摘要：作物与病害，如同人类与疾病，与生俱来，相伴相依，然而，大自然也同时赋予了它们相生相克的基因调控机制，或高效表达，或“沉眠不语”。他历经二十余年科研， 发现并唤醒“睡美人”基因，同时还发现了具有“中国美”的小麦抗病基因，使所有小麦都能够成功摆脱白粉病顽疾。

作物与病害，如同人类与疾病，与生俱来，相伴相依，然而，大自然也同时赋予了它们相生相克的基因调控机制，或高效表达，或“沉眠不语”。他历经二十余年科研， 发现并唤醒“睡美人”基因，同时还发现了具有“中国美”的小麦抗病基因，使所有小麦都能够成功摆脱白粉病顽疾。

刘志勇

中国科学院遗传与发育生物学研究所 研究员

我叫刘志勇，今天给大家分享我们在研究里所发现的一些有趣的故事，叫“小麦与白粉病的爱恨情仇”。

我们每天要吃饭，我记得上大学的时候中午要吃三个馒头，我们每年过年，大家都说要吃饺子，不吃饺子就跟没过年一样，饺子也是小麦做的，所以为什么要研究小麦？

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，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，叫晚疫病。

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可以看到这个病菌侵染了马铃薯的叶片以后，植株整个就枯萎了，一大片马铃薯地就没有收成。

所以从1840年开始，短短五年之内，爱尔兰人就直接饿死了一百万人，二三百万人跑了，跑到北美大陆去了是吧，美国大部分爱尔兰裔人，人口居多，所以短短五年之内，爱尔兰的人口从八百万降到四百万。

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，来警示我们，让现在的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呢？就像我们人一样，有生老病死嘛，它也得病，因为什么呢？

病原菌也在大自然中，它要存活。它要活着怎么办？它就要侵染植物，所以植物与病原菌几千万年来，它是相生相克的，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，病原菌厉害了就把植物搞有病了。

这就是白粉病，专门侵染小麦的一种病害，你可以看到它感染了这个病以后，真菌在叶片上，从苗期就开始长，一直长到最后抽穗期。

你可以看到它的叶片上，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。

今年我们中国的粮食总产1.4万亿斤，其中包括很多小麦，中国有多少小麦？3.5亿亩小麦，白粉病危害多少？1亿亩/年，三分之一的危害面积，所以每年造成的损失就非常大。

那植物不得病有什么办法吗？它就要跟病原菌也搞军备竞赛。

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。

植物本身它有这个基因，所以有它以后，就能防御病原菌的危害，使它不得病而成为健康的作物，这样产量就会保证比较好。

这些抗病基因在哪里？为什么现在的品种容易得病啊？

因为我们现在的品种产量高， 高产的地方，亩产一千斤，轻轻松松的，当然这里边栽培条件在改善，但是品种的改良是主要的，在（追求）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，所以哪个地方去找呢？

我们有两类比较好的来源，一类就是我们老祖宗几百年前、几千年前种的，叫农家种，我们叫地方品种。

这些农家种。因为它长得很高很细，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，这些其他的性状就没注意到，没关注到，就丢掉了；

那么还有一类就是更早的老祖宗——野生的小麦里边，这些野生小麦里抗病基因就特别多。

所以我们过去很多年，从这里边各个类型的材料里边，去搜寻寻找抗病基因。

去哪儿找野生小麦呢？对我们中国人来说，小麦是一个外来的物种，那么它从哪儿来的？

就是著名的两河流域，底格拉斯河和幼发拉底河，两河文明的发源地。这块土壤是非常肥沃的，所以这块地方叫“新月沃地”，小麦就发源于这个地方。

现在栽培小麦大约什么时候驯化出来的呢？八千年前，八千年前驯化出来之后，从这个地方就开始往西边 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过来了，到了关中平原，就到了中原了；另外一条推断是从蒙古高原，直接奔到山东了；还有一条就从南边，从南亚到了云南、四川、贵州 ，所以三条路线，但主要的我们现在认为还是丝绸之路是最主要的一个路线。

我们就顺着这条路线，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技术，也没有做什么杂交，那个时候就是老百姓，你种了以后觉得好，给你点，家家传的，所以这种叫农家种。

