當(dāng)大麥的種子在保溫箱內(nèi)發(fā)芽生長(zhǎng)5~7天，大約會(huì)長(zhǎng)到五六厘米。這時(shí)用手術(shù)刀在幼苗分生組織處切2~3毫米的小口，用尖頭鑷子將培養(yǎng)好的禾草內(nèi)生真菌挑取一點(diǎn)菌絲體塞入傷口，培養(yǎng)箱培養(yǎng)，移栽至實(shí)驗(yàn)田，菌絲沿著葉脈與植物互惠共生直至種子成熟、收獲。
與未接種內(nèi)生真菌的對(duì)照組相比，接種后的大麥新種質(zhì)個(gè)頭更高、產(chǎn)量更高、生育期提前，并且也更耐旱和耐鹽堿。近日，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院教授李春杰在《科學(xué)通報(bào)》上發(fā)表研究論文，探究人工接種禾草內(nèi)生真菌創(chuàng)制大麥新種質(zhì)的新途徑，為植物育種學(xué)開(kāi)拓了一個(gè)新的研究思路。
有毒真菌的兩面性
李春杰的人工接種故事還要從2002年講起。
中國(guó)工程院院士、蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院教授南志標(biāo)團(tuán)隊(duì)早在上世紀(jì)90年代就發(fā)現(xiàn)西部廣袤的草原上有一種“帶毒”的禾本科植物——醉馬草，牛羊吃了會(huì)像人喝醉了一般搖搖晃晃甚至流產(chǎn)、死亡。研究發(fā)現(xiàn)“真兇”竟是醉馬草的內(nèi)生真菌，但這真菌也并非一無(wú)是處：可以使醉馬草具有耐旱、耐寒、抗病蟲(chóng)等優(yōu)良特性。
當(dāng)李春杰2002年成為南志標(biāo)的第一名博士生時(shí)，導(dǎo)師拋給他一個(gè)問(wèn)題：解析醉馬草有毒的根源，開(kāi)發(fā)利用內(nèi)生真菌的有益特性并進(jìn)行種質(zhì)創(chuàng)新和新品種選育。
不同于寄生菌對(duì)植物的侵占，禾草內(nèi)生真菌“終生”或者“大半生”生活在禾草內(nèi)部，對(duì)植物來(lái)說(shuō)屬于有益共生菌，就像雙歧桿菌、乳酸桿菌之于人體的消化系統(tǒng)。禾草內(nèi)生真菌研究是近30年來(lái)國(guó)際畜牧學(xué)和微生物學(xué)的新興研究領(lǐng)域。研究表明，這類內(nèi)生真菌比較容易從其宿主植物中分離并在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)，這也使得人工接種成為可能。近年來(lái)，利用禾草內(nèi)生真菌進(jìn)行禾草育種，特別是抗性與品質(zhì)育種，成為國(guó)際草業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。利用這一類微生物資源，各國(guó)已培育出一些草坪草及少數(shù)牧草品種，在新西蘭、美國(guó)和澳大利亞成功商業(yè)化。
南志標(biāo)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年努力，篩選獲得了高內(nèi)生真菌帶菌率、抗銹病的坪用多年生黑麥草——蘭黑1號(hào)，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)禾草-內(nèi)生真菌共生體新品系，2020年已獲批進(jìn)入國(guó)家林業(yè)和草原局新品種區(qū)域試驗(yàn)。
但在利用內(nèi)生真菌進(jìn)行糧飼作物育種領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外幾乎都是空白。
李春杰在甘肅河西走廊的鹽堿地上發(fā)現(xiàn)野大麥自帶內(nèi)生真菌，但栽培大麥并不具備這一特點(diǎn)。作為世界上最古老的種植作物之一，大麥具有食用、飼用、釀造、藥用等多種用途。因此，他想到將親緣關(guān)系相近的二者作為人工接種的對(duì)象，“看看會(huì)不會(huì)有驚喜發(fā)生”。
產(chǎn)量獲明顯提高
