作者:李思辉 吴江龙 来源:中国科学报 发布时间:2023/7/27 10:33:24
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他在武大养了200万只虫子,最新成果发《自然》

 

何光存课题组成员。受访者供图

褐飞虱

■本报记者 李思辉 通讯员 吴江龙

珞珈山,武汉大学东北角,几间老平房旁边有片巨大的白色纱网。几十年来,它默默地笼罩在那里,鲜有人知晓。

直到不久前,这里突然成为海内外媒体关注的焦点——《自然》杂志发表的一项重要成果就在此处完成。

跟随武汉大学生命科学学院教授何光存的脚步,《中国科学报》记者进入大网内部才看清楚,原来此地饲养着不计其数的虫子。过去30多年,“养虫人”何光存带领课题组成员围绕数以百万计的害虫“做了一篇大文章”。

漂洋过海而来的头号害虫

水稻是世界上主要粮食作物之一,其收成关乎亿万家庭的温饱冷暖。影响水稻收成的重要因素是虫害。在水稻虫害中,褐飞虱之害尤其严重。

别看褐飞虱只是一种体长仅三四毫米的小飞虫,它却对中国、菲律宾、越南、泰国、印度尼西亚等水稻主产国产生严重危害,是亚洲水稻生产中的头号害虫。科学家研究发现,它们成群结队地在一些水稻主产区大量繁殖,吸食水稻韧皮部汁液、传播病毒病并导致水稻大面积倒伏。有数据统计,在我国,褐飞虱每年为害面积接近4亿亩次、造成100多万吨粮食损失——这些粮食可以养活几百万人。

褐飞虱防治是世界性难题,这种害虫为害严重时,可让水稻成片倒伏死亡、颗粒无收。更令科学家头痛的是,由于长期使用化学农药,在我国水稻产区,褐飞虱已经有了很强的抗药性,一般农药收效甚微,有的甚至无济于事。

在武汉大学生命科学学院杂交水稻全国重点实验室(以下简称武大杂交水稻重点实验室),记者随着何光存的指引,弯下腰仔细观察,果然发现那些看似细小纤弱、人畜无害的小飞虫盘踞在稻秆基部啃食。何光存告诉记者:“这种害虫喜欢蛰居在水稻基部吸食汁液,因此,在稻田喷洒农药防治效果往往不好。”

褐飞虱其实并非我国本地害虫,而是漂洋过海而来的不速之客。武大杂交水稻重点实验室副主任杨芳介绍,褐飞虱属于典型的“迁飞害虫”。它们在东南亚稻田越冬,每年随着季风迁飞来到中国,主要落脚到长江中下游地区的稻田,繁殖五六代,一生百、百生万,产生了庞大的群体,严重危害我国的粮食安全。

既然褐飞虱危害这么严重,能不能专门研究这种害虫,为国家找到破解之策?

“小何有胆量”

上世纪90年代,水稻研究备受国家重视,但科学家大多把科研重点放在良种选育上,专门从事水稻虫害抗性研究的科学家非常少。一方面,很多人不相信“水稻抗虫”,他们认为褐飞虱这类虫子天生就是吃水稻的,不依靠化学农药等外部作用,单凭作物自身不可能抵抗害虫的取食。另一方面,抗虫研究技术难度大、周期长,难出成果,可能陷入虫害研究里一事无成。

听说何光存要搞褐飞虱抗性研究,中国工程院院士、农业科学家朱英国称赞“小何有胆量”。

“我们这一辈人,受前辈科学家影响很深,留学回国,一心就想为国家解决难题,促进农民增收。”何光存不仅这样想,而且坚持这样做。从上世纪90年代开始,他背着瓶瓶罐罐深入田间捕捉褐飞虱,并开始在纱网棚内大量养殖褐飞虱,测试各种水稻对褐飞虱的抵抗能力。在此后的许多年里,养殖和研究各种各样的虫子成了这个“虫子教授”干得最多的工作。

随着研究的深入,越来越多的褐飞虱需要安置。于是,武汉大学东北角,大纱网和几间老平房就成了他和课题组成员养殖各种褐飞虱,并寻找抗虫资源和抗虫基因的“神秘实验场所”。

“国际同行的抗褐飞虱研究比我们早20多年,我们起步虽晚,但21世纪初就进入了世界前沿。”杨芳介绍,经过14年默默无闻的艰辛研究,到2009年,何光存带领科研课题组终于克隆出国际上第一个水稻抗褐飞虱基因Bph14。何光存课题组在掌握大量褐飞虱样本、研究水稻对害虫反应的基础上,从野生稻杂交后代中克隆出抗褐飞虱基因Bph14,带有这一基因的水稻能够有效提高对虫害的“反抗能力”,让褐飞虱吸食不到水稻汁液,不得不知难而退。

这项技术一经问世,就引发密切关注。随后的短短几年里,国内数十家育种单位推广应用了这一成果。很多农户发现,过去让他们减产乃至绝收的褐飞虱“不见了”。凭借这一成果,何光存先后获得“湖北省自然科学奖一等奖”“第七届大北农科技奖特等奖”等荣誉,用他的话说,“着实风光了一把”。