我们首先就把这些收集的野生小麦和农家种，从种子库里边找出来，从各个地方找出来，从国外收集回来，在田里边种上，在温室里给它接上白粉菌，进行筛选，你可以看到，抗病的材料我们筛选出来了，后面就研究它，我们从里边去寻找抗病基因出来。

我们下边给大家分享一下其中的两个故事。

第一个就是我们从野生小麦里边，叫“野生二粒小麦”，筛选出了一个抗白粉病的材料。它长不起来，野生的麦子就像野草一样，它穗子长大了以后怎么样？

它穗子就断了，断成一截一截，掉到地上，种子也很小，也很细长，直接用是没法用的，我们就把它跟小麦进行杂交，杂交以后把这个基因给它转到栽培的小麦里边来，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。

我们也把它转到普通小麦里边去了，可以看到右边这个，白粉病基本上就没有了，非常好的一个有用的基因。

把这个基因找出来之后，我们就去发现这个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质资源给分析了一下，可以看到它就是在新月沃地这个地方，只存在于这些野生小麦里边，所以栽培小麦里有没有啊？

我们分析了全世界的栽培小麦里边，都没有找到这个抗病的基因，这个抗病基因为什么只在野生小麦里有，栽培的小麦它为什么没有这个抗病基因？

我们就去分析了，发现其实野生小麦里边，这个抗病基因，我可以比喻说有姐妹七个，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，这姐仨其中有一个，这个基因根本就不存在，就是第三种类型。

但是我们突然发现，这个第二种类型，感白粉病的小麦里面，90%的小麦都含有这个第二种类型，第二种类型也是野生小麦来的，我们再仔细看，我们想“你不是有这个基因在那里吗，但是为什么不抗病呢？”，我们就特别好奇，就想研究一下它为什么不抗病。

结果我们再仔细去看的时候，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待着呢，完完整整的，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，她就发现在玉米里边有一种基因，可以在基因组里从这儿蹦到那个地方去，来回跳，它从这个地方跳到那个地方去了以后，就让那里的基因别干活了，把你破坏了，如果跑到一个基因边上，甚至可以让它别睡觉了，赶紧干活，就是这么一种特别重要的基因。

我们发现感染白粉病的小麦里边，这个基因的前边和后边都有一个这样的叫转座子的东西，就是跳跃基因，它就让基因不干活了。

我们当时就特别好奇，你这个基因好好的，在那完完整整的，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呢？强制它去干活，行不行？

我们就做了个实验，我们就把感病的小麦里边完完整整的基因拿出来，放到一个让它强制干活的载体（小麦）里边去，我们可以看到右边的白粉病都免疫了，说明什么？

说明基因人家是好好的在那儿，为什么不干活？睡着了呗，转座子让它睡着了，但是你把它弄起来，它就干活就抗病，这个基因像什么？

对对对，我们童话故事《格林童话》里不是讲过，公主被巫婆给施魔法，让她睡着了嘛。它不干活了，人家（基因）在那儿好好的，等什么？等科学家把它唤起来，等王子来找她，把她给叫醒。

我们现在有了新的生物技术的工具——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它剪掉，这个基因不就起来干活了嘛，所以我们就叫唤醒小麦里边一个叫“睡美人”的抗白粉病基因，就把一个感病、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。所以这就是第一个给大家分享的故事，是我们其中的一个发现。

第二个故事也跟大家分享一下。

我们知道小麦是沿着河西走廊传到关中平原，到中原来的。我们知道关中平原在当年，那是农业很发达的地方，所以我们就在这个地方的小麦农家种里边去鉴定，我们找到了一个农家种——葫芦头。

我们可以看到右边这个小麦，穗子就像个小棒槌一样，叫葫芦头，但是它产量不行，长得特别高，我们现在种到地里边一会儿就倒了，但是它是对所有的中国的白粉病菌，我们各个省都采了，全是免疫的，一点病都不得，我们说这个基因好，我们怎么样能把它用起来，让育种家把它用到小麦品种里去，所以我们就去花了十几年的时间，也把它给克隆出来了。

我们去比较，抗病的和感病的品种有什么差别？我们就去分析DNA的碱基组成，我们这个抗病的葫芦头，就比感病的小麦品种少了六个碱基（六个核苷酸），AGTC 中缺了六个以后，就变成抗病的了。

