（中国科学报）5年科研长跑，就为一棵小草

2023-03-22 09:42:57作者：张晴丹来源：草业科技学院点击数：

黄琳凯（中）与论文共同第一作者孙敏（左）和靳雅荣在实验室。

美洲狼尾草。四川农业大学供图

在四川农业大学草业科技学院的实验室里，种着许多看似普通的小草，该校教授黄琳凯却对它们寄予了厚望，5年时间倾尽全力去探索它们背后的秘密。

这个陪伴了很多学生整个本科或研究生阶段的课题，终于在3月3日画上了圆满的句号。这一天，《自然-遗传学》发表了黄琳凯团队构建的全球首个牧草领域图形泛基因组。这是我国牧草领域首篇发表在该期刊上的论文。

“论文发表只是开始，我们会在该研究基础上继续砥砺前行，为应对全球气候变暖保障粮食安全贡献力量。”论文第一通讯作者黄琳凯在接受《中国科学报》采访时表示。

牧草供不应求

近年来，人民生活水平、健康意识不断提升，对牛羊肉、牛奶等草畜产品的需求大幅增加。作为牛羊口粮的牧草，其需求量也随之持续增加，已经到了供不应求的地步。

我国虽有几大辽阔的草原，但牧草很紧缺，牧草产业发展远远落后于发达国家，每年需要从国外进口牧草100多万吨，牧草种子70%依赖于进口。这些都存在“卡脖子”的风险。

以四川为例，四川的牛羊所需的牧草还要去北方购买。“原本600元一吨的草料，运回来就变成了1200元一吨。这大大增加了养殖成本，阻碍畜牧业发展。”黄琳凯说。

在黄琳凯看来，缺草引发的“人畜争粮”矛盾，是粮食安全的一个隐患。

“只有培育突破性的牧草优良品种，用科技助力提升优质安全食物的供给保障能力，才能避免‘人畜争粮’，保卫国家粮食安全。”黄琳凯说，这也是他五年磨一剑，把精力全部倾注到牧草研究上的主要原因。

挖掘美洲狼尾草基因“宝藏”

10年前，刚从美国留学回来的黄琳凯接受了导师、四川农大教授张新全的建议，开始涉足美洲狼尾草研究。2018年，关于美洲狼尾草的研究项目正式启动。

牧草千万种，缘何独爱这一种？黄琳凯解释说，这种草最大的优势在于单产高，特别是以它为亲本的杂交狼尾草作为饲草亩产可达15吨。杂交狼尾草在上世纪90年代引入我国后，成为我国重要的饲草，是草食家畜和食草淡水鱼类的优质饲料与青料。

杂交狼尾草，目前在我国南方是种植面积最大的草种。

要做牧草品种选育，尤其是做分子育种，最基本的是了解物种的遗传变异，只有把这些基因序列全部掌握之后，下一步才能更好更快地利用这些资源选育新品种。

被我国用作牧草的美洲狼尾草，在非洲、印度等地区是非常重要的杂粮作物。印度有一个研究所刚好也在做美洲狼尾草的相关研究。

这让黄琳凯感觉压力很大，他丝毫不敢懈怠。新冠疫情刚蔓延时，学生不能返校，为了不影响研究进度，他一个人肩负起了做实验的重任。

然而，研究伊始便遇到阻碍。牧草大多为禾本科植物，而且是多倍体，它们的基因组复杂、庞大，重复序列很多、杂合度很高，因而基因组测序组装非常困难。

“测第一种狼尾草，我们用了一年时间。其间困难重重，我们用了不同的技术，又优化了多次算法，都做不好。”黄琳凯说，直到遇上目前最火最新的技术，优化了一些算法后，才实现了突破。

研究团队从全球8个地区收集的394份美洲狼尾草核心种质中选取了10份代表性材料，利用最新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。

研究团队发掘了424085个结构变异。他们又在泛基因组图谱基础上进行全基因组关联分析，发现了143个与重要农艺性状相关联的变异位点，挖掘到446个与产量性状相关的候选基因。

“有了这些成果，我们就可以加速攻关涉及牧草业各环节的‘卡脖子’技术，选育出适合我国种植的优良牧草品种，缓解牧草紧缺的局面。”黄琳凯表示。

解锁耐热技能，应对全球变暖

目前，全球气候变暖仍在持续，甚至有加速的趋势。计算机模拟显示，到2050年，全球气温可能比上世纪上升1.4摄氏度到3.0摄氏度。

这对农作物的影响是巨大的，会导致农作物减产。据了解，全球平均温度每升高1摄氏度，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%。这将严重威胁世界粮食安全。

育种家一直在努力探究一些植物耐热的秘密，他们希望找到耐热的“钥匙”，从而提高农作物的耐热能力，培育出耐热抗旱的高品质作物品种。

黄琳凯也十分重视这一点。起源于非洲的美洲狼尾草恰好很适应极端高温的气候，是研究植物耐热机制的好材料。

通过对水稻、玉米、高粱等多个物种进行比较基因组学研究以及高温下美洲狼尾草转录组分析，研究团队发现，美洲狼尾草中显著扩张的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。

随后，他们挖掘并验证关键结构变异和调控候选基因3个，其中一个基因在水稻中的过表达显著提高了耐热性，将为分子育种提供重要靶点。

这篇论文发表后，其中的耐热研究引起了学术界的关注。黄琳凯因此收到了Stress Biology期刊编辑的邮件，邀请他写一篇有关美洲狼尾草耐热性的评论。

“下一步，我们想从两方面继续开展研究。第一是把美洲狼尾草的品质做好，除了提高产量外，还要增加营养物质含量；第二是把它的耐热‘技能’用到其他物种上，比如水稻和玉米。”黄琳凯说。