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她为新疆棉田育出“霸王花”

  • 转自：中国科学院微生物研究所公众号
  • 日期：2024-03-28
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郭惠珊在新疆棉田
走进中国科学院微生物研究所（以下简称微生物所）研究员郭惠珊的办公室，一眼就能看到那些“特色”装饰：地面上的盆栽棉花、茶几上的棉花花束，就连窗帘上也有一幅枝叶伸展、桃铃绽放的棉花图。
郭惠珊团队研究的正是棉花。过去15年，他们扎根新疆棉田，打破棉花生产中的一系列瓶颈，为助力植棉业现代化发展、推动民族地区以棉增收提供了科技支撑。
2023年底，因为工作突出，郭惠珊被授予第九届“首都民族团结进步先进个人”称号。
另辟蹊径，攻克“棉花癌症”
“4月苗，5月蕾，6月花，7月铃，8月陆续吐絮，10月收获。”谈起棉花，郭惠珊如数家珍。
郭惠珊与棉田结缘是在2008年。那年秋天，她来到新疆石河子大学作报告，在随后的考察中第一次走进棉田。
新疆是我国最重要的棉花产区，产量占全国总产量的90%以上。那次考察，受棉花黄萎病影响，棉田里干枯的叶片和棉农的满面愁云给郭惠珊带来极大的心理冲击。
“我们家的棉花地黄萎病大暴发，光买药就要几万元，成本大了，愁得我们都吃不下、睡不着。”棉农的话刺痛了郭惠珊的心。
她深入了解后发现，我国每年棉花黄萎病发生面积超过千万亩，造成的直接和间接经济损失累计超百亿元。但40多年来，大量抗病育种工作证实，由于棉花没有主效抗病基因，通过单独转入一个基因提高植株抗性以抵抗真菌的传统育种和分子育种方法行不通。棉花黄萎病成了“棉花癌症”。
“通过主效基因抗病的门被关上了，其他的路能走通吗？”郭惠珊想试一试。
涉足棉花黄萎病研究之前，郭惠珊的研究是利用RNA干扰（RNAi）技术抗植物病毒。能否通过这种方式抑制黄萎病的致病性呢？
棉花黄萎病的病原大丽轮枝菌是一种典型的土传病原真菌。此前，郭惠珊一直聚焦非细胞结构的植物病毒研究，对真菌这种真核生物引起的病害了解不多，半路换道意味着很多地方需要从零开始。
郭惠珊毅然带领团队扎根棉田，“死磕”黄萎病。
他们冒着高温顶着烈日，在干旱的棉田里年复一年地寻找抗病线索。终于，8年后，一个新发现让他们看到了希望：棉花能够将自身的小RNA传递到真菌细胞内抑制真菌基因表达。
这个发现表明自然界存在天然的植物-真菌跨界RNAi途径，也让研究团队决定给棉花转入抗病RNA，抵御黄萎病。“这就像给棉花装备上‘小剪刀’。”郭惠珊向《中国科学报》解释，抗病RNA可以让棉株在大丽轮枝菌入侵时将其核糖核酸剪断，降低其致病性。
这一独辟蹊径的方法使棉花的黄萎病抗性提高了22.3%，尽管此前RNAi技术曾被用于植物-病毒、植物-昆虫等研究，但自然界中天然的植物-真菌跨界“打靶”抗病在国际上尚属首次。相关研究在2016年发表后受到国际瞩目，成为抗棉花黄萎病研究的一个重要里程碑。
为了让“小剪刀”更加便捷，郭惠珊还提出用有益微生物产生并输出小RNA剪切病原真菌基因的想法。
“我们到新疆棉田里挖出一份份土样带回北京，经过一次次分析，从中找到一种能产生小RNA的有益真菌，将其用于抗黄萎病的工程菌开发，实现了‘真菌-真菌’种间抗病。”微生物所副研究员赵建华说，这种方式摆脱了作物缺少遗传转化体系或转化周期长的束缚，或将带来全新的作物病害防控模式。
目前，团队培育的抗病棉抗病能力达到56.4%。由于抗病性增强，棉花的优良性状也能更好地体现出来，如棉桃更丰满、棉纤维成熟度更高，产量和质量也更高。
现在，郭惠珊团队正在推动基于RNAi技术抗黄萎病棉花的落地。新技术从实验室走向田间要通过中试、环境释放、生产性试验等多道程序。
