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  • 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”

    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

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