一棵草如何与国家粮食安全相关？

3月3日，四川农业大学草业科技学院黄琳凯教授团队在国际权威学术期刊《自然遗传学》（Nature Genetics）在线发表了题为“Pangenomics identifies structural variation associated with heat tolerance in pearl millet”（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。

中为黄琳凯教授，左右分别为孙敏、靳雅荣

（两人均为共同第一作者）

该研究构建了首个美洲狼尾草图形泛基因组，也是全球首个牧草领域图形泛基因组，将为牧草基因资源挖掘及育种提供重要资源。该研究还揭示了狼尾草耐热的分子机制，将为相关物种如玉米、小麦和水稻的耐热研究提供重要信息，该研究将在保障粮食安全、应对全球气候变暖等方面发挥重要作用。

一棵草关系国家粮食安全？

最新研究攻关牧草培养“卡脖子”技术

美洲狼尾草，又名珍珠粟，全球种植面积约达3,100万公顷。在我国它是重要的饲草，是草食家畜和食草淡水鱼类的优质饲料和青料，其作为亲本的杂交狼尾草，目前在南方各省普遍种植，是单产最高的多年生牧草之一。

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。作为畜牧业的重要基础，牧草的需求量也相应地大幅增加。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，才能满足需求。由于牧草严重短缺，有的地方甚至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”矛盾出现。

如何用科技引领牧草产业发展，是黄琳凯教授团队长期研究的领域。

由于牧草基因组大、重复序列及杂合度都较高，增加了基因组序列构建的难度。2019年，该团队首次公布了鸭茅的高质量参考基因组，是我国公布的首个牧草参考基因组。随着研究的深入以及技术的进步，构建高质量的图形泛基因组成为团队的重要目标。

“与参考基因组相比，图形泛基因组包含的遗传信息更全面，通过发掘结构变异，能够更好地解析植物表型和农艺性状的不同，为下一步育种奠定重要的研究基础。”黄琳凯教授介绍。

美洲狼尾草高质量基因组组装和泛基因组分析

通过联合国内外多家单位，本次研究从全球8个地区收集的394份美洲狼尾草核心种质中选取10份代表性材料，利用Pacbio HiFi等技术进行基因组从头组装，获得了高质量的基因组组装序列，结合一个已报道的基因组构建了首个美洲狼尾草图形泛基因组，发掘到424,085个结构变异。基于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的变异位点，并挖掘到与产量性状相关的候选基因446个。

“有了这些成果，我们就可以加速攻关牧草业各环节‘卡脖子’技术，培育突破性牧草优良品种，助力提升优质安全食物的供给保障能力，避免‘人畜争粮’，为保卫国家粮食安全贡献草业人的力量。”黄琳凯教授谈到。

全球气候变暖严重威胁粮食安全

耐高温农作物培育是重要育种目标之一

据报道，全球平均温度每升高1°C，小麦产量将减少6%，水稻产量将减少3.2%，玉米产量将减少7.4%。

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。解析植物的耐热机制，从而改良植物耐热性，培育耐高温的农作物是目前最重要的育种目标之一。

RWP-RK基因家族的扩张有助于美洲狼尾草耐热性的形成

而起源于非洲的美洲狼尾草，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。本次研究通过对水稻、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耐热性调控，挖掘并验证到关键结构变异和调控候选基因3个，其中基因PMF0G00024.1（RWP-RK）在水稻中过表达也显著提高了耐热性，将为分子育种提供了重要靶点。

图源四川农业大学