2017年，郭惠珊团队在新疆建成了9亩棉花黄萎病病圃，反复试验收集数据，已经获得国内首个RNAi棉花转基因安全评价环境释放证书，并完成了环境释放试验，正在向生产性试验迈进。
“一定要把这项技术真正落实到地里，它关系着每一位棉农的钱袋子。”郭惠珊心里憋着一股劲儿。
盐碱地上开出“霸王花”
近年来，盐碱地综合改造利用成为我国农业发展的战略方向之一。我国约有15亿亩盐碱地，其中约5亿亩具有开发利用潜力。新疆盐碱地分布广，面积约占全国的三分之一。
为了向盐碱地要产能，近年来，郭惠珊团队把目光投向一个新领域——耐盐碱棉花培育。她带领团队跑遍天山南北，筛选高产、有抗病基础的棉花种质资源，培育新耐盐碱种质。
“培育好的品种就像‘选美’，千挑万选才能选出性状优良的品系。”郭惠珊说。
2018年，郭惠珊和微生物所副研究员高峰带着选育的种质向地方政府租盐碱地试种，种子播下去，一开始出了一些苗，但最后几乎全军覆没。
白花花的盐碱地，不仅盐分高，高温干旱也是常态。当地人常说：“盐碱地里种庄稼，十年九不收。”
第二年，他们种上筛选到的新种质，稀稀拉拉的苗长出来了。
第三年，新种质的苗长得很整齐。
一步步的研究与实践，为他们2021年在南疆创建的1500亩大面积示范田“基于盐碱地的棉花高产体系”打下了基础。
2023年，郭惠珊团队的耐盐碱棉花示范田从最初的200亩扩展到万亩，他们培育的骨干亲本——中科棉系列种质，实现亩产417公斤、产值超3000元的显著效益。此外，他们发现，棉花除了耐盐碱，还有“拔盐”的功能，最初种植的地块盐分含量显著降低，土壤质量显著改善。
去年秋天，郭惠珊团队来到示范田，一望无际的棉田里棉桃争相绽放，与她在2008年初次见到的情况迥然不同。一些棉农笑着说，团队为新疆带来了“霸王花”。
棉农们的认可让郭惠珊最初面对棉花黄萎病时那股“初生牛犊不怕虎”的冲劲，变成了一份割舍不下的情怀。这两年，她带领团队在山东建立了一个100亩的“盐碱圃”，种了3000多个棉花品系，以期能够创制更多具有优良综合性状的新种质。
把更多论文“写在大地上”
以问题为牵引、以需求为导向，这是郭惠珊带领团队做科研的最大特色。
棉田里的问题是不间断的。在新疆一些地区，当蚜虫大暴发时，密密麻麻的虫子爬满棉花叶子背面吸食汁液，让棉花叶片萎缩变形、蕾铃脱落，甚至死苗，严重影响产量。
“蚜虫分泌的液体会让一株株棉花变得黏黏糊糊，人一走进田里身上就会粘上蚜虫，衣服也变得黏黏糊糊。”郭惠珊对此很有感触。
为了防治蚜虫，郭惠珊带领团队利用RNAi技术创制了抗蚜虫棉花。2019年以来，该团队与新疆地方政府合作，在麦盖提县和策勒县开展了靶向性防控体系集成与示范，示范田综合防控次数减少50%，每亩防控成本降低45%。
他们还创建了“极端高温干旱条件下的害虫靶向性防控”技术规程，并请人翻译成维吾尔语，走进村镇讲堂给棉农授课，在喀什、和田两地开展技术示范。
15年来，除了在新疆高温、干旱的棉田里挥洒汗水，把技术送进农民家中，郭惠珊和团队里的青年科学家还从北到南跨越大半个中国到海南开展“南繁”工作。
有冲劲、有耐心、能吃苦，这是郭惠珊团队成员的共同特点。最近，该团队高级工程师张涛正在海南开展纳米磁珠棉花转化实验，这项工作需要给一株株棉花挨个儿转入极细微的纳米磁珠，再一株株地系上红线，待棉花成熟时以此判断是否需要单独采摘制种。每天早上5点多天没亮，张涛就到棉田准备材料，午饭后又戴着遮阳帽到田里继续干。几天下来，棉田里数千株棉花都系上了“红头绳”。
对于张涛和团队里其他的科学家来说，棉田里流的汗、费的力都不算“苦”，棉农脸上的微笑是对他们的最好回报。对于研究路上遇到的磕磕绊绊，他们总是迎难而上，在解决问题的过程中与石河子大学、新疆生产建设兵团等单位建立了良好的合作关系。
下一步，郭惠珊团队希望把更多科研成果“写在祖国的大地上”。