康振生
制圖：張芳曼
小麥是中國重要的糧食作物，小麥穩產事關中國糧食安全大局。在小麥生產中，條銹病危害巨大。小麥條銹菌可以透過氣流遠距離傳播，造成條銹病大規模流行並導致小麥大幅減產，嚴重威脅糧食安全。2020年9月中國將小麥條銹病列為一類小麥病害防治物件，進行統防統治。
10余年來，我們團隊透過不懈研究，證實有性生殖是小麥條銹菌變異產生新小種的主要途徑，廣泛分布的感病小檗(轉主寄主)與小麥條銹菌有性生殖的常年發生，是導致中國西北越夏易變區條銹菌新小種策源地形成的根本原因。這一研究成果從源頭上揭開了中國西北越夏易變區形成之謎，為中國小麥條銹病全面綜合治理提供了科學依據。
條銹菌變異產生新小種，是條銹病防治的世界性難題
小麥條銹病是全球流行性病害。20世紀40年代至今，小麥條銹菌新小種不斷出現，導致中國8批次的主栽小麥品種喪失抗病性，造成病害全國大流行，最嚴重的年份小麥減產60億公斤。
條銹菌是活體營養型真菌，其繁殖離不開活的寄主小麥。平原地區的小麥收獲後，病原菌孢子隨風吹至高海拔地區的晚熟小麥、禾本科雜草和自生小麥(收獲時散落在田裏的種子生長出來的小麥)，侵染存活度過夏天。當秋季冬小麥播種出苗後，又被風吹到秋苗上侵染，在小麥組織記憶體活或緩慢繁殖度過冬天。春季再隨風吹到廣大麥區造成病害流行。如此，周而復始形成病害的周年迴圈。
種植抗病小麥品種是防治條銹病的重要措施，但這些小麥品種往往在種植數年後喪失抗病性，成為感病品種。小麥品種為什麽會喪失對條銹病的抗性呢？研究發現小麥條銹菌新小種的出現是根本原因，其迅速累積傳播到其他小麥產區並行展為優勢小種，造成了病害的流行。因此，條銹菌變異產生新小種的途徑就成為條銹病研究的焦點。
中國研究人員早期調查研究發現，90%以上小麥條銹菌新小種首先在甘肅天水、隴南兩市出現，而後隨風傳播到東部廣大麥區造成大流行。因此，該地區被稱為西北越夏易變區、新小種策源地和菌源基地。然而，長期以來，西北越夏易變區、新小種策源地等形成的根本原因一直未被揭示。
小麥條銹菌究竟是透過什麽途徑發生變異的呢？圍繞這個根本問題，我們團隊先後開展了大量研究工作，發現因突變、異核重組(不同病原菌小種間的細胞核的交換重組)，以及病原菌對主要寄主(小麥和禾本科雜草)或環境逐漸適應而發生的變異，是造成小麥條銹菌變異的主要原因。但是，長期以來，由於小麥條銹菌的有性迴圈階段(與許多植物銹菌一樣，小麥條銹菌存在無性繁殖和有性生殖階段)一直沒有被發現，有性生殖在條銹菌變異產生新小種中的作用，也一直是未知的。
隨著2010年條銹菌進行有性生殖的寄主小檗(一種灌木)的確定，我們研究證實了條銹菌可透過多種方式完成有性生殖，發生高度變異。有性生殖產生的後代中有非常高比例的新小種，有的新小種毒性明顯增強，具有強致病力，從而揭示了有性生殖是導致小麥條銹菌變異產生新小種的主要途徑。與此同時，明確小麥條銹菌完成完整的繁殖(無性繁殖與有性生殖)過程復雜，一共產生5種不同類別的孢子，分別主要在小麥和感病小檗上完成。其中夏孢子主要侵染小麥，擔孢子侵染小檗，在小檗上完成有性生殖產生銹孢子繼而侵染小麥。
研究新發現厘清病害迴圈，為病害防治提供科學支持
既然小麥條銹菌在實驗室內證實可以進行有性生殖，那麽在田間，野生感病小檗會不會傳播病原菌到小麥上引發病害？若可以，那麽侵染小檗的菌源來自哪裏？透過對野生小檗和菌源進行處理，能不能減少條銹菌新小種的產生？帶著一連串的科學問題，經過10余年廣泛的田間調查和大量的系統研究，我們發現在中國西北越夏易變區等條銹病流行區，廣泛分布著不同種類的小檗，而且春季小檗受銹菌侵染的現象是很常見的。透過研究不同年份和地區的多種野生小檗上的銹菌，我們在世界上率先且唯一地獲得了自然條件下，小麥條銹菌侵染野生感病小檗完成有性生殖階段的直接證據，這個階段不僅春季在西北越夏易變區發生，而且秋季在西南流行區(如西藏)也會發生。這個重大發現，在小麥條銹病的研究中具有裏程碑意義。
