一場全面打響的糧食保衛戰

——記周明國教授團隊獲2018年國家科技進步二等獎

發稿時間:2019年01月08日來源:南農新聞-NJAU NEWS作者:趙燁燁

在南京農業大學植物保護學院周明國教授的辦公室書架上,兩本鮮紅的證書格外醒目,那是周明國課題組分別于2010年和2012年獲得的國家科技進步二等獎。

今年,周明國課題組的“創制殺菌劑氰烯菌酯選擇性新靶標的發現及產業化應用”再次捧得2018年國家科學技術進步二等獎。他書架上虛位以待的位置,將被第三個沉甸甸的“國獎”證書填滿。

這一次,他的團隊研究發現了極其重要的殺菌劑新靶標——肌球蛋白,揭示了自主研發的新型農藥氰烯菌酯的作用靶標和選擇性遺傳基礎,探明了肌球蛋白藥敏性分化及抗藥性風險,研發了稻麥鐮刀菌病害安全高效防控新技術,創新了技術推廣策略,提高了農藥創制和鐮刀菌病害及毒素控制的科技水平。可謂全面打響了一場堅實的糧食保衛戰。

“知己知彼,百戰不殆”:三中“國獎”的絕密“兵法”

“我是研究農藥和植物病害防控的。”周明國毫不避諱他的研究方向:“聽到‘農藥’兩個字,老百姓常常膽戰心驚,談‘藥’色變。不過我有信心,我們研制的農藥比有的醫藥還要安全。”

農藥一般是指在農業生產中,為保障、促進植物或農作物健康成長,所施用的殺蟲、殺菌和除草的一類藥物統稱,特指在農業上用于防治有害生物以及調節植物生長的藥物。

周明國專注研究的農藥就是屬于其中殺菌劑的范疇。

既然要“殺”的是一種“菌”,那么是什么菌?它們“頑固”在哪里?為何讓周明國團隊數十年如一日誓與它們“一決高下”?

上世紀70年代中期,一場突如其來的小麥赤霉病害席卷長江中下游和淮河流域,導致當時的小麥幾乎顆粒無收。“我的家人吃了自己種的小麥都會莫名其妙的嘔吐。”時隔40年,周明國依然對當時小麥赤霉病對產量和人的健康危害記憶猶新。

小麥赤霉病又名麥穗枯、爛麥頭,是由一類叫作鐮刀菌的真菌侵染危害的,不僅可造成小麥20%-50%以上的大幅減產,流行時甚至絕收,還會讓“生病”的小麥含有病菌毒素等有害物質,嚴重危害人畜健康,使小麥完全失去食用和飼用價值。

1982年,周明國從南京農學院植保系(現南京農業大學植保學院)畢業并留校工作。從那時起,他就開始了病害防控和殺菌劑研究,誓要打贏這場曠日持久的糧食保衛戰。

既然是一場惡戰,就必須先有縝密的“兵法”。

知己知彼,百戰不殆。就是周明國團隊信心十足對付“敵人”鐮刀菌的“兵法”。

初步探明“敵人”活動的基本情況,研發有效的武器和作戰方案,是2010年周明國團隊以第二完成單位獲得國家科技進步二等獎的項目——“小麥赤霉病致病機理與防控關鍵技術”完成的主要任務。在這一階段,團隊不僅發現了導致小麥赤霉病的“罪魁禍首”——一類叫做“鐮刀菌”的微小生物,還對其致病機理、流行規律及防治方法“盡在掌握”。

就這樣,團隊漂亮地打響了大戰前夕“知彼”的第一炮。

此后,一種名叫“多菌靈”的殺菌劑不僅被用來對付鐮刀菌,防治小麥赤霉病和水稻惡苗病,還被廣泛用于其他多種作物病害防治。然而不久,局部地區相繼爆發了可怕的重大糧食作物抗藥性災害。

