第480期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《新型抗病棉》
讲座题目：透视新科技——新型抗病棉
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：郭惠珊，中国科学院微生物研究所研究员。
周雪平，中国农业科学院植物保护研究所研究员。
讲座时间：2023年8月7日～8月13日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——新型抗病棉
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》！我是主持人胜春。我国是棉花的消耗大国，但是我们的产量，却不到需求量的70%，所以说我国的棉花种植一旦出现了病害的话，不但大大影响产量，同时会带来巨大的经济损失。最近我国的科学家研究出了新品种的棉花，这种棉花不但可以大大地降低病害，同时提高产量。我们通过短片去了解一下。棉花的种植最早出现在公元前5000年的印度河流域，南北朝时期，棉花种植传入我国。到了宋代，棉纺织品已逐渐成为人们衣着的主要原料，棉纺织业在国民经济中的地位仅次于农业。我国每年消耗棉花约1000万吨，占全球总产量40%，其中部分高品质棉花仍然依赖进口。这是因为在棉花种植过程中，高品质的棉花往往产量较低，抗病性较弱。为了解决棉花这一问题，近年来，我国科学家们开展了多项棉花抗病育种研究，从抗枯萎病品种再到转基因抗虫棉，新品种不断涌现，什么样的棉花才是高品质的？新型棉花又是如何解决抗病问题的呢？我们今天请来的两位嘉宾，第一位是中国科学院微生物研究所研究员郭惠珊，接下来一位是中国农业科学院植物保护研究所的研究员周雪平。
我们国家棉花，有哪些主要的品种？新疆是我国的主要棉花种植基地，有80%的产量是来自新疆的。那么因为新疆的气候，它的光照资源等等吧，这些自然资源，还有棉花自身的固有的生长周期。就决定了现在在中国主要的种植的这个主栽品种，接近98%叫陆地棉，也就是我们常说的细绒棉，还有一些就少量的长绒棉和彩棉。那么彩棉可能是以后一个重要的发展方向，但是因为彩棉目前我们只有驼色，或者绿色那两个颜色，色系比较单一，而且它们产量比较低。再说就是彩棉纤维的色牢度不强，也就是说它容易脱色，制成的衣服它可能太阳一晒，或者是洗洗，它容易就脱色。这样子的话呢，就是说因为它产量又低，所以大面积种植棉铃，（种植）它还是有一定的顾虑。那什么是真正的优质的棉花？真正优质的棉花，在穿衣的面料上会给我们带来什么样的感受？因为棉花我们所取它的就是纤维。因为纤维主要的含量就是纤维素，还有一些少量的蛋白质，那么好的品质棉花纤维，它就可以顺从加工工艺，可以产生出高纱支的这个面料。那么纱支越高的话，它的面料就是品质就越高，那纱支越高产生出来的面料就柔软。而且能够有它原来的保湿性，那么穿在（做）内衣的话，它就特别舒服，不会僵硬，而且当你体温升高的话，它也可以散热，这就是高品质棉花。
我们平时怎么来区别高品质棉花和普通标准棉花的这个区别？因为高品质的棉花，可以制作高纱支的棉布，那么高品质的棉纤维它是比较细长，那你就可以制造出比较细的，强度比较强的，那你摸起来这个手感也是特别好。那么，品质比较差的，比如说棉（纤维）比较短的，不整齐的，就是这个纤维比较短不整齐的，它们纺织工艺就会不一样，它织出来的棉纱就会比较粗，粗线条，那么这样的织出来的面料，就只能做一些低档的一些袜子，牛仔裤，就很难去制作一些高档的内衣面料。就像我们普通人说，你这个棉花都糟了。对。这是棉花的品质的问题是吧？对，而且它（高品质棉）还不容易缩水，你这个低品质的棉花，可能你买完以后一洗缩水了。有这样的区别。对，因为实际就是说，纤维质量不好的话，它前面的加工就会很复杂，那么就会导致它很多的在洗，在加工的过程会导致很多产量的损失，而且加工的工艺也会造成很大的困难。棉花真的那么容易得病吗？任何作物在自然生态环境中，是不可避免地要面临着各种昆虫和微生物侵蚀的这种威胁。那么目前我国棉花在新疆已经实现了大规模的职业化种植，那么种植密度就很高，就很容易大面积地感染，如果常年种植棉花这么一个单一的品种，那么土壤里面的病原微生物就很容易感染。那我们现在所说的这个棉花，更多的是病害还是虫害呢？
