牧草的研究進展

文│伍佰鑫 孫鏖 易康樂（湖南省畜牧獸醫研究所）

牧草是用來飼養家畜的，在貧困的地區，家畜生產對小農戶的生計至關重要，例如撒哈拉沙漠以南的非洲，基本上是婦女維系家畜生產。據世界糧農組織（FAO，2010）統計，全球牧草用地占陸地面積的26%、占農業用地的70%。牧草通常是禾本科草或草本豆科植物，一些豆科樹（如木豆和銀合歡）生長于沙漠和熱帶草原。熱帶最多的草有象草或狼尾草、臂形草和鳳尾草。溫帶最多的草包括翦股、羊茅、黑麥草、鴨茅或這些草的雜交草，例如，羊茅和黑麥草的雜種是從20世紀70年代開始發展起來的，產生了羊草等作物，這種作物將黑麥草的優良飼料品質與羊茅的持久性和抗逆性結合起來。

一些玉米（品種）已育成為專用牧草（品種）。通常栽培的草本豆科植物是車軸草、苜蓿、三葉草和野豌豆。蕓苔屬牧草包括油菜和甘藍。飼料甜菜是另外一種溫帶作物。任何國家優化種植的牧草組合取決于該國的氣候和家畜需要，然而，苜蓿（多年生豆科植物）是栽培最廣的品種，因為它既可在溫帶又可在熱帶生長。

鑒于家畜生產效率和人類健康問題，許多人群持續呼吁，人們應當減少對畜產品的消費，寧愿吃谷物豆類而不是被轉化后的畜產品，因為谷物豆類是可持續發展的未來食物。歐美發達國家有1%～10%的成年人群采用以植物為基礎的飲食。然而，無論是生產效率問題還是環境問題，畜產品（養分濃度高）仍然是重要的食品，特別是在4%～22%人口營養不良的發展中國家。當投入和產出達到平衡時，家畜生產可以將人類不可食用的農作物（牧草）轉化為食物，并有可能實現可持續發展的集約化。

此外，畜牧業文化和社會意義不容低估，全球畜產品產量增長的趨勢不可阻擋。在許多發展中國家，牛、羊等家畜的飼養在貧困時期是至關重要的，農民認為家畜是活生生的“銀行”，例如可以支付家庭開支。因此，畜牧業生產將在世界各地繼續進行，今后數十年都會種植牧草。提高牧草的產量和營養質量，有助于減輕家畜生產對可持續發展的負面影響。

一、品種選育

與其他農作物相比，牧草的種植相對較新，1900年以前幾乎沒有什么改進。近年來，鑒于農業發展趨勢和牧草在全球經濟中的重要性，已經培育出一些新品種，最理想的選育指標是提高牧草干物質產量、耐久性、對害蟲（病原真菌和線蟲等害蟲）的抵抗性、干物質的可消化性和營養含量。目前已在苜蓿、三葉草、黑麥草和羊茅的育種方面取得最大進展，由美國和加拿大12個州的15個研究所組成的團隊，正在對這些牧草實施大規模育種計劃。類似的熱帶牧草育種組織包括設在哥倫比亞的國際熱帶農業中心、烏干達國家牲畜資源研究所、坦桑尼亞家畜研究所、莫桑比克農業研究所和巴西農業研究公司，正在非洲的東部和南部開展工作。

牧草育種過程困難重重，因為個別物種具有高度的基因型和表型異質性，許多物種是多倍體，這一問題因近交育種而加劇，與不同基因相關的農藝性狀也很少。盡管存在這些問題，但在牧草育種方面，特別是在苜蓿和黑麥草育種方面有了一些重大進展。最令人興奮的育種進展之一是，利用黑麥草和羊茅的近緣種培育出了羊茅黑麥草，它不僅具有黑麥草的優質特征，而且具有較強的抗逆性和持久性；通過回交，又產生了蛋白質含量比親本穩定的新型雜交種。表型方面的進步使田間特征的量化變得更加容易，例如，對生長的牧草進行高水平成像，可準確地確定諸如生物量這樣的后期性狀。測序方法的進步又為新品種提供了更多的轉錄數據。例如，識別SNPs（單核苷酸的多態性）可以用來改良黑麥草和三葉草。這些牧草品種的基因組草案正變得越來越普遍，而且越來越多的證據表明，像短柄草這樣的模式物種可作為研究的向導，為增強營養的候選基因提供線索。