“病菌在面對化學武器長期絞殺的過程中,也在不斷演化,形成了應對‘多菌靈’的抗性變異群體。”周明國說,這樣一來,原有的殺菌劑非但沒能讓鐮刀菌“滾蛋”,反而讓小麥和水稻的病情惡化,甚至刺激病菌產生更多的DON毒素。

如今,周明國的研究已充分證明,40年前讓家人嘔吐的就是這種名為DON的毒素,它不僅導致作物病害,更會嚴重危害人體健康。

果然,此后作物病害的發展態勢正如他所擔心的那樣愈演愈烈——找不到解決方法的種植戶,只能盲目增加農藥用量,混用各類農藥。抗藥性災害就這樣持續惡化,病害發生愈加嚴重,藥害、農藥殘留、環境污染和作物毒素含量成倍增長等問題層出不窮。

對此,周明國團隊始終憂心忡忡。

終于,在兩年后的2012年,課題組找到了“多菌靈”在這場防治戰役中屢戰屢敗的原因,讓課題組更加“知彼”。

那一年,周明國以第一完成人的身份再次獲得國家科技進步二等獎。其成果“重要作物病原菌抗藥性機制及監測與治理關鍵技術”,探明了水稻惡苗病、油菜菌核病和小麥赤霉病菌等作物病原菌抗藥性的發生、發展規律,研發了快速診斷技術,一步步摸清了“敵人”對付傳統農藥“多菌靈”的慣用“伎倆”,并研發出了新式“武器”。

“這是一種具有自主知識產權、專門對付鐮刀菌的‘新武器’!”周明國說,他們發現,這種叫做“氰烯菌酯”的武器,在防治小麥赤霉病方面的威力不僅高于“多菌靈”3倍,用藥量還可減少一半以上,更能降低小麥谷粒中90%的鐮刀菌毒素,對動植物和環境微生物特別安全。

有“利器”在手,周明國團隊又邁出了“知己”的一大步。

“擒賊先擒王”:更精準“靶標”的發現

有了“新武器”的助力,在2012年以后的全新攻關周期里,周明國團隊開始著眼于“訓練”如何讓“氰烯菌酯”殺菌的“槍法”更為精準。

經過無數次的試驗,他們終于又有了新的收獲。

“我們發現殺菌劑極其重要的新靶標——肌球蛋白-5。”這是一種生命體活動中不可或缺的生物大分子,已被國際殺菌劑抗性行動委員會(FRAC)認定分類為全新的選擇性殺菌劑新靶標——馬達蛋白。顧名思義,這一類靶標其具有“馬達”般的超強活力,在細胞營養運輸中具有提供能量的關鍵作用,是病菌體內當之無愧的“王牌”蛋白。

“這就如同汽車的引擎,能給汽車前進的充足馬力。”而更讓周明國團隊興奮的是:“它正是我們的新式武器‘氰烯菌酯’所要攻擊的靶標!

“如果引擎被擊穿,汽車還能開嗎?”周明國比喻到,作為鐮刀菌運輸營養的“馬達”,一旦被氰烯菌酯“瞄準”擊破,鐮刀菌必被“一槍斃命”!可謂“擒賊先擒王”。

為了讓氰烯菌酯能像巡航導彈一樣的精準發射、百發百中,周明國團隊經過進一步深入研究,發現肌球蛋白-5特定的第216、217、418和420位氨基酸殘基正是它的關鍵位點。也就是說,團隊探明了肌球蛋白的致命“軟肋”,只要研發的殺菌劑能夠瞄準這些致命“靶心”,鐮刀菌一定“在劫難逃”。

“我們的成果未來甚至可以被進一步開發,用于治療由鐮刀菌引起的人類疾病。”周明國說,肌球蛋白藥物靶標的發現,不僅為農用殺菌劑的研發提供了選擇性新靶標,還為新醫藥的開發提供了有效參考。