那么棉花上的病害也有，虫害也有。目前，我们国家棉花上最重要的是叫一病三虫，一病就是指棉花黄萎病，三种虫是指蚜虫、盲蝽还有叶螨，叶螨俗称又叫红蜘蛛。那么对于三种虫害，我们国家有很好的防控措施，所以你只要措施到位，它的损失是可防可控的。那么在以前，就比如说二十年以前，咱们国家还有叫一病一虫非常厉害，一种是叫枯萎病。枯萎病是什么状态？枯萎病当时就是可能影响产量30%、40%。那是很大。非常厉害，棉铃虫的话，就是造成比如说铃掉落，甚至有的时候绝收，那么后来大规模地应用了，就是抗枯萎病的抗病品种，以及抗棉铃虫的叫抗虫棉，那么一病一虫的危害，基本得到了控制，所以目前市场上最难控制的就是棉花的黄萎病。就是病害是吧。对，一种真菌引起的土壤病害。就是目前来讲，我们对于棉花农业种植来讲，最大的威胁是病害，而不是过去的虫害了。对。病原真菌到底是如何入侵到棉花的？
棉花黄萎病是由一个大丽轮枝菌产生的造成的，这个大丽轮枝菌，是一个土壤里面的土传真菌，那么这个顾名思义就是在土壤里面来传播的。在土壤里本身就有。对，所以这个真菌它特别隐秘，而且善变。它是以一种耐受性非常高的一个休眠结构，长期存在于土壤的深层下面，一旦存在了就很难根除，那么当你棉花种进去的时候，它一碰到根，它就苏醒了，然后这些菌丝就萌发起来，它会穿透这个根的表皮，然后直接进到了根的中央的那个导管系统，然后随着这个导管系统就蔓延到地上部分。也就是通过这个导管一样，“大街小巷”这么蔓延上去，一直到茎的里面，还有到叶子的里面。当你看到这个叶子有病症的时候，但实际上已经是感染的中后期了。然后随着这个病原菌的不断产生，它还会释放一些毒素，所以慢慢的这个叶片就开始枯萎、脱落、死亡。那么随着这个叶子的死亡，这个真菌它是不会死亡的，它又变成了它的休眠体，然后大量地繁殖以后，大量的休眠体又回到了土壤里面去，等待下一次的侵染。所以每一次的侵染都是它繁殖后代的一个过程，所以年复一年，种植的年限是越长的话，里面的病菌就会越多，所以这个土壤真菌病害是特别难以防控的。
棉花必须种在土里，而土里又本身就有它（真菌）的存在。对，从种子种进去，根长出来，它就应该是受到了这个病害的威胁，所以棉花的一生其实都是在需要跟这个病来做斗争的。相当于我们人一生都要跟感冒抗争一样。对，但是这个跟感冒还有一点不同，感冒是病毒引起的是吧，它就是在空气中，如果有它就有，没有它也就没有。但是这个真菌，是长期存在这个土壤里面的，你是排除不了的，那么实际上人类也有一些病原真菌，比如说人的脚气、头皮癣，这些都是真菌感染的，而且这个虽然是感染在皮肤表面，一旦感染，就每年都会复发，就很难治愈。虽然它是表面的，防治都很困难，就更不要说在植物体内产生的那个真菌，那个防治起来就是难上加难。一旦棉花受了这种菌的感染之后，对棉花产量的损失是什么样的？黄萎病对产量损失非常厉害，全世界因为黄萎病产量损失大约是30%，如果说是算经济（损失）的话，就是600亿人民币。我们国家黄萎病发生也非常严重，每年大约黄萎病损失的皮棉的产量是30万吨到40万吨，如果换算成经济损失，应该是60亿人民币，所以非常严重的损失。棉花患病以后，它的纤维长度就非常短，那么我们这样的棉花，其实我们很多工厂是不要的，因为它纺织出来的产品，很多都是次品，不能成为高档的纺织品，所以棉花生命以后，跟我们的生活还是相关的。