二、增強營養的候選基因

潛在候選基因的識別，通常是通過數量性狀位點分析或者通過已知基因組的標記輔助選擇進行，識別結果與生物量和生長性狀有關。數量性狀位點分析用于抗倒伏性、活力、植物高度及收割后的再生；候選基因分析用于開花和莖高；活性氧抗性基因的生化標記物用于分析與干物質相關的抗旱性。通過黑麥草轉錄譜展示的野生型和矮小突變體之間的差異表達基因，能夠識別并用于篩選與矮小相關的三個關鍵基因。（生化）標記用于推斷兩個表型性狀并跟蹤遺傳以幫助育種，例如，已經通過類似的技術對黑麥草葉綠體SSRs（簡單重復序列）進行了研究。

對模式牧草蒺藜的基因組進行徹底的重新注釋，又發現了成百上千個小的分泌肽，它們都是由黃斑素應答基因和結瘤應答基因編碼的，有助于反向遺傳學改良許多牧草，特別是亞麻。運用迭代映射軟件（如生物激勵器）和公開的數據，分析黑麥草數量性狀遺傳位點，因此，在早期研究（水稻氨基酸生物合成基因的同源性研究和生殖性狀標記）的基礎上，又獲得了新的候選基因。此外，用來解讀蒺藜開花時間和植株高度的生物激勵器，直接牽涉到亞麻的研究。

盡管需要確保（尤其是成品飼料）最佳的營養含量，但是快速積累營養物質是優良牧草最理想的性狀，特別是那些在整個生長季節經歷大量收割的牧草。由于這一現象，牧草改良的候選基因要么與光合作用有關，要么與氮素利用效率有關。更廣泛地說，在生物抗性和非生物脅迫方面，利用模式牧草獲得的遺傳知識，也有很大的機會來改良牧草性狀。這些性狀的改良得益于成果轉化和遺傳標記技術。已經開發了能繁而高效轉化的溫帶品種羊茅和黑麥草，最近又開發出一些熱帶草，如狼尾草和臂形草。一些牧草對脅迫耐受性的基因編輯，在提高生物量和營養質量方面都取得了成功。亞麻和鼠耳芥草耐旱性增強的基因轉換而產生的植物，與野生型相比，不僅增加了根長、莖高和營養量，而且增加了干旱脅迫下脯氨酸、可溶性糖和葉綠素的含量。更重要的是，無論是在實驗室還是野外條件下，都顯示出了增長情況。

三、蛋白質含量和氮素利用效率

牧草育種的目標之一是蛋白質含量和氮素利用效率，蛋白質的積累與氮的狀態有關，當供應超過適度時，就會發生更大的儲存。與育成的種子淀粉含量高的糧食作物相比，牧草因為生長、儲存能力和較高的纖維含量，通常需要更多的氮。牧草收獲的是葉組織生物量，而不是谷粒、根、塊莖，不僅要求葉子的產量高，還應有最佳產量的氮素。

此外，在研究肥料使用的效果時，還應關注施肥過程中的生物量和氮狀態變化（氮的攝取效率）。由于氮素利用效率是生物量改善的一個重要標準，許多與氮攝取或代謝有關的基因一直是模型系統中的研究課題。碳代謝中的重要基因也是關注的焦點，因為碳∶氮比率與植物生長有聯系。盡管禾本科植物與豆科植物之間存在著長期的進化差異，但許多關鍵候選基因具有很高的遺傳相似性，可以利用影響一種牧草一個性狀的基因來研究另一種牧草，例如，利用已經識別的一系列氮儲存蛋白來研究葉和根。

許多牧草的編碼序列與研究頗多的作物有很高的相似性，例如，通過對下列植物的基因組進行測序：木豆、鷹嘴豆、大豆、百脈根、蒺藜、菜豆，發現苜蓿和三葉草與豆科植物密切相關。這樣的序列可以為育種程序提供大量的潛在性基因，例如，蒺藜中的熱休克蛋白（HSP），在亞麻中發現同源體HSP70，它對鼠耳芥草的抗應激有重大作用。

