吃不如饺子，如果不吃饺子就没过年一样。饺子也是小麦做的，所以为什么要研究小麦？因为主粮如果出了问题，对一个国家、一个民族就是灾难。

　　马铃薯，也就是土豆，对欧美人是主粮，天天都要吃土豆。

　　1840年的时候，马铃薯就得了一种病，就叫晚疫病，可以看到它侵染了马铃薯的叶片以后，植株整个就枯萎了，一大片马铃薯地没有收成。

　　所以就从1840年开始，短短5年之内，爱尔兰的人就饿死100万人，两三百万人逃难去了北美大陆，所以美国大部分爱尔兰裔人就多。

　　所以今天如果大家到爱尔兰去，一定要到爱尔兰的首都都柏林的街头去看一看这组雕像，就是描述当年大饥荒的时候，悲惨的景象，来警示世人，在衣食无忧的年代时刻关注粮食的安全。

　　农作物为什么会得病？就像我们人一样，生老病死，为什么呢？病原菌，它也就在大自然中，它要存活，怎么办？它就要侵染植物，所以植物与病原菌，是几千万年来相生相克，相依相存的这么一个关系。

　　所以它其实就算一种军备竞赛，你可以说有的时候是道高一尺，魔高一丈，病原菌厉害了，植物就有病了，你看这就是白粉病，小麦里边专门侵染小麦的一种病害，你可以看到侵染了这个病以后，从苗期开始长，一直长到最后抽穗期，你可以看它的叶片上白白的一层粉状的东西，光合作用就没了，整个产量严重下降。

　　我们中国有多少小麦？3.5亿亩小麦，白粉病危害多少？1亿亩，三分之一的危害面积，所以每年造成的损失就非常大。

　　过去这么多年来，我们就一直想办法怎么样来去防治它，植物不得病有什么办法，它就要跟病原菌也要搞军备竞赛，是吧？

　　我们平时看到外边的树草长得都很健康，我们家里养的花也长得很好，为什么长得好？植物防御病原菌，它有防御的卫士，这个卫士叫什么？我们把它叫抗病基因，就是植物本身有这个基因，它就能防御病原菌的危害，使它不得病而成为健康的作物，产量就会有保证。

　　那么这些抗病基因在哪里？为什么现在的品种都容易得病？因为我们现在的产量，高产的地方1000斤，轻轻松松的，当然这里边栽培条件在改，但是我们品种的改良是主要的，在高产品种的同时，我们把好多抗病基因就丢了，把好多好吃的口味也丢了，风味也丢了，所以我们现在怎么办？要想办法去把这些丢掉的基因给找回来。

　　所以到哪个地方去找？

　　我们有两类比较好的来源，一个就是我们老祖宗几千年前种的，叫农家种。这些农家种品种，它长得很高很细，但是它含有独特的一些优良的基因在里边，我们在培育现代品种，追求高产的同时，把这些其他的性状就没注意到，没关注到，就丢掉了。

　　还有一类就是更早的老祖宗，那就野生的小麦里边去找，这些里边抗病基因就特别多，所以我们过去很多年，从这里边各个类型的材料里边去搜寻寻找抗病菌。

　　那去哪儿找野生小麦呢？

　　小麦对我们中国人来说，是一个外来的物种，那么它从哪来的？就在这个地球上，有个弯弯的月亮，像个新月刚刚出来的，所以它就叫新月，这个地方是什么？著名的两河流域，底格里斯河、幼发拉底河，两河文明的发源地，土壤是非常肥沃的，所以这个地方叫新月沃地，小麦就发源于这个地方。

　　那么我们现在栽培小麦，跟野生小麦还不太一样，现在栽培小麦大约什么时候驯化出来的？

　　八千年前。驯化出来之后，就开始往西边，就往欧洲传播，往东边就到中亚，到我们中国来了。

　　到中国来的途径是什么？三条主要路线，一个从新疆，沿着丝绸之路到了中国河西走廊，到了关中平原；另外一条推断是从蒙古高原直接奔到山东了；还有一条从南亚到了云南四川贵州。所以三条路线，我们现在认为，还是丝绸之路是最主要的一个起源。

　　所以我们去寻找这种野生的小麦，在它传播路线上去寻找这些古老的地方品种。因为老百姓那个时候没有现在的育种，也没有什么杂交，那个时候老百姓你种了好，就给你家点，家家传的，这就叫农家种。