说到这个话题，我们来看相关的短片。棉花是我国仅次于粮食的第二大农作物和第四大油料作物，也是旱地作物中病虫害发生危害较为严重的农作物之一。随着我国人口增加和生活品质的提高，我们对棉花需求量也逐渐增大，我们贴身的衣物是棉制品，被子是棉制品。甚至我们使用的纸币、书本、炒菜用的菜油、洗手用的肥皂里面都含有棉花的成分。一旦棉花大面积患病，除了造成严重的经济损失，同时还会降低我们的生活品质。为了解决棉花容易感病的难题，我国科学家持续开展了对棉花抗病的研究。近几年发现了一种新的育种技术，可以有效地阻击病菌的入侵。那么这项新技术是什么？它又有什么特点吗？那我们以往对付病害的方法有哪些？这些方法有局限性吗？就是对付的办法基本上是三种，比如说抗病品种，当然了我们目前的抗原品种虽然有，但是它的抗性比较弱，所以这个就是在生产上就能使用，但是农民感觉还不够好。第二个是就是叫轮作倒茬，种植不同的作物。棉花是旱田作物，最好是种水田作物，比如说水稻，黄萎病是土壤土传真菌。如果放水了以后，对菌生长会抑制，所以如果间隔，比如今年种棉花，明年种水稻，它的菌量就会减少，那这个对黄萎病控制是非常好，但是在新疆因为它缺水，所以很难进行旱水作物的轮作。
新疆这个地方，恰恰是日照长缺水的地方。因为就这个棉花的黄萎病，它非常讨厌，它一个在土壤里边农药很难杀死它，所以你用农药一般的量的话，对它作用就很小，除非用大量的农药。如果（用）大量农药的话，一个就是成本太高，就我们一亩的棉花，收成本身就非常低。如果你花很多的钱去买农药，然后再加上劳力，这样就得不偿失了。那么还有一个我们也不允许用大量农药，因为会污染土壤。那我们新的这个棉花培育的方法是什么呢？那么我们现在用到新型的，就是一种叫做核酸干扰的新型育种技术。那么它跟基因编辑又有一定的区别，那经常大家就以为是基因就直接决定这个性状，实际上基因是一个DNA（脱氧核糖核酸），DNA它要转录成为核酸，也就是RNA（核糖核酸）。然后从RNA翻译成蛋白，然后这个蛋白来决定这个性状，也就像棉花或者植物的叶片是长叶片还是宽叶片，或者是圆形的，还是有缺刻的，这些都是要通过一个基因到核酸到蛋白来决定的。
基因编辑就是在DNA系列上，通过剪接修改，来改变它的遗传信息，那么我们是通过核酸干扰，就是说直接在核酸系列，也就是RNA序列上进行剪切，大片段的删除，能够产生毒性的那些核酸基因。而且就是作用在病原菌上面的，不是来编辑棉花的基因，而是去删除病原菌的毒性基因，那么实际上在这些过程，有一类短小的核酸，我们统称为小RNA或者小核酸，在这个过程它是有非常重要的调控作用。当这个病原菌侵染棉花的时候，这个棉花的自身就会积累大量的一类小核酸，那么这类小核酸，就可以从棉花的细胞进入到这个真菌的细胞，去剪切这个真菌的核酸，剪切它的这个核酸以后，就可以降低这个真菌的致病率，甚至抑制它的生长，减轻它对棉花的伤害。所以我们这个新型的技术，本身并不说是去提高棉花的免疫力，而是去抑制这个真菌的致病率。但是我们也有一种担心，当我们能够抑制一种真菌的时候，是不是也会同时抑制其他的有益的菌类？这就是我们在设计的时候，特别要有靶向性。就是说实际上这些小核酸，跟这些编辑蛋白的那些核酸，它们之间都是有密码的，不同的密码的，所以我们在选择这些靶向谁就特别关键。