当时我们百思不得其解，你缺了核苷酸反而抗病了，这是为什么？

所以我们就去分析了，全世界的代表性小麦，我们把种质库里都翻出来，能找出来我们就去翻，就去找，我们就用分子的办法去分析。

我们发现真找到了其他的3~4份材料，缺失了六个核苷酸以后呢，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，只在中国的小麦里边，中国的小麦农家种里边，全世界都没有。

就在什么地方呢？就在河西走廊传到关中平原以后，在关中平原找到的四份抗白粉的小麦材料含有这个基因。

所以当时我们就很好奇，我说你缺了六个核苷酸是吧，那我们就想，是不是缺掉三个也可以？我们知道三个核苷酸是编码一个氨基酸的，我们说缺掉三个行不行？缺了后边三个？行不行，再大不了我们在前面、后面各多缺一个，缺掉十二个？我们当时的期望就想创造更多的抗病的材料。

缺了前面三个核苷酸，就应该是抗病的，缺到后边可能也抗，我们就去做这样的一个实验，结果确实是必须缺掉一个 。

研究的结果常常跟我们的想象不太一致，恰恰甚至相反。结果我们发现，缺掉前面一个氨基酸，后边一个氨基酸，或者去掉四个氨基酸的时候，都不行，必须缺掉两个氨基酸，就是六个碱基，这样完完整整、干干净净才能抗病。

缺一个也不行，多一个也不行，我们就想起来在古代的时候，楚王问宋玉什么地方的女孩子漂亮，他就跟楚王说“莫若东家之子”东家之子怎么了？“增之一分则太长，减之一分则太短”，恰恰缺掉六个核苷酸才是抗病的，多了一点，少了一点都不行。

所以后来我们就想，这个基因它就在陕西，与河南的最西边，就在关东平原上，这是地地道道的中国的小麦里边的“中国基因”，我们说这么漂亮的一个基因 那就叫什么？我们觉得有“中国美”的一个抗病基因。

所以后来我们就思考，为什么关中平原会出来这个呢？

我们刚开始说了，白粉菌要侵染小麦，它要在小麦叶片上长，我们说在自然状态里边，它是一个共生的关系，“荡荡乎八川分流，相背而异态”，这是什么意思？当年关中平原确实很温暖，很潮湿，灌溉很发达，农业非常发达，所以后来我们就想为什么那么发达，为什么在咸阳、西安建都，农业发达。当时是农业生产国，有粮食才有兵强马壮，所以当时就种小麦，土壤肥沃，种的小麦多了，所有的小麦都在那儿感白粉病了，感白粉病了怎么办？

小麦也不甘于被白粉病菌侵染，我们说生物是互相适应的，小麦也在突变，也要变，所以它自然而然就发生了一个变异，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，就被咱们的老祖宗，几千年前被选出来了，把它留下来了，留到现在成了一个宝贵的抗病的资源，所以说这个小麦就在这产生变化的，这也说明你病原菌在变，我们小麦也在变。所以我们就不用担心将来哪一天，病原菌变得什么样 不行了，把我们人全搞掉了，把作物全搞掉了，不会的。

我们随着这样的一个认识，病原菌在变，植物也在变，也在不断地产生新的抗病基因来抵御病原菌的侵染。

我们就想到《诗经》也描述这个地方，“蒹葭苍苍，白露为霜，所谓伊人，在水一方”，这个“伊人”是谁？就是描述我们的抗白粉病基因，就是这么一个漂漂亮亮的，“中国美”的抗白粉病基因。

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。

中国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边，你可以看到我们把它做的产量又高了，株高又矮了，整个的抗白血病，还免疫了，我们就想到《诗经》里一首诗，我们到了麦田里就想起来，“我行其野，芃芃其麦”，特别有意境。

各位专家去看我们的材料，我们把这些材料也送给他们，去做抗白粉病的新品种培育，让我们古代的“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。

我们在做研究的过程里，其实这些东西都是我们的研究生们在做，所以他们在收获了学业的同时，也收获了他们的学位。他们非常愿意在麦地里拍一个获得博士学位的照片，结果后来我们国科大的校长，当时的李树深院士，他当时就看到我们这个照片了，就在毕业典礼上把我们那个照片放出来，赞扬这些同学，也赞扬他们的工作，就说这样的一个毕业照，“定格了粮食丰收的景象，与学业丰收的幸福”。

来源：君和创新