　　我们就从这里边去找农家种里边的、野生小麦里边的这些基因出来，给现在进行育种利用。

　　我们首先就把这些收集的野生小麦、农家种，从种子库里边找出来，从各个地方找出来，从国外收集回来，我们在田里边种上，在温室里给它接上白粉菌，看到有抗病的材料，我们筛选出来研究它，从里边去寻找抗病基因出来。

　　给大家分享一下我们其中的两个故事。

　　第一个就是我们从野生小麦，叫野生二粒小麦，我们筛选出了一个抗白粉病的材料。

　　你可以看到它在地上趴着，它长不起来，野生的麦子就是野草一样，长大以后穗子穗子就断成一截掉到地上，是吧？属于野生的，野草一样，就这么传播的。种子也很小，很细长，直接用是没法用的，我们就把它给小麦进行杂交，杂交以后把这个基因给它转到我们栽培的小麦里边来。

　　所以我们花了大概二十年的时间，把这个基因终于给搞出来了，你可以看到我们把它克隆出来，转到普通小麦里面去了，白粉病基本上就没有了，非常好的这样一个有用的基因。

　　但是我们把基因找出来之后，基因到底在什么材料里存在，野生的麦子里有我们知道，我们就去找，把全世界的种子资源就给分析了一下，它就在新月沃地这个地方，它只是存在于这些野生小麦里边。

　　栽培小麦里有没有？我们分析了全世界的小麦，都没有找到抗病的基因。

　　但是我们知道了，抗病基因为什么只在野生小麦里有，栽培的小麦，这个抗病基因，没有驯化到栽培的小麦中来，那驯化的小麦里还有什么呢？ 我们就去分析了。

　　我们发现，其实野生小麦里抗病基因有“姐妹”七个，其中有一个就是抗白粉病的，但是我们再看栽培小麦，里边只有“姐仨”，其中有一个，我们突然发现是在第二种类型中，（感染白粉病的材料90%的小麦都含有第二种类型），第二种类型也是野生小麦来的，我们再仔细想，你不有这个基因在那放着嘛，但是为什么不抗病呢？

　　我们就特别好奇，想研究一下它为什么不抗病？

　　我们就发现其实栽培小麦里边，这90%的感白粉病的小麦里边，其实人家基因好好在那呆着，完完整整的，但是我们突然发现，它的前边和后边 DNA序列上面有两个转座子，什么叫转座子？

　　1983年美国科学家芭芭拉·麦克林托克发现在玉米里，有一种基因可以在基因组里从这儿蹦到那儿，来回跳跃，跳到那个地方去了以后，就把基因给，就是说你别干活了，破坏了，甚至还可以让它（基因）别睡觉了，赶紧干活。转座子就是这么一种特别，很有重要的基因。

　　我们发现我们感白粉病的小麦里边，它前面和后面都有一个转座子——跳跃基因，就让基因不干活了。

　　我们当时就特别好奇，这个基因好好的，在那儿完完整整的，就是不起来干活，就不抗病，是吧？它自己其实有没有干活的潜力，强制它去干活行不行啊？

　　我们就做了个实验，我们就把感病的里边，完整整的基因拿出来，放到一个让它强制干活的小麦里面去，看到白粉病都免疫了，是吧？说明什么？说明这个基因人家是好好地在那儿，为什么不干活，睡着了是吧？转座子让它睡着了，但是你把它弄起来，就干活，就抗病了。

　　看到这个地方，我们就想到一个特别有名的童话故事，这个基因像《格林童话》里公主被巫婆给施魔法睡着了，等王子来把她叫醒。

　　我们发现了这个现象，现在有了新的生物技术——基因编辑，我们就用剪刀把它前边的转座子，后边的转座子直接给剪掉，这个基因不就起来干活了吗？

　　所以说我们唤醒小麦里边一个叫“睡美人”的抗白粉病的基因，就把一个感病的、高产的品种直接把它抗病基因叫起来干活，那就又高产又抗病了。

　　第二个故事，我们知道小麦是沿着河西走廊传到关中平原，到中原来的，当年那是农业很发达的地方，所以我们在这个地方的小麦农家种里边，我们就去鉴定。

　　我们找到了一个农家种，叫什“葫芦头”，穗子就像个小棒槌一样，但是它产量不行，长得特别高，现在种到地里边，一会儿就倒了。但是它对所有的，我们中国的白粉病的菌，全是免疫的，一点儿病都不得，我们说这个基因好，我们怎么样能把它用出来，让育种家把它用到小麦品种里去，我们研究一下，所以我们就去花了十几年的时间，也把它给克隆出来了。

