刘志勇：从“睡美人”到“中国美”，麦子与白粉病的爱恨情仇

作物和疾病，就像人类和疾病一样，与生俱来，相互依存。然而，大自然也赋予了它们相互兼容的基因调节机制，要么高效表达，要么“沉睡”。经过20多年的科学研究，他 发现并唤起“睡美人”的基因，同时还发现了具有“中国美”的小麦抗病基因，使所有的小麦都能顺利摆脱白粉病顽症。

刘志勇

中国科学院遗传与发育生物研究所 研究员

我是刘志勇，今天就和大家分享一下我们在研究中发现的一些有趣的故事，叫做“小麦与白粉病的爱恨情仇”。

我们每天都要吃饭。记得上大学的时候，中午要吃三个馒头。每年过年的时候，大家都说要吃饺子。如果我们不吃饺子，就像没有过年一样。饺子也是小麦做的，那为什么要研究小麦呢？

如果主食出了问题，对一个国家、一个民族来说就是灾难。

马铃薯，即马铃薯，西方人是主食，每天都要吃马铃薯。

1840 2000年，土豆得了一种叫做晚疫的疾病。

能看到这种病菌感染了土豆的叶子后，整株植物都枯萎了，一大片土豆地也没有收获。

因此从 1840 从2000年开始，短短五年时间，爱尔兰人就直接饿死了100万人，两三百万人跑了，去了北美大陆，对吧？美国大多数爱尔兰人口都很多，所以短短五年，爱尔兰人口就从800万降到了400万。

如果你去爱尔兰，你必须去爱尔兰首都柏林的街道，看看这组雕像，这是对当初饥荒时悲惨场景的描述，以警告我们，让世界在奢华的时代密切关注食品安全。

为什么农作物会生病？正如我们人类一样，有生老病死嘛，它也生病了，为什么呢？

病原菌也在大自然中，它想要生存。它想活着怎么办？它会感染植物，所以植物和病原菌已经存在了几千万年。所以，即使是“军备竞赛”，你也可以说有时候道高一尺，魔高一尺，病原菌让植物生病。

这是一种白粉病，专门用来感染小麦的疾病。你可以看到，它感染这种疾病后，真菌在叶子上，从苗期开始生长，一直生长到最后的抽穗期。

在它的叶子上，你可以看到一层白色的粉状物品，光合作用消失，整个产量严重下降。

我们中国今年的粮食总产量 1.4 万亿斤，包括许多小麦，中国有多少小麦？3.5 一亿亩小麦，白粉病有多大危害？1 亿亩 / 每年，三分之一的危害区域，因此每年都会造成很大的损失。

那么植物不能生病有什么办法吗？它还将与病原菌进行军备竞赛。

植物防御病原菌，它有防御护卫，这个护卫叫什么？我们称之为抗病基因。

植物本身就有这个基因，所以有了它之后，就可以防御病原菌的危害，让它不生病，成为一种健康的作物，这样产量就会得到更好的保证。

这种抗病基因在哪里？为何现在的类型容易生病啊？

因为我们目前的种类产量很高， 在产量高的地方，亩产1000公斤很容易。当然，这里的栽培条件在改善，但品种的改善是主要的。在(追求)高产品种的同时，我们失去了很多抗病基因，失去了很多好吃的味道和风味，那么我们现在该怎么办呢？我们应该想办法找回这些丢失的基因，那么我们应该去哪里找呢？

有两种比较好的来源，一种是我们祖先几百年前、几千年前种植的，叫做农家种，我们叫做本地品种。

这些农民种。因为它很高很细，但它含有一些独特的优良基因。在培育现代品种，追求高产的同时，我们没有注意到这些其他特征。如果我们没有注意到它们，我们就会失去它们。

然后还有一种类型就是早期的祖先——野麦里面，这些野麦里面有很多抗病基因。

所以我们多年来一直在寻找抗病基因，从这里的每一种材料中寻找。

去哪儿找野麦？对于我们中国人来说，小麦是一种外来物种，那么它是从哪里来的？

就是著名的两河流域，底格拉斯河和幼发拉底河，以及两河文明的发源地。土壤很肥沃，所以这个地方叫“新月沃地”，小麦起源于这个地方。

现在栽培小麦大概什么时候驯化出来的？八千年前，八千年前驯化后，从这个地方开始到西边。 传播到欧洲，东方到中亚，来到中国，来到中国的方式有三条主要路线，一条从新疆到中国河西走廊，到关中平原，到中原；另一个推断是直接从蒙古高原到山东；另一个是从南方到云南、四川、贵州。 ，所以三条路线，但是现在我们认为还是丝绸之路是最重要的一条路线。

