作者康振生肖像畫。 　　張武昌繪

康振生（中間持話筒者）在田間授課。

作者康振生(右)在實驗室指導(dǎo)學(xué)生開展科研。

作者康振生在麥田查看條銹病防治情況。

　　小麥?zhǔn)侵袊�重要的糧食作物，小麥穩(wěn)產(chǎn)事關(guān)中國糧食安全大局。在小麥生產(chǎn)中，條銹病危害巨大。小麥條銹菌可以通過氣流遠(yuǎn)距離傳播，造成條銹病大規(guī)模流行并導(dǎo)致小麥大幅減產(chǎn)，嚴(yán)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對象，進(jìn)行統(tǒng)防統(tǒng)治。

　　10余年來，我們團隊通過不懈研究，證實有性生殖是小麥條銹菌變異產(chǎn)生新小種的主要途徑，廣泛分布的感病小檗（轉(zhuǎn)主寄主）與小麥條銹菌有性生殖的常年發(fā)生，是導(dǎo)致中國西北越夏易變區(qū)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(qū)形成之謎，為國內(nèi)小麥條銹病全面綜合治理提供了科學(xué)依據(jù)。

　　研究聚焦新小種產(chǎn)生的途徑

　　小麥條銹病是全球流行性病害。20世紀(jì)40年代至今，小麥條銹菌新小種不斷出現(xiàn)，導(dǎo)致我國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(yán)重的年份小麥減產(chǎn)60億公斤。

　　條銹菌是活體營養(yǎng)型真菌，其繁殖離不開活的寄主小麥。平原地區(qū)的小麥?zhǔn)斋@后，病原菌孢子隨風(fēng)吹至高海拔地區(qū)的晚熟小麥、禾本科雜草和自生小麥（收獲時散落在田里的種子生長出來的小麥），侵染存活度過夏天。當(dāng)秋季冬小麥播種出苗后，又被風(fēng)吹到秋苗上侵染，在小麥組織內(nèi)存活或緩慢繁殖度過冬天。春季再隨風(fēng)吹到廣大麥區(qū)造成病害流行。如此，周而復(fù)始形成病害的周年循環(huán)。

　　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(shù)年后喪失抗病性，成為感病品種。小麥品種為什么會喪失對條銹病的抗性呢？研究發(fā)現(xiàn)小麥條銹菌新小種的出現(xiàn)是根本原因，其迅速累積傳播到其他小麥產(chǎn)區(qū)并發(fā)展為優(yōu)勢小種，造成了病害的流行。因此，條銹菌變異產(chǎn)生新小種的途徑就成為條銹病研究的焦點。

　　發(fā)現(xiàn)變異的主要原因和侵染路徑

　　我國研究人員早期調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，90%以上小麥條銹菌新小種首先在甘肅天水、隴南兩市出現(xiàn)，而后隨風(fēng)傳播到東部廣大麥區(qū)造成大流行。因此，該地區(qū)被稱為西北越夏易變區(qū)、新小種策源地和菌源基地。然而，長期以來，西北越夏易變區(qū)、新小種策源地等形成的根本原因一直未被揭示。

　　小麥條銹菌究竟是通過什么途徑發(fā)生變異的呢？圍繞這個根本問題，我們團隊先后開展了大量研究工作，發(fā)現(xiàn)基因突變、異核重組（不同病原菌小種間的細(xì)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(huán)境逐漸適應(yīng)而發(fā)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，由于小麥條銹菌的有性循環(huán)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(fā)現(xiàn)，有性生殖在條銹菌變異產(chǎn)生新小種中的作用，也一直是未知的。

　　隨著2010年條銹菌進(jìn)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通過多種方式完成有性生殖，發(fā)生高度變異。有性生殖產(chǎn)生的后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(dǎo)致小麥條銹菌變異產(chǎn)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(fù)雜，一共產(chǎn)生5種不同類型的孢子，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(dān)孢子侵染小檗，在小檗上完成有性生殖產(chǎn)生銹孢子繼而侵染小麥。