　　克隆出来以后，我们就去比较，抗病的和感病的品种有什么差别呢？

　　我们就去分析DNA碱基组成，我们这个抗病的“葫芦头”，比感病的小麦品种少了6个碱基，“AGTC”里缺了6个，就变成了抗病的了。

　　当时我们就百思不得其解，缺了反而抗病了，这是为什么？

　　我们再开展点研究，我们就去分析了全世界的小麦代表性的，把种子库里都翻出来，用分子的办法去分析，真找到了其他3——4份材料，所有的缺到了6个核苷酸以后都对白粉病有抗性了，这就非常有意思，真的是这样子。

　　我们就觉得很特异，而且很中国，只在中国的小麦农家种里边，全世界都没有。在什么地方？在河西走廊传到关中平原里，我在关中平原找到的这4份抗白粉的小麦材料。

　　所以当时我们就很好奇，我说你缺了六个核苷酸？我们知道三个核苷酸是编码一个氨基酸的，我们说缺掉3个，行不行啊？缺掉后边3个，行不行？我说你再大不了在前边后边缺掉12个？我们当时的期望，就想创造更多的抗病的材料，是吧？缺掉前面3个核苷酸，可能是抗病的，缺掉后边可能也抗？我们就去做这样的一个实验，结果怎么样？

　　研究的结果，常常有时候跟我们的想象是不太一致，甚至恰恰相反。

　　结果我们发现，缺掉前面1个氨基酸、后边1个氨基酸，或者缺掉4个氨基酸的时候都不行，必须缺掉2个氨基酸，就是6个碱基，就完完整整、干干净净地抗病，

　　我们说缺一个也不行，多一个也不行。

　　我们就想起来，古代的时候，楚王问什么地方的女孩子漂亮，宋玉说，“莫若东家之子，增之一分则太长，减之一分则太短”，恰恰去掉6个核苷酸，才是抗病的，多了一点，少了一点都不行。

　　这个基因就在陕西、河南的西边，就在关中平原上，这是地地道道的中国的小麦里边的中国基因。这么漂亮的一个基因，那就叫什么？我们觉得就叫有“中国美”的抗病基因，它就在关中平原上。

　　我们就思考为什么关中平原这个地方会出来这个？刚开始说了，白粉菌要侵染小麦，它要在小麦叶片上长，在自然状态里它是一个共生的关系。在关中平原，“荡荡户八川分流，相背而异态”说什么意思？

　　当年关中平原确实很温暖，很潮湿，水分灌溉很发达，农业非常发达，当时土壤肥沃，种的小麦多了，所有的小麦在那都感白粉病了，感白粉病了怎么办？

　　小麦也不会甘于被白粉病菌侵染，所以我们说生物是互相适应的，小麦也在突变，它也要变，自然而然的就发生了一个变异，产生了6个碱基缺失的这么一个新的突变出来，结果怎么样？它抗白粉病啊，就被咱们的老祖宗，那个时候几千年前是吧，把它留下来了，留到现在成了一个宝贵的抗病的资源。

　　这也说明什么？说明你病原菌在变，我们小麦也在变，它也在不断的产生新的抗病基因，来抵御病原菌的侵染。

　　《诗经》描述这个地方叫“蒹葭苍苍，白露为霜，所谓伊人，在水一方”，那么这个“伊人”是谁？我们抗白粉病基因，就是这么一个漂漂亮亮的中国美的抗白粉病基因。

　　所以到了现在，我们搞清楚这些基因的来源了，也搞清楚它的特点了，我们要做育种，对吧？现在黄淮平原小麦主产区最缺的是什么？抗白粉病的基因，所以我们就把它转到高产的品种里，把它做的产量又高了，株高又矮了，整个抗白粉病了。

　　所以我们这就想到《诗经》里边一首诗，我们特别高兴，到了麦田里，我们就想起来“我行其野，芃芃其麦”，特别有意境。我们可以看到各个专家来去看我们这个材料，我们把这些材料也送给他们，去做抗病抗白粉病的新的品种的培育，让我们的“中国美”抗病基因，在将来的小麦育种事业里边发挥重大作用，保障我们国家的粮食安全。

　　我们在做的过程里，我们的研究生们在做，他们在收获了学业的同时，也收获了他们的学位，当时毕业典礼，他们就在田里边做实验，就回不来，他们就说，我们在田里拍个毕业照，结果后来就被我们国科大的校长李树深院士，在毕业典礼上把我们那个照片放出来，赞扬这些同学，也赞扬我们他们的工作，“这样的一个毕业照，定格了粮食丰收的景象与学业丰收的幸福”。

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