更重要的是，我們發現在春季，西北越夏易變區野生感病小檗受侵染生成病原菌銹孢子後，釋放銹孢子，隨風可以傳播到麥田，在適宜的溫、濕度條件下萌發、侵染小麥，引發條銹病。這樣，條銹菌變異新小種的銹孢子就在小麥上「落地生根」了，並且透過不斷繁殖擴大其覆蓋範圍。
自然條件下，小麥條銹菌能夠侵染小檗完成有性生殖迴圈，表明有存活的孢子(冬孢子)來源，然而小麥收獲後(冬孢子殘存在受侵小麥組織內)，要經歷炎熱的夏天、多雨的秋天、寒冷的冬天，至翌年春天，具有活力的冬孢子源仍然傳播到小檗上，萌發產生擔孢子侵染小檗。那麽冬孢子是在哪裏存活的呢？帶著刨根問底的執著精神，我們研究發現冬孢子有三個來源，其一是田間小麥只要受小麥條銹菌侵染，便可產生冬孢子；其二是堆積的麥垛內小麥病殘體上的冬孢子；其三是禾本科雜草寄主秋天產生並越冬存活的冬孢子。這一研究結果填補了中國小麥條銹病病害迴圈的研究空白，覆寫了原有教科書的內容，對制定新策略防控小麥條銹病具有非常重要的指導意義。
從源頭減少小麥條銹菌新小種產生，努力實作可持續綠色防控
證實了小麥條銹菌新小種的主要來源，那麽，透過處理小檗能不能降低小麥條銹菌有性生殖產生新小種的概率呢？帶著這些猜想，我們團隊經過田間試驗證實，透過給發病的野生小檗噴施殺菌劑，鄰近麥田的小麥條銹菌新小種的類別、比例明顯減少。據此，推廣套用這個措施，會降低小麥品種抗病性過快喪失的風險，從而相應地延長抗病小麥品種的使用年限，同時也會減少麥田殺菌劑的使用量，保護生態環境安全。此外，在春季野生小檗生長新葉前，及時處理小檗附近的麥垛，清理帶菌的枯死雜草，減少隨風傳播到小檗上的冬孢子，可以有效幹擾小麥條銹菌在小檗上的有性生殖。這些都是降低小麥條銹菌新小種產生概率的有效措施，也是小麥條銹病源頭防控的重要環節。
目前，使用殺菌劑是防治小麥條銹病常用的化學手段，但利用抗病小麥品種進行防控，仍然是科學界推崇的。2022年，國際學術期刊【細胞】報道了我們團隊最新的研究成果：發現了小麥中協助小麥條銹菌侵染的「真兇」——感病基因，並透過基因編輯技術將其敲除，使得小麥不被條銹菌侵染。這項研究成果開辟了抗病小麥育種的新思路和新途徑，為實作經濟、高效、綠色防控條銹病提供了新方法。
根據這些研究成果，我們團隊制定了「減、壓、阻」為指導策略的新的小麥條銹病綜合防控技術體系。透過在不同小麥條銹病流行區合理布局種植抗病小麥品種、殺菌劑輔助防治、越夏寄主和感病小檗處理、禾本科雜草寄主處理，以及冬孢子菌源清除等措施，降低西北越夏易變區、菌源基地等新小種的產生速率，壓低菌源量，阻截病原菌從源頭向東部主產麥區的傳播。此項技術體系已被中國農業技術推廣中心采納並在病害主要流行區進行推廣示範套用。未來，我們將圍繞小麥條銹病繼續開展相關研究，為中國小麥條銹病的可持續綠色防控和小麥生產安全貢獻力量。
(作者為中國工程院院士、西北農林科技大學教授，西北農林科技大學趙傑整理)
【普通植物病理學】：康振生、孫廣宇主編；中國農業出版社出版。
【小麥高效種植及病蟲害防治技術】：張怡著；科學技術文獻出版社出版。
【草木擷英】：王鑫著；江蘇鳳凰科學技術出版社出版。
【 人民日報 】( 2024年06月28日 20 版)