篩選出禾草野大麥的內(nèi)生真菌優(yōu)良菌株后，最關(guān)鍵的一環(huán)是人工接種技術(shù)。李春杰和博士生王正鳳選擇柴青1號(hào)裸大麥和揚(yáng)飼麥1號(hào)皮大麥兩個(gè)品種，經(jīng)過(guò)酒精、次氯酸鈉嚴(yán)格消毒，拿起手術(shù)刀對(duì)著保溫箱里精心培育出的大麥幼苗，“動(dòng)起了手術(shù)”。
切小口、塞入真菌……經(jīng)過(guò)三周左右的培養(yǎng)，2019年3月，帶菌的幼苗被栽種至海拔1620米的蘭州大學(xué)景泰草地農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站。春去秋來(lái)，大麥?zhǔn)炝?。?jīng)過(guò)顯微鏡檢測(cè)，接種的1050株大麥中只有36株接種成功，但就是2%的成功者中，皮大麥新種質(zhì)的地上生物量和單株籽粒產(chǎn)量提高了46%和22%，生育期提前了5天，裸大麥新種質(zhì)地上生物量和單株籽粒產(chǎn)量分別提高了37%和28%。
經(jīng)過(guò)2020年的再次試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)獲得了能穩(wěn)定遺傳的內(nèi)生真菌-大麥共生體新種質(zhì)，顯著提高了植株的單株穗數(shù)、主穗長(zhǎng)、主穗粒數(shù)和單株種子產(chǎn)量。
據(jù)李春杰介紹，內(nèi)生真菌往往缺乏有性繁殖，不在植物體外存在，這決定了真菌能夠與宿主植物互惠共生，加上侵染內(nèi)生真菌通過(guò)種子進(jìn)行垂直傳播，子代種子帶菌率為92%以上，因此通過(guò)人工接種的方式獲得新種質(zhì)比起傳統(tǒng)的育種模式具有目的性強(qiáng)、可預(yù)見(jiàn)性、育種周期短和高效遺傳等特點(diǎn)。“這就好比大麥本來(lái)長(zhǎng)得好好的，我們通過(guò)人工接種給它上了一道保險(xiǎn)。”
從新種質(zhì)邁向新品種
據(jù)悉，該項(xiàng)成果是南志標(biāo)主持的國(guó)家973計(jì)劃“重要牧草、鄉(xiāng)土草抗逆優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的生物學(xué)基礎(chǔ)”項(xiàng)目三項(xiàng)代表性重大成果之一。
通過(guò)人工接種技術(shù)，項(xiàng)目組獲得了1個(gè)大麥和2個(gè)青稞新品系，與不帶菌的對(duì)照相比，植株100%帶菌，耐鹽和耐旱的各項(xiàng)指標(biāo)分別高了36~79%和11~50%，含有抗蟲(chóng)生物堿波胺，未檢出對(duì)家畜有毒害的麥角生物堿。
使我國(guó)成為繼新西蘭之后，世界上第二個(gè)成功采用人工接種內(nèi)生菌技術(shù)創(chuàng)制新品系的國(guó)家，獲得了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的發(fā)明專利，居于同領(lǐng)域國(guó)際前列。
“如今，內(nèi)生真菌是國(guó)際禾草內(nèi)生真菌研究的三大體系之一，可作為一種新型資源進(jìn)行植物育種。”南志標(biāo)說(shuō)，“植物自身的抗性增強(qiáng)了，化肥和農(nóng)藥的使用就少了，水量需求少，就能保護(hù)生態(tài)環(huán)境。”
下一步，南志標(biāo)和李春杰團(tuán)隊(duì)將對(duì)新種質(zhì)的性能進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，并思考著將內(nèi)生真菌人工接種轉(zhuǎn)向小麥、玉米、水稻等禾谷類作物，逐步實(shí)現(xiàn)從飼用作物到糧食作物的轉(zhuǎn)變。“從新種質(zhì)到新材料、新品系，最后實(shí)現(xiàn)新品種培育。”
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1360/TB-2020-1587
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