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後於發達國家，每年需要從國外大量進口草種和乾草。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。種源安全成為關係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，並在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於單產高。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、重複序列及雜合度都較高，增加了基因組序列構建的難度。研究開始進行得並不順利，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，並從全球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。
由於團隊骨幹成員分布在世界各地，每天中國的成員結束實驗分析後，將結果上傳至公共平台，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，基於一個已有的基因組，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，並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。起源於非洲的美洲狼尾草，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。
基於研究成果，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，挖掘並驗證到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、上海師範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。
記者 尹曉軍 禹躍昆