實驗人員將內生真菌菌絲接種至栽培大麥幼苗
接種好的大麥幼苗
蘭州大學景泰草地農業試驗站新品系田間觀測現場
當大麥的種子在保溫箱內發芽生長5-7天，大約會長到5、6厘米。這時用手術刀在幼苗分生組織處切2-3毫米的小口，用尖頭鑷子將培養好的禾草內生真菌挑取一點菌絲體塞入傷口，培養箱培養，移栽至實驗田，菌絲沿著葉脈與植物互惠共生直至種子成熟、收獲。
與未接種內生真菌的對照組相比，接種后的大麥新種質個頭更高、產量更高、生育期提前，并且也更耐旱和耐鹽堿。近日，蘭州大學草地農業科技學院教授李春杰在《科學通報》上發表研究論文，探究人工接種禾草內生真菌創制大麥新種質的新途徑，為植物育種學開拓了一個新的研究思路。
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。
中國工程院院士、蘭州大學草地農業科技學院教授南志標團隊早在上世紀90年代就發現西部廣袤的草原上有一種“帶毒”的禾本科植物——醉馬草，牛羊吃了會像人喝醉了一般搖搖晃晃甚至流產、死亡。研究發現“真兇”竟是醉馬草的內生真菌，但這真菌也并非一無是處：可以使醉馬草具有耐旱、耐寒、抗病蟲等優良特性。
當李春杰2002年成為南志標的第一名博士生時，導師拋給他一個問題：解析醉馬草有毒的根源，開發利用內生真菌的有益特性并進行種質創新和新品種選育。
不同于寄生菌對植物的侵占，禾草內生真菌“終身”或者“大半生”生活在禾草內部，對植物來說屬于有益共生菌，就像雙歧桿菌、乳酸桿菌之于人體的消化系統。禾草內生真菌研究是近30年來國際畜牧學和微生物學的新興研究領域。研究表明，這類內生真菌比較容易從其宿主植物中分離并在實驗室條件下培養，這也使得人工接種成為可能。近年來，利用禾草內生真菌進行禾草育種，特別是抗性與品質育種，成為國際草業領域的發展趨勢。利用這一類微生物資源，各國已培育出一些草坪草及少數牧草品種，在新西蘭、美國和澳大利亞成功商業化。
南志標團隊經過多年努力，篩選獲得了高內生真菌帶菌率、抗銹病的坪用多年生黑麥草——蘭黑1號，是國內第一個禾草-內生真菌共生體新品系，2020年已獲批進入國家林業和草原局新品種區域試驗。
但在利用內生真菌進行糧飼作物育種領域，國內外幾乎都是空白。
李春杰在甘肅河西走廊的鹽堿地上發現野大麥自帶內生真菌，但栽培大麥并不具備這一特點。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，他想到將親緣關系相近的二者作為人工接種的對象，“看看會不會有驚喜發生”。
產量獲明顯提高
篩選出禾草野大麥的內生真菌優良菌株后，最關鍵的一環是人工接種技術。李春杰和博士生王正鳳選擇柴青1號裸大麥和揚飼麥1號皮大麥兩個品種，經過酒精、次氯酸鈉嚴格消毒，拿起手術刀對著保溫箱里精心培育出的大麥幼苗，“動起了手術”。
切小口、塞入真菌……經過三周左右的培養，2019年3月，帶菌的幼苗被栽種至海拔1620米的蘭州大學景泰草地農業試驗站。春去秋來，大麥熟了。經過顯微鏡檢測，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，皮大麥新種質的地上生物量和單株籽粒產量提高了46%和22%，生育期提前了5天，裸大麥新種質地上生物量和單株籽粒產量分別提高了37%和28%。
經過2020年的再次試驗，團隊獲得了能穩定遺傳的內生真菌-大麥共生體新種質，顯著提高了植株的單株穗數、主穗長、主穗粒數和單株種子產量。
據李春杰介紹，內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，加上侵染內生真菌通過種子進行垂直傳播，子代種子帶菌率為92%以上，因此通過人工接種的方式獲得新種質比起傳統的育種模式具有目的性強、可預見性、育種周期短和高效遺傳等特點。“這就好比大麥本來長得好好的，我們通過人工接種給它上了一道保險。”
從新種質邁向新品種
據悉，該項成果是南志標主持的國家973計劃“重要牧草、鄉土草抗逆優質高產的生物學基礎”項目三項代表性重大成果之一。
通過人工接種技術，項目組獲得了1個大麥和2個青稞新品系，與不帶菌的對照相比，植株100%帶菌，耐鹽和耐旱的各項指標分別高了36-79%和11-50%，，含有抗蟲生物堿波胺，未檢出對家畜有毒害的麥角生物堿。
使我國成為繼新西蘭之后，世界上第二個成功采用人工接種內生菌技術創制新品系的國家，獲得了具有自主知識產權的發明專利，居于同領域國際前列。
“如今，內生真菌是國際禾草內生真菌研究的三大體系之一，可作為一種新型資源進行植物育種。” 南志標說，“植物自身的抗性增強了，化肥和農藥的使用就少了，水量需求少，就能保護生態環境。”
下一步，南志標和李春杰團隊將對新種質的性能進行進一步評估，并思考著將內生真菌人工接種轉向小麥、玉米、水稻等禾谷類作物，逐步實現從飼用作物到糧食作物的轉變。“從新種質到新材料、新品系，最后實現新品種培育。”(溫才妃 法伊莎)
相關論文信息：https://doi.org/10.1360/TB-2020-1587
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