那要是（这个）新品种的培育，与传统棉花的这个培育品种相比，我们的优势都体现在哪些方面？传统的一种就叫系统选育，就比如说我们在田里边看，就如果一片田所有都改变了，就唯一的一株是抗病的。那么再看它后代，如果它的后代也是抗病的，这样我们就可以选育一种抗病的品种，当然这个就概率比较小，难度比较大。还有就是杂交育种，那么杂交育种，可以把杂交的两种优势结合起来，打个比方，我用一种品种，它的丰产性，也就是产量特别高，但是不抗病，比如说我们种到新疆，它因为黄萎病根本就产量体现不出来。还有一种品种，它抗病性特别好，但是产量特别低，所以这两种品种都不能用，但是我们通过杂交可以筛选到既产量高又抗病的品种，所以这也是生产上采用的，当然这个选育周期都比较长。那么现在的育种就是生物技术使用以后，这样可以增加我们选择的一个速度。那么现在随着生物科学的发展，就出现了分子育种，那么分子育种就包括有分子标记，选育辅助，还有一些就是转基因，利用转基因技术和基因编辑这样一些新型的抗病育种技术。现在这个转基因抗虫棉，它就是把细菌里面的一些抗虫蛋白的基因，放到棉花里面来表达，那么当这个棉铃虫来吃这个棉铃的时候，这些蛋白就会进入到这个棉铃虫的肠道里面。然后破坏它的消化道，这样子就抑制了这个虫的生长，但是抗虫性，它还是非常定向的，靶向性非常强，对于其他的非靶标害虫，比如说棉呀红蜘蛛，它是没有杀虫作用的，对人畜也是无害的。
利用核酸干扰，不会改变它的生长周期，也不会改变它的优秀品质，一般提高抗性就会减少它的这个品质，就是说抗性和品质，都是负相关的。如果是通过提高棉花的抗性，那么就是或多或少都是会延长这个棉花的生长周期，根据新疆的这个自身的自然条件，它就很难去常年去应用。它可能在一些短日照的地方，或者是无霜期特别短的地方，它就不能应用。它最大的优点就是它的抗性不容易丧失，举个例子，我们传统的棉花它的抗性，就是一把剪刀去针对病菌，那么它新型棉是几十把剪刀，所以即使病菌产生某些变异，但是它总有那么几十把剪刀中的很多来对付这个病菌。总有一把剪刀剪到你。对，很难说同时有几十把剪刀失效的，这也就是为什么这个新型的棉花它的抗性比较好，不大容易被病菌突破，它的优势还是很明显的。我们有没有那种根治的（措施），有可能吗？以后的技术肯定会，现在我们在研究的就是希望以后发展一种新型的技术，我们希望它的致病率，能够保持低致病率的这个状态，甚至死掉的这个状态，以后长远来说它是可以治理土壤的，这是我们最崇高的理想了，但现在还没有达到这个地步。好，那我们来看一个相关的短片。
当棉花大面积患病时，由于以往防治技术水平的限制，不能及时加以控制，会造成一系列减产等问题出现。但随着分子育种技术的诞生，科学家利用转基因、基因编辑等技术，培育出了不同的抗病抗虫棉。如今，我国科学家在棉花和病原菌全基因组小核酸序列的分析基础上，筛选病菌关键的毒性因子，进行靶向性核酸干扰，利用这项技术培育出了新型棉花品种，有效地阻击棉花病害。那么，科学家研发的新型抗病棉，又会对我们的生活产生哪些影响呢？那这个新品种棉花将对我们未来的生活有什么影响？这个我觉得这个几方面的影响。首先，新品种的话，它增产可以达到20%，所以这个我们的棉花的产量可以大幅度地提高，因为现有的品种它的抗性较弱，所以黄萎病侵染以后，它的产量就低。那么跟现有品种相比，这个新品种它因为抗病性特别好，所以产量就增加。那么第二个，就是刚才说到的棉纤维，因为它生长得好了，棉纤维的长度也会提高，用棉纤维仿生的棉纱呢，它的强度就强，最后织成的纺织品质量就高。高品质棉花的产生，也可以减少我们对进口优质棉花的依赖。
那么还有一个，因为这个抗性好了，就不用农药，或者少用农药，所以又可以节约成本，节约劳动力。另外，对我们的环境又友好，所以优势非常多。我们知道棉花除了我们可以纺纱织衣之外，棉花在传统应用上还有可以作为油料，那我们新型品种这个棉花，那作为油料来讲，它的安全性怎么保障？刚才说它抗性好了，就不用打那么多农药，所以农药用少以后，它棉籽上残留的农药就少了，那么用这个新型棉籽榨的油，它的质量就提高了。那棉籽油，它含有人体必需的氨基酸，它可以抑制我们的，比如说胆固醇的提高，所以就这样一种油，就能够缓解我们的高血脂，所以有了这种安全的棉籽油，又增加了人们的一个选择，它这个棉籽榨的油，榨完油以后的叫饼渣，是很好的畜牧的饲料。另外，棉籽油也是很好的油脂工业的原料。如果是它没有抗性，这个叶子都生病了，脱落了，它没有光合作用，那它怎么去获取这个营养，来帮助后面这个棉纤维的发育和棉种子的发育，那肯定是有抗病（性）好了，它发育就完全。然后又不用打农药，所以安全性来说，或者是说丰产高品质，那是肯定是有帮助的。
