她讓新疆棉開(kāi)出“霸王花”

郭惠珊  受訪者供圖

走進(jìn)中國(guó)科學(xué)院微生物研究所（以下簡(jiǎn)稱微生物所）研究員郭惠珊的辦公室，一眼就能看到那些“特色”裝飾：地面上的盆栽棉花、茶幾上的棉花花束，就連窗簾上也有一幅枝葉伸展、桃鈴綻放的棉花圖。

郭惠珊團(tuán)隊(duì)研究的正是棉花。過(guò)去15年，他們?cè)陆尢铮蚱泼藁ㄉa(chǎn)中的一系列瓶頸，為助力植棉業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展、推動(dòng)民族地區(qū)以棉增收提供了科技支撐。

2023年底，因?yàn)楣ぷ魍怀?，郭惠珊被授予第九?ldquo;首都民族團(tuán)結(jié)進(jìn)步先進(jìn)個(gè)人”稱號(hào)。

另辟蹊徑，攻克“棉花癌癥”

“4月苗，5月蕾，6月花，7月鈴，8月陸續(xù)吐絮，10月收獲。”談起棉花，郭惠珊如數(shù)家珍。

郭惠珊與棉田結(jié)緣是在2008年。那年秋天，她來(lái)到新疆石河子大學(xué)作報(bào)告，在隨后的考察中第一次走進(jìn)棉田。

新疆是我國(guó)最重要的棉花產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的90%以上。那次考察，受棉花黃萎病影響，棉田里干枯的葉片和棉農(nóng)的滿面愁云給郭惠珊帶來(lái)極大的心理沖擊。

“我們家的棉花地黃萎病大暴發(fā)，光買(mǎi)藥就要幾萬(wàn)元，成本大了，愁得我們都吃不下、睡不著。”棉農(nóng)的話刺痛了郭惠珊的心。

她深入了解后發(fā)現(xiàn)，我國(guó)每年棉花黃萎病發(fā)生面積超過(guò)千萬(wàn)畝，造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失累計(jì)超百億元。但40多年來(lái)，大量抗病育種工作證實(shí)，由于棉花沒(méi)有主效抗病基因，通過(guò)單獨(dú)轉(zhuǎn)入一個(gè)基因提高植株抗性以抵抗真菌的傳統(tǒng)育種和分子育種方法行不通。棉花黃萎病成了“棉花癌癥”。

“通過(guò)主效基因抗病的門(mén)被關(guān)上了，其他的路能走通嗎？”郭惠珊想試一試。

涉足棉花黃萎病研究之前，郭惠珊的研究是利用RNA干擾（RNAi）技術(shù)抗植物病毒。能否通過(guò)這種方式抑制黃萎病的致病性呢？

棉花黃萎病的病原大麗輪枝菌是一種典型的土傳病原真菌。此前，郭惠珊一直聚焦非細(xì)胞結(jié)構(gòu)的植物病毒研究，對(duì)真菌這種真核生物引起的病害了解不多，半路換道意味著很多地方需要從零開(kāi)始。

郭惠珊毅然帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)扎根棉田，“死磕”黃萎病。

他們冒著高溫頂著烈日，在干旱的棉田里年復(fù)一年地尋找抗病線索。終于，8年后，一個(gè)新發(fā)現(xiàn)讓他們看到了希望：棉花能夠?qū)⒆陨淼男NA傳遞到真菌細(xì)胞內(nèi)抑制真菌基因表達(dá)。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)表明自然界存在天然的植物-真菌跨界RNAi途徑，也讓研究團(tuán)隊(duì)決定給棉花轉(zhuǎn)入抗病RNA，抵御黃萎病。“這就像給棉花裝備上‘小剪刀’。”郭惠珊向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋?zhuān)共NA可以讓棉株在大麗輪枝菌入侵時(shí)將其核糖核酸剪斷，降低其致病性。

這一獨(dú)辟蹊徑的方法使棉花的黃萎病抗性提高了22.3%，盡管此前RNAi技術(shù)曾被用于植物-病毒、植物-昆蟲(chóng)等研究，但自然界中天然的植物-真菌跨界“打靶”抗病在國(guó)際上尚屬首次。相關(guān)研究在2016年發(fā)表后受到國(guó)際矚目，成為抗棉花黃萎病研究的一個(gè)重要里程碑。