我们沿着这条路线寻找这些古老的地方品种。因为当时人们没有现在的育种技术，也没有做任何杂交，所以当时他们是普通人。种植后，你感觉很好。我会给你一些，每个家庭都会传播，所以这种品种被称为农民种植。

首先，我们从种子库中找出这些收集的野生小麦和农民种，从各个地方找出来，从国外收集回来，在田里种植，在温室中连接霜菌进行筛选。你可以看到我们筛选出了抗病材料，然后我们将研究它们，我们将从中找到抗病基因。

在这里，我们将与您分享两个故事。

首先是我们从野生小麦中筛选出一种抗白粉病的材料，叫做“野生二粒小麦”。它不能生长。野生小麦就像杂草。它的穗长大后会怎么样？

它的耳朵断了，断成一片，掉在地上。种子也很小很细，不能直接使用。我们把它和小麦杂交，杂交后把这个基因转移到栽培的小麦里，所以我们花了大约20年的时间才终于把这个基因弄出来。

同时，我们也把它转到了普通的小麦里面，能看到右边这个，白粉病基本上没有了，很好的有用基因。

找出这一基因后，我们就去发现这一基因究竟存在于哪些材料中？

众所周知，我们正在寻找和分析世界各地的种质资源。我们可以看到它在新月沃地，只存在于这些野生小麦中，那么有没有种植小麦呢？

我们分析了全世界种植的小麦没有发现这种抗病基因。为什么这种抗病基因只存在于野生小麦中？为什么种植的小麦没有这种抗病基因？

我们分析了一下，发现野生小麦中有七个抗病基因，其中一个是抗白粉病。但是，我们再来看看种植小麦，只有三姐妹，其中一姐妹，这个基因根本不存在，那就是第三类。

但是我们突然发现，在这种第二种小麦中，90%的感觉白粉病， 所有的小麦都有这第二种类型，第二种类型也来自野生小麦。让我们仔细看看。我们想:“你不是有这个基因吗？但是你为什么不抗病呢？”我们特别好奇，所以我们想研究一下为什么不抗病。

因此，当我们再仔细看的时候，我们发现实际上是在麦子里栽培的， 90% 在感觉白粉病的小麦里，其实人的基因都待在那里，完整。我们突然发现它的前后。 DNA 在序列的顶部，有两个转座。

什麽是转座？1983 年度美国科学家芭芭拉 · 麦克林托克，她发现玉米里有一种基因，可以从这里跳到基因组的那个地方，来回跳。它从这个地方跳到那个地方后，让基因不要在那里工作，毁了你。如果你跑到基因旁边，你甚至可以告诉它不要睡觉，快点工作，这是一个特别重要的基因。

我们发现，在感染白粉病的小麦中，这种基因的前后都有这样一种叫做转座的东西，那就是弹跳基因，这使得基因停止工作。

当时我们特别好奇。你的基因很好。在那里，它是完整的。如果你不起来工作，你就不会抗拒疾病。对吗？它有工作潜力吗？强迫它工作，好吗？

我们做了一个实验。我们取出患病小麦的完整基因，放入强制工作的载体(小麦)中。我们可以看到右边的白粉病是免疫的。这是什么意思？

说明基因人在那里很好。他们为什么不工作？睡着了，换个座位让它睡着了，但是如果你把它拿起来，它就会抗病。比如这个基因？

是的，是的，是的，我们的童话《格林童话》没有说公主被女巫施了魔法，让她睡着了。它不工作了。别人(基因)在那里很好。你在等什么？当科学家唤醒它，等王子来找她，叫醒她。

现在我们有了一个新的生物技术工具——基因编辑，所以我们用剪刀把它前面的座位换掉，后面的座位直接剪掉。这个基因不会起来工作，所以我们在麦子里叫一个叫“睡美人”的抗白粉基因，然后直接叫一个感性疾病和高产的基因去工作，那么它就会高产抗病。因此，这是第一个与大家分享的故事，也是我们发现的故事之一。

还有一个故事可以和大家分享。

我们知道小麦是沿着河西走廊传到关中平原到中原的。我们知道当时关中平原是一个农业非常发达的地区，所以我们在这个地方的小麦农民种中进行了鉴定，我们找到了一个农民种——葫芦头。

我们可以看到右边的小麦。穗就像一个叫葫芦头的小木棍，但是产量不好，长得特别高。现在我们在地里种了一会儿就倒了，但是对于中国的每一个白粉病菌，我们各省都采集了，都是免疫的，完全不能生病。我们说这个基因好，怎么才能用，让饲养员用在小麦品种上，所以我们花了十几年的时间。还把它复制出来。

我们来比较一下，抗病和感病的品种有什么区别？让我们来分析一下。 DNA 碱基组成，我们这种抗病葫芦头，比感病小麦品种少了六个碱基(六个核苷酸)，AGTC 中间缺了六个之后，就变成了抗病。