　　成功揭示條銹菌病害循環(huán)機理

　　既然小麥條銹菌在實驗室內(nèi)證實可以進(jìn)行有性生殖，那么在田間，野生感病小檗會不會傳播病原菌到小麥上引發(fā)病害？若可以，那么侵染小檗的菌源來自哪里？通過對野生小檗和菌源進(jìn)行處理，能不能減少條銹菌新小種的產(chǎn)生？帶著一連串的科學(xué)問題，經(jīng)過10余年廣泛的田間調(diào)查和大量的系統(tǒng)研究，我們發(fā)現(xiàn)在我國西北越夏易變區(qū)等條銹病流行區(qū)，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(xiàn)象是很常見的。通過研究不同年份和地區(qū)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(jù)，這個階段不僅春季在西北越夏易變區(qū)發(fā)生，而且秋季在西南流行區(qū)（如西藏）也會發(fā)生。這個重大發(fā)現(xiàn)，在小麥條銹病的研究中具有里程碑意義。

　　更重要的是，我們發(fā)現(xiàn)在春季，西北越夏易變區(qū)野生感病小檗受侵染生成病原菌銹孢子后，釋放銹孢子，隨風(fēng)可以傳播到麥田，在適宜的溫、濕度條件下萌發(fā)、侵染小麥，引發(fā)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，并且通過不斷繁殖擴大其覆蓋范圍。

　　自然條件下，小麥條銹菌能夠侵染小檗完成有性生殖循環(huán)，表明有存活的孢子（冬孢子）來源，然而小麥?zhǔn)斋@后（冬孢子殘存在受侵小麥組織內(nèi)），要經(jīng)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(fā)產(chǎn)生擔(dān)孢子侵染小檗。那么冬孢子是在哪里存活的呢？帶著刨根問底的執(zhí)著精神，我們研究發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生冬孢子；其二是堆積的麥垛內(nèi)小麥病殘體上的冬孢子；其三是禾本科雜草寄主秋天產(chǎn)生并越冬存活的冬孢子。這一研究結(jié)果填補了我國小麥條銹病病害循環(huán)的研究空白，改寫了原有教科書的內(nèi)容，對制定新策略防控小麥條銹病具有非常重要的指導(dǎo)意義。

　　找到從源頭防控條銹菌方法

　　證實了小麥條銹菌新小種的主要來源，那么，通過處理小檗能不能降低小麥條銹菌有性生殖產(chǎn)生新小種的概率呢？帶著這些猜想，我們團隊經(jīng)過田間試驗證實，通過給發(fā)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型、比例明顯減少。據(jù)此，推廣應(yīng)用這個措施，會降低小麥品種抗病性過快喪失的風(fēng)險，從而相應(yīng)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(hù)生態(tài)環(huán)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(fēng)傳播到小檗上的冬孢子，可以有效干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(chǎn)生概率的有效措施，也是小麥條銹病源頭防控的重要環(huán)節(jié)。

　　開辟抗病小麥育種新途徑

　　目前，使用殺菌劑是防治小麥條銹病常用的化學(xué)手段，但利用抗病小麥品種進(jìn)行防控，仍然是科學(xué)界推崇的。2022年，國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》報道了我們團隊最新的研究成果：發(fā)現(xiàn)了小麥中協(xié)助小麥條銹菌侵染的“真兇”——感病基因，并通過基因編輯技術(shù)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新途徑，為實現(xiàn)經(jīng)濟、高效、綠色防控條銹病提供了新方法。

　　根據(jù)這些研究成果，我們團隊制定了“減、壓、阻”為指導(dǎo)策略的新的小麥條銹病綜合防控技術(shù)體系。通過在不同小麥條銹病流行區(qū)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(qū)、菌源基地等新小種的產(chǎn)生速率，壓低菌源量，阻截病原菌從源頭向東部主產(chǎn)麥區(qū)的傳播。此項技術(shù)體系已被我國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心采納并在病害主要流行區(qū)進(jìn)行推廣示范應(yīng)用。未來，我們繼續(xù)圍繞小麥條銹病繼續(xù)開展相關(guān)研究，為中國和國際小麥條銹病的可持續(xù)綠色防控和小麥生產(chǎn)安全貢獻(xiàn)力量。

　　（作者為中國工程院院士、中國植物學(xué)會第十七屆理事會副理事長、西北農(nóng)林科技大學(xué)教授，獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎等重要獎項）

　　中國科協(xié)科學(xué)技術(shù)傳播中心、陳嘉庚科學(xué)獎基金會與本報合作推出

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