实验人员将内生真菌菌丝接种至栽培大麦幼苗
接种好的大麦幼苗
兰州大学景泰草地农业试验站新品系田间观测现场
当大麦的种子在保温箱内发芽生长5-7天，大约会长到5、6厘米。这时用手术刀在幼苗分生组织处切2-3毫米的小口，用尖头镊子将培养好的禾草内生真菌挑取一点菌丝体塞入伤口，培养箱培养，移栽至实验田，菌丝沿着叶脉与植物互惠共生直至种子成熟、收获。
与未接种内生真菌的对照组相比，接种后的大麦新种质个头更高、产量更高、生育期提前，并且也更耐旱和耐盐碱。近日，兰州大学草地农业科技学院教授李春杰在《科学通报》上发表研究论文，探究人工接种禾草内生真菌创制大麦新种质的新途径，为植物育种学开拓了一个新的研究思路。
有毒真菌的两面性
李春杰的人工接种故事还要从2002年讲起。
中国工程院院士、兰州大学草地农业科技学院教授南志标团队早在上世纪90年代就发现西部广袤的草原上有一种“带毒”的禾本科植物——醉马草，牛羊吃了会像人喝醉了一般摇摇晃晃甚至流产、死亡。研究发现“真凶”竟是醉马草的内生真菌，但这真菌也并非一无是处：可以使醉马草具有耐旱、耐寒、抗病虫等优良特性。
当李春杰2002年成为南志标的第一名博士生时，导师抛给他一个问题：解析醉马草有毒的根源，开发利用内生真菌的有益特性并进行种质创新和新品种选育。
不同于寄生菌对植物的侵占，禾草内生真菌“终身”或者“大半生”生活在禾草内部，对植物来说属于有益共生菌，就像双歧杆菌、乳酸杆菌之于人体的消化系统。禾草内生真菌研究是近30年来国际畜牧学和微生物学的新兴研究领域。研究表明，这类内生真菌比较容易从其宿主植物中分离并在实验室条件下培养，这也使得人工接种成为可能。近年来，利用禾草内生真菌进行禾草育种，特别是抗性与品质育种，成为国际草业领域的发展趋势。利用这一类微生物资源，各国已培育出一些草坪草及少数牧草品种，在新西兰、美国和澳大利亚成功商业化。
南志标团队经过多年努力，筛选获得了高内生真菌带菌率、抗锈病的坪用多年生黑麦草——兰黑1号，是国内第一个禾草-内生真菌共生体新品系，2020年已获批进入国家林业和草原局新品种区域试验。
但在利用内生真菌进行粮饲作物育种领域，国内外几乎都是空白。
李春杰在甘肃河西走廊的盐碱地上发现野大麦自带内生真菌，但栽培大麦并不具备这一特点。作为世界上最古老的种植作物之一，大麦具有食用、饲用、酿造、药用等多种用途。因此，他想到将亲缘关系相近的二者作为人工接种的对象，“看看会不会有惊喜发生”。
产量获明显提高
筛选出禾草野大麦的内生真菌优良菌株后，最关键的一环是人工接种技术。李春杰和博士生王正凤选择柴青1号裸大麦和扬饲麦1号皮大麦两个品种，经过酒精、次氯酸钠严格消毒，拿起手术刀对着保温箱里精心培育出的大麦幼苗，“动起了手术”。
切小口、塞入真菌……经过三周左右的培养，2019年3月，带菌的幼苗被栽种至海拔1620米的兰州大学景泰草地农业试验站。春去秋来，大麦熟了。经过显微镜检测，接种的1050株大麦中只有36株接种成功，但就是2%的成功者中，皮大麦新种质的地上生物量和单株籽粒产量提高了46%和22%，生育期提前了5天，裸大麦新种质地上生物量和单株籽粒产量分别提高了37%和28%。
经过2020年的再次试验，团队获得了能稳定遗传的内生真菌-大麦共生体新种质，显著提高了植株的单株穗数、主穗长、主穗粒数和单株种子产量。
据李春杰介绍，内生真菌往往缺乏有性繁殖，不在植物体外存在，这决定了真菌能够与宿主植物互惠共生，加上侵染内生真菌通过种子进行垂直传播，子代种子带菌率为92%以上，因此通过人工接种的方式获得新种质比起传统的育种模式具有目的性强、可预见性、育种周期短和高效遗传等特点。“这就好比大麦本来长得好好的，我们通过人工接种给它上了一道保险。”
从新种质迈向新品种
据悉，该项成果是南志标主持的国家973计划“重要牧草、乡土草抗逆优质高产的生物学基础”项目三项代表性重大成果之一。
通过人工接种技术，项目组获得了1个大麦和2个青稞新品系，与不带菌的对照相比，植株100%带菌，耐盐和耐旱的各项指标分别高了36-79%和11-50%，，含有抗虫生物碱波胺，未检出对家畜有毒害的麦角生物碱。
使我国成为继新西兰之后，世界上第二个成功采用人工接种内生菌技术创制新品系的国家，获得了具有自主知识产权的发明专利，居于同领域国际前列。
“如今，内生真菌是国际禾草内生真菌研究的三大体系之一，可作为一种新型资源进行植物育种。” 南志标说，“植物自身的抗性增强了，化肥和农药的使用就少了，水量需求少，就能保护生态环境。”
下一步，南志标和李春杰团队将对新种质的性能进行进一步评估，并思考着将内生真菌人工接种转向小麦、玉米、水稻等禾谷类作物，逐步实现从饲用作物到粮食作物的转变。“从新种质到新材料、新品系，最后实现新品种培育。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1360/TB-2020-1587
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