張喆 四川在線記者 江蕓涵
四川在線記者3月6日從四川農業大學獲悉，該校草業科技學院黃琳凱教授團隊在國際權威學術期刊《自然遺傳學》（Nature Genetics）在線發表了題為“Pangenomics identifies structural variation associated with heat tolerance in pearl millet”（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。
這是我國牧草領域首篇發表在《自然遺傳學》上的論文。該研究構建了首個美洲狼尾草圖形泛基因組，也是全球首個牧草領域圖形泛基因組，將為牧草基因資源挖掘及育種提供重要資源。該研究還揭示了狼尾草耐熱的分子機制，將為相關物種如玉米、小麥和水稻的耐熱研究提供重要信息，在保障糧食安全、應對全球氣候變暖等方面發揮重要作用。
一棵小草關系國家糧食安全
美洲狼尾草，又名珍珠粟，全球種植面積約達3100萬公頃。在我國，它是重要的飼草，是草食家畜和食草淡水魚類的優質飼料和青料，其作為親本的雜交狼尾草，目前在南方各省普遍種植，是單產最高的多年生牧草之一。
美洲狼尾草。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。作為畜牧業的重要基礎，牧草的需求量也相應地大幅增加。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，才能滿足需求。由于牧草嚴重短缺，有的地方甚至出現了把灌漿期小麥用作青貯飼料的極端現象。
如何用科技引領牧草產業發展，是黃琳凱教授團隊長期研究的領域。由于牧草基因組大、重復序列及雜合度都較高，增加了基因組序列構建的難度。2019年，該團隊首次公布了鴨茅的高質量參考基因組，是我國公布的首個牧草參考基因組。隨著研究的深入以及技術的進步，構建高質量的圖形泛基因組成為團隊的重要目標。
“與參考基因組相比，圖形泛基因組包含的遺傳信息更全面，通過發掘結構變異，能夠更好地解析植物表型和農藝性狀的不同，為下一步育種奠定重要的研究基礎。”黃琳凱介紹。
利于培育突破性牧草優良品種
通過聯合國內外多家單位，本次研究從全球8個地區收集的394份美洲狼尾草核心種質中選取10份代表性材料，利用Pacbio HiFi等技術進行基因組從頭組裝，獲得了高質量的基因組組裝序列，結合一個已報道的基因組構建了首個美洲狼尾草圖形泛基因組，發掘到424，085個結構變異。基于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的變異位點，并挖掘到與產量性狀相關的候選基因446個。
“有了這些成果，我們就可以加速攻關牧草業各環節‘卡脖子’技術，培育突破性牧草優良品種，助力提升優質安全食物的供給保障能力，避免‘人畜爭糧’，為保衛國家糧食安全貢獻草業人的力量。”黃琳凱說。
耐熱基因助力應對全球變暖
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。解析植物的耐熱機制，從而改良植物耐熱性，培育耐高溫的農作物是目前最重要的育種目標之一。
起源于非洲的美洲狼尾草，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。本次研究通過對水稻、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耐熱性調控，挖掘并驗證到關鍵結構變異和調控候選基因3個，其中基因PMF0G00024.1（RWP-RK）在水稻中過表達也顯著提高了耐熱性，將為分子育種提供重要靶點。
黃琳凱教授（中）、孫敏博士（左）、靳雅榮博士（右）在實驗室搞研究。（四川農業大學供圖）