“緩兵之計”:延緩鐮刀菌抗藥性發展

但是,即使有了精良的“武器”,掌握了敵人的“軟肋”,也并不意味著能“一戰而定”。

這是因為肌球蛋白的結構總是在不斷變化的。它甚至在不同生物體中、不同時間階段的呈現結構都會不盡相同。

事物總是具有其兩面性。從農藥安全角度上看,多變的肌球蛋白具有高度的選擇性,對其他生物特別安全;但從另一個角度看,它也會利用自己“百變”的特性,不斷改變之前曾與藥劑完美對位的“靶位”結構,躲避打擊而產生抗藥性,讓藥劑效果喪失殆盡。

“如果長時間使用同一種殺菌藥劑,必然又會產生新的抗藥性。”周明國解釋到:“‘多菌靈’會使鐮刀菌產生抗藥性,‘氰烯菌酯’也會產生同樣的問題。”

所以,他的團隊未雨綢繆,對“敵人”保持警惕,探明肌球蛋白變異規律和性質,力爭把鐮刀菌再次產生抗藥性的周期拉長,為研制更加精良的“武器”騰出時間。

“這也是一種緩兵之計。”周明國說。

周明國團隊進一步探明了肌球蛋白-5對藥物敏感性的分化機制,發現其至少有12個氨基酸殘基可發生不同水平的抗藥性變化,揭示了各位點變異頻率和抗性風險。

團隊還特別研制了“組合型武器”。這些“武器”可以根據不同生態區域病害發生的特征和抗藥性發展的風險,同時攻擊不同靶位。核心藥劑“氰烯菌酯”與戊唑醇等藥劑的4種增效組合殺菌劑獲得了國家農藥正式登記,它們同時具有防治多種病害、延緩抗藥性、降低毒素等作用,而且用藥量還比“多菌靈”一下子減少60%。

這種氰烯菌酯抗性治理策略也被FRAC高度認可,將其作為合理應用肌球蛋白抑制劑的科學依據。

摸清了規律,研制了新藥,就要讓實驗室里的科研成果實實在在的“落地”。

單堿基變異的抗藥性LAMP簡便、快速診斷技術的發明,實現了抗藥性實時高通量檢測,使團隊的這一愿望變成了現實。

團隊首先在多菌靈和咪鮮胺抗性發生嚴重的地方進行成果推廣和應用。他們采用LAMP檢測法,在田間地頭隨時隨地進行監測,短短4-5個小時就能讓老百姓看到監測結果。

有了大量真實的藥敏性檢測數據,再讓新的組合武器“閃亮登場”,一旦藥效與“多菌靈”形成鮮明對比,種糧老百姓必然對周明國團隊的最新成果“心服口服”。

“這種推廣的新策略的確發揮了很好的示范效應。因為這建立在我們對新式‘武器’氰烯菌酯的各種技術參數了熟于心的基礎上。我們可以游刃有余地對付帶有抗藥性的各類頑固‘敵人’,而絕不是空喊口號。”周明國說,僅在近3年,團隊已在病害發生最為嚴重的10個省市推廣肌球蛋白抑制劑系列產品,防控小麥赤霉病和水稻惡苗病9000多萬畝,減少用藥4650噸,減損糧食340萬噸,降低麥粒真菌毒素含量85%,保證了糧食品質,減少經濟損失220多億元,使之成為防治赤霉病和惡苗病家喻戶曉的首選技術,實現了社會效益和經濟效益雙豐收,促進了鄉村振興和綠色發展。

“有了對付敵人的先進武器,并不意味著能高枕無憂。”周明國透露說,盡管采用了延緩氰烯菌酯抗性的應用技術,但是抗藥性遲早還會卷土重來。

剛剛從領獎臺上走下來的周明國團隊,已經踏上了這場糧食保衛戰的新戰場。他們得爭分奪秒,力爭在“緩兵”期內,研發出更加先進的顛覆性“新武器”。

周明國感慨,這場惡戰還將持續下去。


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