牧草（收割后）對于家畜最重要的營養成分是蛋白質和水溶性碳水化合物，開發莖和葉的器官特異性蛋白組圖，具有重大的現實意義。這些組織中的主要蛋白質是光合酶（二磷酸核酮糖氧合酶）、固碳基因（3-磷酸甘油醛脫氫酶和磷酸甘油醛異構酶）和結構蛋白（主要參與莖的木質素合成）。由于牧草的消化值主要與細胞壁濃度有關，降低細胞壁濃度有助于消化，一些研究更加關注這些組織的蛋白組，另一些研究集中在增加和提高氨基酸和蛋白質的轉基因方法上。

鑒于很多牧草含有低濃度的含硫氨基酸（蛋氨酸和半胱氨酸），一些研究的目的是利用過度表達來提高這些成分的水平，包括用作牧草源的羽扇豆和黃豆。除了品種差異可以通過育種計劃或特定的轉基因方法加以改善外，營養含量最顯著的變化是應激造成的。因此，應激蛋白組也應用于植物組織，通過水分脅迫下的羽扇豆莖蛋白分析，發現絲氨酸蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶有增加。香豌豆幼苗在鹽度、低溫或ABA（脫落酸）脅迫下，產生48種應激反應蛋白。亞麻在干旱條件下，源于二磷酸核酮糖氧合酶中的氮被動員，以彌補氮素吸收導致的減少。

選用抗病品種；與非瓜類作物輪作5年以上；避免偏施氮肥，施用充分腐熟優質有機肥，增加抗病力；加強田間管理，及時排水，降低田間濕度，發現病株及時清除并集中銷毀。

此外，牧草對收獲方式也會產生極大的應激，在苜蓿和三葉草中發現營養貯藏蛋白去除，新芽再生。黑麥草在寒冷環境下可增加某些蛋白質（特別是天冬酰胺和谷氨酰胺）的相對比例。最后，家畜消耗多達70%的植物氮素用于產奶或產肉，以氨或尿素的形式排出體外，被植物回收利用。

四、根際微生物群

基因組學的影響從牧草本身延伸到牧草所處的環境，牧草的附生細菌可能對牧草的健康和營養很重要，一些微生物能在豆科牧草根系中固定大氣中的氮。與牧草一起生活的細菌可能有助于家畜消化吸收攝入的牧草營養，這些細菌可能通過產生特定的結合分子或載體來促進家畜腸道內微量元素的吸收。根際微生物群對土壤養分的循環和吸收非常重要，特別是低投入的熱帶牧草。將有益微生物接種到新的牧草以及研究根系分泌物成分的微生物，可能是未來牧草研究和應用的方向。

根通過改變根分泌物的化學成分而直接改變根際群落。例如，熱帶臂形草的根系專門產生一種抑制硝化細菌的化學物質，阻斷土壤細菌的氨氧化通路（銨轉化為硝酸鹽的第一步）。土壤中的氨氧化細菌迅速將尿素或NH4+肥料轉化為NO3-，NO3

-是流動的且易于浸出（有利于植物吸收）。在包括高粱和水稻在內的幾種豆科植物和禾本科植物的根系分泌物中發現了硝化抑制劑；對于牧草，僅在熱帶臂形草中發現有它的活動。水稻根系分泌物抑制硝化的能力為5%～50%，但在3個祖先系中無顯著提升。應用歐洲亞硝化單胞菌即氨氧化細菌，分析了根系分泌物的生物硝化抑制劑活性，臂形草的根滲出環狀二萜，暴露60%～90%的硝化抑制活動。如果將此特性轉移到其他牧草，可望改善牧草對氮素的利用率并提高產量。

五、可消化性

鑒于家畜對蛋白質的消化和吸收直接關聯到能量的可利用性，因此，提高牧草（尤其是禾本科牧草）的可溶性碳水化合物（WSC）含量顯得十分重要。黑麥草的WSC包含果糖（最重要的貯藏性多糖），改善源于蔗糖的果糖代謝有助于改善可消化值。應用有區別的6G果糖基轉移酶序列變體，證實黑麥草在更暖和氣溫下可提高果糖水平。WSC的數量與氮素對根的有效性密切相關，強調了營養組織中碳∶氮比平衡的重要性。