為了讓“小剪刀”更加便捷，郭惠珊還提出用有益微生物產(chǎn)生并輸出小RNA剪切病原真菌基因的想法。

“我們到新疆棉田里挖出一份份土樣帶回北京，經(jīng)過(guò)一次次分析，從中找到一種能產(chǎn)生小RNA的有益真菌，將其用于抗黃萎病的工程菌開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了‘真菌-真菌’種間抗病。”微生物所副研究員趙建華說(shuō)，這種方式擺脫了作物缺少遺傳轉(zhuǎn)化體系或轉(zhuǎn)化周期長(zhǎng)的束縛，或?qū)?lái)全新的作物病害防控模式。

目前，團(tuán)隊(duì)培育的抗病棉抗病能力達(dá)到56.4%。由于抗病性增強(qiáng)，棉花的優(yōu)良性狀也能更好地體現(xiàn)出來(lái)，如棉桃更豐滿、棉纖維成熟度更高，產(chǎn)量和質(zhì)量也更高。

現(xiàn)在，郭惠珊團(tuán)隊(duì)正在推動(dòng)基于RNAi技術(shù)抗黃萎病棉花的落地。新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向田間要通過(guò)中試、環(huán)境釋放、生產(chǎn)性試驗(yàn)等多道程序。

2017年，郭惠珊團(tuán)隊(duì)在新疆建成了9畝棉花黃萎病病圃，反復(fù)試驗(yàn)收集數(shù)據(jù)，已經(jīng)獲得國(guó)內(nèi)首個(gè)RNAi棉花轉(zhuǎn)基因安全評(píng)價(jià)環(huán)境釋放證書(shū)，并完成了環(huán)境釋放試驗(yàn)，正在向生產(chǎn)性試驗(yàn)邁進(jìn)。

“一定要把這項(xiàng)技術(shù)真正落實(shí)到地里，它關(guān)系著每一位棉農(nóng)的錢(qián)袋子。”郭惠珊心里憋著一股勁兒。

鹽堿地上開(kāi)出“霸王花”

近年來(lái)，鹽堿地綜合改造利用成為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向之一。我國(guó)約有15億畝鹽堿地，其中約5億畝具有開(kāi)發(fā)利用潛力。新疆鹽堿地分布廣，面積約占全國(guó)的三分之一。

為了向鹽堿地要產(chǎn)能，近年來(lái)，郭惠珊團(tuán)隊(duì)把目光投向一個(gè)新領(lǐng)域——耐鹽堿棉花培育。她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)跑遍天山南北，篩選高產(chǎn)、有抗病基礎(chǔ)的棉花種質(zhì)資源，培育新耐鹽堿種質(zhì)。

“培育好的品種就像‘選美’，千挑萬(wàn)選才能選出性狀優(yōu)良的品系。”郭惠珊說(shuō)。

2018年，郭惠珊和微生物所副研究員高峰帶著選育的種質(zhì)向地方政府租鹽堿地試種，種子播下去，一開(kāi)始出了一些苗，但最后幾乎全軍覆沒(méi)。

白花花的鹽堿地，不僅鹽分高，高溫干旱也是常態(tài)。當(dāng)?shù)厝顺Ｕf(shuō)：“鹽堿地里種莊稼，十年九不收。” 

第二年，他們種上篩選到的新種質(zhì)，稀稀拉拉的苗長(zhǎng)出來(lái)了。

第三年，新種質(zhì)的苗長(zhǎng)得很整齊。

一步步的研究與實(shí)踐，為他們2021年在南疆創(chuàng)建的1500畝大面積示范田“基于鹽堿地的棉花高產(chǎn)體系”打下了基礎(chǔ)。

2023年，郭惠珊團(tuán)隊(duì)的耐鹽堿棉花示范田從最初的200畝擴(kuò)展到萬(wàn)畝，他們培育的骨干親本——中科棉系列種質(zhì)，實(shí)現(xiàn)畝產(chǎn)417公斤、產(chǎn)值超3000元的顯著效益。此外，他們發(fā)現(xiàn)，棉花除了耐鹽堿，還有“拔鹽”的功能，最初種植的地塊鹽分含量顯著降低，土壤質(zhì)量顯著改善。

