一株小草牽動著國家糧食安全。3月3日，四川農業大學草業科技學院教授黃琳凱團隊在國際知名學術期刊《自然遺傳學》發表了題為《美洲狼尾草泛基因組構建、結構變異挖掘及耐熱機制解析》的研究成果，這也是全球首個牧草領域圖形泛基因組。

該研究成果加速攻關牧草業各環節“卡脖子”技術，選育出適合我國種植的優良牧草品種，緩解了我國牧草緊缺的困境，在保障糧食安全、應對全球氣候變暖等方面發揮了重要作用。

牧草荒引發“人畜爭糧”

隨著人民生活水平不斷提高，我國牛羊肉、牛奶等草畜產品消費大幅增加，牧草需求量也跟著水漲船高。然而，我國牧草產業發展遠落后于發達國家，每年需要從國外大量進口草種和干草。為此，不少地方出現了把灌漿期小麥用作青貯飼料的極端現象，導致“人畜爭糧”矛盾凸顯。

“我國牧草用種約70%依賴進口。種源安全成為關系農牧產業升級的關鍵要素。”黃琳凱認為，我國現階段糧食安全主要是飼料糧和蛋白質供應的安全。利用牧草可有效保障飼料糧和蛋白質供應的安全，也是踐行大食物觀的重要體現。

“科技是破解牧草荒的重要手段。利用現代育種、種植技術，能夠提升牧草產業發展效益。”黃琳凱介紹，早在十多年前，團隊就開始了相關牧草的基因研究，并在2019年公布了我國首個牧草參考基因組，為接下來的研究奠定了重要基礎。

美洲狼尾草最大的優勢在于單產高。在我國，它是草食家畜和食草淡水魚類的優質飼料和青料。隨著該物種在我國的種植面積越來越大，黃琳凱認為，必須掌握它的圖形泛基因組，為開展下一步的基因挖掘、分子育種奠定基礎，進而引領我國牧草業高質量發展。

解決牧草業“卡脖子”難題

2018年起，帶著解決牧草業底層技術難題的初心，黃琳凱團隊開始著手構建美洲狼尾草的圖形泛基因組。這是一項浩大的工程，牧草基因組大、重復序列及雜合度都較高，增加了基因組序列構建的難度。研究開始進行得并不順利，基因組裝總是失敗。

為此，團隊主動出擊，聯合國內外多家單位，組建了一支強有力的研究隊伍，并從全球8個地區收集到394份美洲狼尾草核心種質，選取了10份代表性材料重新組裝基因組。

由于團隊骨干成員分布在世界各地，每天中國的成員結束實驗分析后，將結果上傳至公共平臺，其他地區的成員再接力推進。研究之路一波三折。通過磨合，最終團隊形成了24小時不停歇的研究分析模式，大大加快了研究進程。

有的擅長基因組裝、有的擅長進化研究、有的算力強……黃琳凱充分整合各方優勢，基于一個已有的基因組，成功構建出首個美洲狼尾草圖形泛基因組，發掘出424085個結構變異，并利用泛基因組圖譜進行的全基因組關聯分析，發現了143個重要農藝性狀相關聯變異位點，挖掘出446個與產量性狀相關的候選基因。

“這些成果為加速攻關牧草業‘卡脖子’技術提供了重要支撐。”黃琳凱自豪地說，該成果為培育突破性牧草優良品種，提升優質安全食物供給能力，打開了一扇新窗口。

找到植物“耐熱性”關鍵基因

當前，全球氣候變暖已成為限制農作物產量的重要因素，嚴重威脅世界糧食安全。起源于非洲的美洲狼尾草，有一項特殊性能——能夠適應極端高溫的氣候，是研究植物耐熱機制的優良材料。

基于研究成果，黃琳凱團隊對水稻、玉米、高粱等多個物種進行比較基因組學分析，發現美洲狼尾草中擴張的RWP-RK轉錄因子家族和內質網相關基因協同參與了耐熱性調控，挖掘并驗證到3個關鍵結構變異和3個調控候選基因。過表達其中一個RWP-RK基因，可以顯著提高水稻耐熱性，這為分子育種提供了重要靶點。

“解析植物的耐熱機制，從而改善植物耐熱性，培育耐高溫的農作物，是目前最重要的育種目標之一。”植物基因組研究專家、上海師范大學教授黃學輝認為，研究不僅為美洲狼尾草基因資源的挖掘及育種提供了重要資源，也為提高其他作物的耐熱性提供了新思路。

《中國教育報》2023年03月13日第6版