此外，WSC的數量對于不同的品種和環境也不同。在春夏季與根部高氮利用率相對應的最佳光合作用狀況下，黑麥草的三個品系都有與最高WSC濃度相關的最高生長率。黑麥草RBCS和葉綠素a/b結合的光合作用促進劑，為評估大田試驗的下列參數提供了轉基因品系：增加產量、纖維含量、可消化性、假莖和葉片的果糖濃度。這些工作為將來的研究提供了平臺，是識別其他重要營養性狀的“藥引子”。

抗性淀粉（RS）的含量對牧草的可消化性和營養含量有著重要的影響，RS到達家畜大腸（反芻動物消化RS更多的地方）之前的可消化性一般較低。研究表明，亞麻比谷物更有優勢提高消化值。日糧RS之間的一個主要差異是，人類飲食中提供更多的纖維是有好處的，但對非反芻動物不利，因為它仍不能消化。一般來說，RS較低含量的牧草對于反芻動物和非反芻動物，都能改善可消化性。鑒于牧草的消化值與其淀粉、蛋白質和木質素含量密切相關，已著手進行大規模的全基因組關聯研究，力求確認一系列性狀之間的相關性，例如，利用三個不同的苜蓿品種和高通量的基因分型測序方法進行研究。

牧草的另外一種重要養分是原花色素或濃縮單寧（CT），CT與蛋白質結合，到達反芻動物瘤胃之前不能被消化。雖然過高含量的CT會限制發酵，尤其是在葉蛋白含量低的牧草中，但在提高牧草消化值中卻是一個重要性狀。2% ～ 4%CT含量的牧草具有最佳的消化值。一些豆科牧草（例如百脈根）具有最佳水平的CT，諸如紅豆草和三葉草的一些牧草，在許多氣候條件下往往是很難選作飼料的，這意味高產牧草（品種）存在增加CT濃度的更大空間。由于CT合成通路在鼠耳芥草中已經有了很好的識別，轉錄調節因子是R2R3 MYB、bHLH和WD40蛋白質，在最終CT含量中起核心作用。蒺藜種子皮里面的MtPAR已經確認與R2R3 MYB同源。苜蓿的毛狀根轉換，導致地上部積累高達20毫克/克的CT，但仍然低于理想的濃度。類似的研究表明，低產牧草（三葉草和苜蓿）的TaMYB14 轉錄因子表達，激活CT的生物合成。其他的研究包括蒺藜CT生物合成的早期步驟，CT的相對含量在葉子和花之間有何差異，改變三葉草的花期能否提高其消化值，牧草收割后飼喂前的微生物預消化（包括微生物添加劑）。

六、生物量產量

鑒于生物量產量是牧草改良的主要目標，快長型品種可作為育種目標。通過建立基因組預測模型和數量性狀基因座，重點研究黑麥草的抽穗期和開花時間調節。調控延緩衰老的基因已成為提高生物量產量的目標。例如，在多花黑麥草中引入玉米半胱氨酸蛋白酶基因（SEE-1）的5’側翼區，表明該啟動子區域可使葉片壽命延長約8～16天。利用鼠耳芥草與衰老相關的基因（SAG-12）啟動子，也延緩了亞麻的衰老，即使生長3個月后，葉綠素和產量也顯著增加。利用柳枝稷品系NAC-1和鼠耳芥草品系（衰老缺陷突變體）NAC-2的轉錄因子表達，恢復了野生型表型（主要用葉綠素總濃度來測量）。

然而，快速生長還必須結合收割后快速再生的反應能力。利用黑麥草和苜蓿的13碳和15氮進行的收割試驗表明，溶解的有機碳和氮以及微生物生物量對土壤都有影響，田間管理方案對隨后的土壤健康至關重要。一種快速再生的能力可能會增加植物對昆蟲和病原體的敏感性，值得進一步研究。組織損傷與植物免疫之間的關系也成為研究熱點，組織生長速度與免疫密切相關。選擇何時收割或放牧，對于隨之而來的牧草再生也很重要；借助分子標記進行選擇大有空間，基于（貯藏蛋白）候選基因表達的最佳時間收獲，將來有可能進行PCR（多聚酶鏈式反應）檢測，這種檢測還可用來決定施肥時間。