去年秋天，郭惠珊團(tuán)隊(duì)來(lái)到示范田，一望無(wú)際的棉田里棉桃爭(zhēng)相綻放，與她在2008年初次見(jiàn)到的情況迥然不同。一些棉農(nóng)笑著說(shuō)，團(tuán)隊(duì)為新疆帶來(lái)了“霸王花”。

棉農(nóng)們的認(rèn)可讓郭惠珊最初面對(duì)棉花黃萎病時(shí)那股“初生牛犢不怕虎”的沖勁，變成了一份割舍不下的情懷。這兩年，她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在山東建立了一個(gè)100畝的“鹽堿圃”，種了3000多個(gè)棉花品系，以期能夠創(chuàng)制更多具有優(yōu)良綜合性狀的新種質(zhì)。

把更多論文“寫(xiě)在大地上”

以問(wèn)題為牽引、以需求為導(dǎo)向，這是郭惠珊帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)做科研的最大特色。

棉田里的問(wèn)題是不間斷的。在新疆一些地區(qū)，當(dāng)蚜蟲(chóng)大暴發(fā)時(shí)，密密麻麻的蟲(chóng)子爬滿棉花葉子背面吸食汁液，讓棉花葉片萎縮變形、蕾鈴脫落，甚至死苗，嚴(yán)重影響產(chǎn)量。

“蚜蟲(chóng)分泌的液體會(huì)讓一株株棉花變得黏黏糊糊，人一走進(jìn)田里身上就會(huì)粘上蚜蟲(chóng)，衣服也變得黏黏糊糊。”郭惠珊對(duì)此很有感觸。

為了防治蚜蟲(chóng)，郭惠珊帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用RNAi技術(shù)創(chuàng)制了抗蚜蟲(chóng)棉花。2019年以來(lái)，該團(tuán)隊(duì)與新疆地方政府合作，在麥蓋提縣和策勒縣開(kāi)展了靶向性防控體系集成與示范，示范田綜合防控次數(shù)減少50%，每畝防控成本降低45%。

他們還創(chuàng)建了“極端高溫干旱條件下的害蟲(chóng)靶向性防控”技術(shù)規(guī)程，并請(qǐng)人翻譯成維吾爾語(yǔ)，走進(jìn)村鎮(zhèn)講堂給棉農(nóng)授課，在喀什、和田兩地開(kāi)展技術(shù)示范。

15年來(lái)，除了在新疆高溫、干旱的棉田里揮灑汗水，把技術(shù)送進(jìn)農(nóng)民家中，郭惠珊和團(tuán)隊(duì)里的青年科學(xué)家還從北到南跨越大半個(gè)中國(guó)到海南開(kāi)展“南繁”工作。

有沖勁、有耐心、能吃苦，這是郭惠珊團(tuán)隊(duì)成員的共同特點(diǎn)。最近，該團(tuán)隊(duì)高級(jí)工程師張濤正在海南開(kāi)展納米磁珠棉花轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)工作需要給一株株棉花挨個(gè)兒轉(zhuǎn)入極細(xì)微的納米磁珠，再一株株地系上紅線，待棉花成熟時(shí)以此判斷是否需要單獨(dú)采摘制種。每天早上5點(diǎn)多天沒(méi)亮，張濤就到棉田準(zhǔn)備材料，午飯后又戴著遮陽(yáng)帽到田里繼續(xù)干。幾天下來(lái)，棉田里數(shù)千株棉花都系上了“紅頭繩”。

對(duì)于張濤和團(tuán)隊(duì)里其他的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，棉田里流的汗、費(fèi)的力都不算“苦”，棉農(nóng)臉上的微笑是對(duì)他們的最好回報(bào)。對(duì)于研究路上遇到的磕磕絆絆，他們總是迎難而上，在解決問(wèn)題的過(guò)程中與石河子大學(xué)、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)等單位建立了良好的合作關(guān)系。

下一步，郭惠珊團(tuán)隊(duì)希望把更多科研成果“寫(xiě)在祖國(guó)的大地上”。