那时候我们百思不得其解，你缺少核苷酸反而抗病，这是为什么？

因此，我们分析了世界上所有有代表性的小麦。我们翻出种质库。如果我们能找到它们，我们就会翻过来找到它们。我们会用分子的方法来分析它们。

我们发现我们真的找到了其他的东西。 3~4 一份材料，缺少六种核苷酸后，都对白粉病有抵抗力，这特别有趣， 真的是这样，我们觉得很特别，而且很中国，只在中国的小麦里，在中国的小麦农家里，全世界都没有。

在哪里？就在河西走廊传到关中平原后，关中平原发现的四种抗白霜小麦材料都含有这种基因。

所以当时我们很好奇。我说你缺了六个核苷酸，对吧？然后我们想知道你是否可以缺少三个核苷酸。我们知道三个核苷酸代码一个氨基酸。我们能说三个核苷酸缺了吗？缺少后三个？好吗？不管有多大，我们前后都缺少一个，十二个？当时我们的期望是创造更大的抗病材料。

如果前三个核苷酸缺失，应该是抗病的，如果缺失到后面，也可能是抗病的。我们会做这样的实验，结果真的是缺了一个。 。

研究结果往往与我们的想象不一致，甚至相反。因此，我们发现前面缺少一个氨基酸，后面缺少一个氨基酸，或者去除四个氨基酸。我们必须缺少两个氨基酸，也就是六个碱基，这样我们就可以完全干净地抵抗疾病。

没有一个是不够的，没有一个是不够的。我们记得在古代，楚王问宋玉哪里的女孩漂亮，于是他对楚王说:“莫若主人的儿子”。主人的儿子怎么了？“加一分太长，减一分太短。”只有缺少六种核苷酸才能抵抗疾病。多一点，少一点。

所以后来我们觉得这个基因在陕西，河南最西端，关东平原。这是中国小麦中的“中国基因”。我们说这么漂亮的基因。 这叫什么？我们认为有一种“中国美”的抗病基因。

所以后来我们想，为什么关中平原会出现这种情况？

正如我们开头所说，霜菌应该感染小麦，它应该生长在小麦的叶子上。我们说，在自然状态下，它是一种共生关系。“八川分流，背对背”是什么意思？刚开始关中平原真的很温暖，很潮湿，浇水很发达，农业也很发达，所以后来我们就想为什么这么发达，为什么咸阳西安都农业这么发达。当时是农业生产国，只有有了粮食，才能强大。所以当时种了小麦，土壤肥沃，种了更多的小麦。所有的小麦都在那里感觉白粉病了。感觉白粉病了怎么办？

小麦不愿意被白粉病菌感染。我们说生物是相互适应的，小麦也在突然变化，所以自然会发生变异，产生变异。 6 这样一个缺乏碱基的新突变出来了，结果如何？它是抗白粉病的，所以它被我们的祖先选中了几千年前，留下来了。现在它已经成为一种珍贵的抗病资源，所以这种小麦在这里发生了变化，这也说明你的病原菌在变，我们的小麦也在变。所以我们不必担心将来哪一天，病原菌会变成什么样子？ 不行，把我们人全搞掉，把作物全搞掉，不行。

伴随着这种认识，病原菌在变化，植物也在变化，新的抗病基因也在不断地形成，以抵抗病原菌的感染。

我们想到《诗经》也描述了这个地方，“白露是霜，所谓的伊拉克人，在水边”。这个“伊拉克人”是谁？是对我们抗白粉基因的描述，就是这样一个美丽的“中国美”抗白粉基因。

如今，我们找出了这些基因的来源，也找出了它们的特点，我们需要进行繁殖。

现在中国黄淮平原小麦主产区最缺的是什么，抗白粉基因，所以我们把它转移到高产品类型。你可以看到我们做的产量更高，植株更高更矮，整个抗白血病都是免疫的。我们想到了《诗经》中的一首诗，当我们到达麦田时，我们想到了“我们做我们想做的事，我们做我们想做的事”，这特别有意境。

专家们去看我们的材料，我们也给他们这些材料，培养新的抗白粉病品种，让我们古代的“中国美”抗病基因在未来的小麦育种中发挥重要作用，保障我国的粮食安全。

在我们的研究过程中，其实这些事情都是我们的研究生做的，所以他们在获得学业的同时也获得了学位。他们非常愿意在麦田里拍一张获得博士学位的照片。结果，当时我国科学技术大学校长李树深教授看到了我们的照片，在毕业典礼上发布了我们的照片，称赞了这些学生和他们的工作。他说这样的毕业照“固定了粮食收获的场景和学业收获的快乐”。

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