牧草已廣泛應用混種方式，豆科牧草與根瘤菌共生，通過固氮而增加土壤氮，其生物固氮量為32～115千克/公頃（2.13～7.67千克/畝），因此可減少后續牧草種植的施肥氮量23～31千克/公頃（1.53～2.07千克/畝）。許多間作方式都經過了試驗，包括各種氣候和土壤質地參數的建模。氮從豆類向（草地）作物的轉移也摸索出經驗。然而，這種相互作用如何通過土壤剖面影響氮的遷移和淋溶，還不得而知。混種在抵抗疾病和極端氣候方面也有優勢，因為植物對這些脅迫的敏感性因品種不同而不同。牧草育種的重點是單作選擇方式，并有更好的混種選擇空間，可納入新品種試驗。

改善牧草的營養品質并不是育種計劃的惟一目標，還包括產量和氣候耐受性，未來的牧草必須耐受氣候變化與惡劣氣候。與許多單作時產量最高的作物不同，牧草的優勢在于它們混種也容易生長，并且不會降低生產力。這種趨勢已在多項試驗以及增加生物多樣性的情況下得到體現。隨著消費者越來越意識到食品生產對環境的影響，促進生物多樣性，同時保持生產力，不僅意味著降低管理成本，而且有助于農耕文化的認同。

七、微量元素

生物強化谷物是植物研究的重點，但也有改善牧草營養質量的潛力。世界上最貧困的地區，家畜生產的經濟重要性提供了生物強化牧草的機會，直接改善家畜健康、間接改善畜主及家人健康。為糧食生物強化而開發的知識庫（例如候選植物金屬轉運體）尚未應用于牧草，例如，鐵鋅儲存的轉運蛋白已經在谷物中識別，它們在牧草中的等同物尚未確定。盡管在大多數土壤中，硅是禾本科植物特別需要的，但很可能對許多牧草的最佳生長也重要。硅對細胞壁結構重要，因此對病原體和害蟲的抵抗性也重要，但可能會對可消化性產生負面影響。

大多數牧草都能形成菌根組合，這種共生關系對微量元素的獲取具有重要意義。對于自然放牧，這些共生關系特別重要，但施肥時，菌根會受到抑制。通過給牧草接種菌根真菌來提高這種共生性，有可能改善牧草的礦物元素組成。真菌共生可增加土壤養分和水的開采面積，在干旱等惡劣氣候下可能是至關重要的。此外，一個平衡和優化的根際微生物群對于優化根系功能是必不可少的。

八、環境足跡

與所有農業生產一樣，牧草生產也是要提高水和養分的利用效率。玉米無論作為牧草還是作為糧食谷物種植，一般肥料需要量都相同。牧草、豆科作物和根莖作物對氮的需求差異很大，例如，芒草對氮的需求量較低。利用轉運體標記基因作為田間作物狀況的指標來改善氮素利用效率，可最大限度地減少過量氮肥的浪費和對環境的破壞。開發基因標記可指示每種牧草的氮素狀況。

混合植物群落往往有較好的氮素利用效率，可能是因為每種植物都有不同的攝氮時間模式，導致生長速度和根系結構不同。在較富裕的國家，化肥價格雖然較低，并不提倡給牧草施用更多的化肥。如果制定法規，不準過量施用化肥，就可能促進肥料使用效率的提高。對于水的獲取，苜蓿的長根可穿透深層，吸收水分和營養。牧草品種的選擇取決于土壤類型、氣候和耕作方式。

總而言之，文章從品種選育、增強營養的候選基因、蛋白質含量和氮素利用效率、根際微生物群、可消化性、生物量產量、微量元素和環境足跡等8個方面，并涉及巴西學者費利佩·克萊因·里切涅夫斯基引用的世界范圍內的多個文獻，歸納了牧草的研究進展，展示了未來靶向。