那这个新品种的棉花已经开始大面积地种植，也就是我们所说的应用了吗？我们在新疆有示范基地，那么目前的工作主要是，在检测这些新型抗病棉花的抗性的稳定性，还有它的这个适应性，还有配合力，这方面的大量的工作，那主要也是跟棉花的育种学家进行合作，利用我们新型的抗病棉作为亲本，然后培育出一些综合性上比较优良的一些品系。那么品系又称为品种，是需要严格地按照国家的规程来申请和审核的，所以目前还在进行当中，那么这个过程也是需要一定时间的。所以我们要等到拿到了品种权，才可以有大面积推广。那在我们实际的种植和应用的过程当中，我们得到了或者说我们取得了哪些成效，新型的棉花在新疆的长势，我们长势田的结果，就是随着它的抗性的这个提高，那么棉纤维的这个优秀品质，就充分地体现出来了。比如说纤维的长度，纤维的强度，还有纤维的整齐度，这样子都符合了达到国家要求，优质棉的那些素质，这是品质上的。那它可以去经受起，后面产品加工的这些工艺，可以去生产这个优质的面料也好，产品也好。另外一个通过我们跟对照棉花相比，我们的产量是提高了，超过20%，也就是说品质产量都有收获。那么这项科研成果，可以应用到其他的农业育种上吗？
可以。其实黄萎病菌，它除了侵染棉花以外，我们很多经济作物也可以侵染，比如说吃的番茄、辣椒、马铃薯、向日葵都有这种病菌的侵染，那么跟棉花一样，这些作物上也找不到抗原来对付这个黄萎病菌，所以这样一个棉花上成功的例子，同样可以用于番茄、辣椒、马铃薯、向日葵来对抗这个黄萎病菌。那么另外，其实我们的土壤里边的土传真菌病害是非常多的，而且也是我们生产上最难防控的一类真菌病害，那我们这个技术体系实际上对其他的土壤真菌病害同样是适用的，也可以通过同样的思路，来通过小核酸来，破坏我们的病菌的基因核酸，来达到抗菌的目的。在这其中还有哪些短板，需要我们进一步改进的呢？因为这个病原菌和植物的这个互作，它是非常复杂的，并不是说就是一个基因是吧。所以，我们利用棉花的小核酸进入到真菌里面，来干扰这个真菌的核酸，那么实际上我们研究就发现这个真菌，它也不是坐以待毙，它也很狡猾，或者说很聪明，它也会产生一些蛋白来抑制这样的一个过程。最近的研究就发现了有好几个蛋白，会有这样的一些功能，那么我们就需要深入地去研究这些抑制模式，然后我们再发展我们新的技术，来绕过它这样的抑制来反抑制。
未来的这项成果将如何发展？其实就是利用这些短小的核酸的这个调控作用，在其他的农作物或来靶向其他的病原菌之外，我们可能会发展成为一种生物的杀虫剂或者杀菌剂，减少一些化学农药的这些应用，这样子的话，就可以来完成我们这种植物保护界领域的一个崇高的理想。就是一个绿色的防控，可持续的防控。另外一个，最近就有一些研究发现，其实在动物的血红细胞里面存在一种小核酸，这种小核酸可以进入到疟原虫的细胞里面去抑制疟原虫的生长，那么这就是一种也是在动物里面的核酸干扰的一种发现，那么其他对于靶向性的一些治疗，我相信这个核酸干扰在一些人类（疾病）也好，动物（疾病）也好的靶向性治疗，应该是值得期待的。今天，非常感谢两位来到我们演播室，跟我们一起读新型抗病棉它的一些特征，也让我们心里更踏实，未来我们可以穿上更优质的棉质品，并且这个棉织品是绿色的、环保的。感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目，如果您想了解我们节目更多内容，可以下载央视频去收看其他节目。我是胜春，今天的节目就到这儿了，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
