四川农业大学构建全球首个牧草领域图形泛基因组——

为粮食安全筑牢种源基石

一株小草牵动着国家粮食安全。3月3日，四川农业大学草业科技学院教授黄琳凯团队在国际知名学术期刊《自然遗传学》发表了题为《美洲狼尾草泛基因组构建、结构变异挖掘及耐热机制解析》的研究成果，这也是全球首个牧草领域图形泛基因组。

该研究成果加速攻关牧草业各环节“卡脖子”技术，选育出适合我国种植的优良牧草品种，缓解了我国牧草紧缺的困境，在保障粮食安全、应对全球气候变暖等方面发挥了重要作用。

牧草荒引发“人畜争粮”

(相关资料图)

随着人民生活水平不断提高，我国牛羊肉、牛奶等草畜产品消费大幅增加，牧草需求量也跟着水涨船高。然而，我国牧草产业发展远落后于发达国家，每年需要从国外大量进口草种和干草。为此，不少地方出现了把灌浆期小麦用作青贮饲料的极端现象，导致“人畜争粮”矛盾凸显。

“我国牧草用种约70%依赖进口。种源安全成为关系农牧产业升级的关键要素。”黄琳凯认为，我国现阶段粮食安全主要是饲料粮和蛋白质供应的安全。利用牧草可有效保障饲料粮和蛋白质供应的安全，也是践行大食物观的重要体现。

“科技是破解牧草荒的重要手段。利用现代育种、种植技术，能够提升牧草产业发展效益。”黄琳凯介绍，早在十多年前，团队就开始了相关牧草的基因研究，并在2019年公布了我国首个牧草参考基因组，为接下来的研究奠定了重要基础。

美洲狼尾草最大的优势在于单产高。在我国，它是草食家畜和食草淡水鱼类的优质饲料和青料。随着该物种在我国的种植面积越来越大，黄琳凯认为，必须掌握它的图形泛基因组，为开展下一步的基因挖掘、分子育种奠定基础，进而引领我国牧草业高质量发展。

解决牧草业“卡脖子”难题

2018年起，带着解决牧草业底层技术难题的初心，黄琳凯团队开始着手构建美洲狼尾草的图形泛基因组。这是一项浩大的工程，牧草基因组大、重复序列及杂合度都较高，增加了基因组序列构建的难度。研究开始进行得并不顺利，基因组装总是失败。

为此，团队主动出击，联合国内外多家单位，组建了一支强有力的研究队伍，并从全球8个地区收集到394份美洲狼尾草核心种质，选取了10份代表性材料重新组装基因组。

由于团队骨干成员分布在世界各地，每天中国的成员结束实验分析后，将结果上传至公共平台，其他地区的成员再接力推进。研究之路一波三折。通过磨合，最终团队形成了24小时不停歇的研究分析模式，大大加快了研究进程。

有的擅长基因组装、有的擅长进化研究、有的算力强……黄琳凯充分整合各方优势，基于一个已有的基因组，成功构建出首个美洲狼尾草图形泛基因组，发掘出424085个结构变异，并利用泛基因组图谱进行的全基因组关联分析，发现了143个重要农艺性状相关联变异位点，挖掘出446个与产量性状相关的候选基因。

“这些成果为加速攻关牧草业‘卡脖子’技术提供了重要支撑。”黄琳凯自豪地说，该成果为培育突破性牧草优良品种，提升优质安全食物供给能力，打开了一扇新窗口。

找到植物“耐热性”关键基因

当前，全球气候变暖已成为限制农作物产量的重要因素，严重威胁世界粮食安全。起源于非洲的美洲狼尾草，有一项特殊性能——能够适应极端高温的气候，是研究植物耐热机制的优良材料。

基于研究成果，黄琳凯团队对水稻、玉米、高粱等多个物种进行比较基因组学分析，发现美洲狼尾草中扩张的RWP-RK转录因子家族和内质网相关基因协同参与了耐热性调控，挖掘并验证到3个关键结构变异和3个调控候选基因。过表达其中一个RWP-RK基因，可以显著提高水稻耐热性，这为分子育种提供了重要靶点。

“解析植物的耐热机制，从而改善植物耐热性，培育耐高温的农作物，是目前最重要的育种目标之一。”植物基因组研究专家、上海师范大学教授黄学辉认为，研究不仅为美洲狼尾草基因资源的挖掘及育种提供了重要资源，也为提高其他作物的耐热性提供了新思路。

作者：通讯员 张喆 本报记者 徐倩

《中国教育报》2023年03月13日第6版版名：高教周刊·科技