让水稻“挺直腰杆”

“风光了一把”之后,何光存又清醒地认识到,虽然都是褐飞虱,但不同类型对水稻的危害有所不同,单靠一种“反抗基因”还不够。这就好比打疫苗,常见流行病有一二十种,注射一种疫苗并不保险。于是,何光存课题组又经过20余年研究,从野生稻和古老农家水稻品种中陆续克隆出10个抗褐飞虱基因。

杨芳介绍,目前各国科学家根据全世界水稻对不同生物型褐飞虱的抗性反应,已克隆出17个抗褐飞虱基因,其中,何光存课题组拥有11个,在这一细分领域占据绝对国际话语权。这些基因的广泛应用推动了我国抗褐飞虱研究跃居世界领先行列。

国际上利用作物自身的抗性来控制害虫的研究已有上百年历史。但是,作物天然抗虫品种如何抗虫的分子机理一直不明确。也就是说,科学家掌握了对付褐飞虱等害虫的方法,但这些方法如何发挥作用,并没有弄明白,“知其然,不知其所以然”。

何光存课题组研究发现,褐飞虱啃食水稻时会产生唾液,其中含有一种名为BISP的唾液蛋白,该蛋白是让普通水稻变得脆弱、易于被取食的“元凶”。而在含有Bph14基因的抗虫水稻中,当BISP进入水稻细胞后,会立即与Bph14编码的受体蛋白发生特异性结合,激发强烈抗虫反应,使褐飞虱不能取食、生长发育受阻、死亡率上升,从而阻止了其对水稻的侵害。

“抗褐飞虱基因编码的受体蛋白相当于水稻细胞中的一个哨兵,当褐飞虱的唾液蛋白BISP进来之后,它马上就能够发现并产生一个信号,再将这个信号传递出去,激发水稻强烈的抗虫性,抵御这个虫害。”何光存解释说。这是国际上首次发现被植物免疫受体感知的昆虫唾液蛋白。

事物都有两面性,抗虫基因可以抗虫害,但抗性过于强烈则会影响水稻的生长发育。这该如何解决?何光存课题组继续探索发现,精细调控水稻抗虫性的水平,能使水稻生长和抗虫性达到动态平衡,实现既抗虫又高产的目的。

该研究成果培育的水稻新品种推广应用后,在褐飞虱轻发生地区,可以不打农药;在重发生地区可少打农药2~3次,每亩节省成本40~60元。

正因为第一次清楚地揭示了害虫取食与植物反取食的分子机制,《自然》以长文的形式刊发了何光存课题组的研究成果。于是,20多家海内外媒体闻讯赶来集中采访。

练就“雕虫小技”

走进武大杂交水稻重点实验室,何光存课题组成员郭建平揭开一个塑料薄膜罩,里面放置了3盆长势旺盛的水稻株,凑近稻株的基部可以看到,密密麻麻的褐飞虱正聚集在一起啃食稻秆。郭建平介绍,这里养殖的褐飞虱是课题组的试验虫源。

而在那个专门饲养褐飞虱的巨网里,该课题组饲养着超过200万只虫子。“我们经常用吸管吸虫,把虫子带回实验室做研究。”郭建平说。

何光存介绍说:“飞虫虽然很小,但研究人员需要对它们的品种、产地、性别、虫龄、体重、特性等进行详细分类,并且观察它们平均每小时吸食的水稻汁液重量等,从而做出细致的实验分析,得出详细数据,用以指导抗虫基因研究。”

面向国家重大战略需求和世界科技前沿,利用何光存课题组抗褐飞虱基因培育的水稻品种目前已在湖北、安徽、湖南、江西、广西、海南等省份大面积推广应用,田间褐飞虱虫口密度降低85%以上,在减少农药使用的情况下保障了农民的增产增收。2020年何光存课题组因此获得国家技术发明奖二等奖。

回顾当初决定“研究虫子”时的义无反顾,以及30多年研究“一只虫子”的矢志坚守,何光存颇为感慨:“一个人的时间精力是有限的,很多看起来冷门的研究也需要有人去做,在某个领域倾力而为,作出自己的贡献,科研生涯就没有虚度。”

何光存几乎把全部精力都投入到了抗虫研究,几十年如一日,早出晚归。有一天,本该是下班回家的时间,他却因醉心于趴在地上观察虫子啃噬水稻的过程,忽视了对孩子的照料。当有人慌慌张张跑来告诉他:“你女儿掉水塘里了!”他才猛然起身,感觉天旋地转。

那天,何光存非常敬重的朱英国院士去医院看望被救的孩子,瞅见病床边双眼通红、一脸愧疚、木在那里的何光存,朱先生温柔地拍了拍他的肩膀。那一瞬间,何光存实在绷不住,眼泪刷刷地流了下来。当时的场景何光存至今记忆犹新。

未来,越来越多的人会知道,在珞珈山,武汉大学东北角,那张硕大的网子以及它笼罩的养虫室里,有一位勤劳的养虫人,与虫子为伴,三十年如一日,默默钻研着他的“雕虫小技”。

何光存课题组成员。受访者供图

 
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