中國(guó)牧草育種中的若干科學(xué)問(wèn)題

劉志鵬，周強(qiáng)，劉文獻(xiàn)，張吉宇，謝文剛，方龍發(fā)，王彥榮，南志標(biāo)

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730020）

牧草（grass 或herbage）是飼用植物的總稱，以草本植物為主栽培的或野生的飼用植物，包含可供飼用的半灌木、灌木、小喬木。牧草具有改良土壤理化性狀、維持土壤肥力、防風(fēng)固沙、保持水土、綠化環(huán)境和調(diào)節(jié)氣候等生態(tài)作用［1］。牧草富含各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和粗纖維，是糧食、青貯或其他飼料不能替代的。發(fā)展草業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要內(nèi)容之一，也是我國(guó)“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展國(guó)家戰(zhàn)略”的重要保障，對(duì)于落實(shí)“綠水青山就是金山銀山”和“山水林田湖草沙生命共同體”理念具有重大戰(zhàn)略意義。草地占全球陸地面積的54.3%，中國(guó)的草地面積占國(guó)土面積的27.6%（草地面積是耕地面積的2.1 倍，與林地面積相當(dāng)），不論是全球還是國(guó)內(nèi)，草地都是最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)。目前，我國(guó)80%以上的草地都出現(xiàn)不同程度的退化，亟須補(bǔ)播改良，以便恢復(fù)天然草地生態(tài)系統(tǒng)。因此，牧草不僅是我國(guó)草食畜牧業(yè)發(fā)展的基石，也是我國(guó)退化草地補(bǔ)播改良的物質(zhì)基礎(chǔ)，影響著國(guó)家的食品安全和生態(tài)安全，決定著生態(tài)與生產(chǎn)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 我國(guó)牧草育種的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

1.1 干草和草種依賴進(jìn)口

據(jù)估計(jì)，我國(guó)未來(lái)每年牧草飼料需要量將達(dá)到1000 萬(wàn)t［2］。而國(guó)產(chǎn)干草存在數(shù)量少、品質(zhì)低等問(wèn)題，不能滿足我國(guó)畜牧業(yè)發(fā)展的需要，因此，亟須通過(guò)國(guó)外進(jìn)口的方式改善我國(guó)牧草產(chǎn)能不足的局面。目前，我國(guó)進(jìn)口的干草主要包括苜蓿（Medicago sativa）和燕麥（Avena sativa）［3］。優(yōu)質(zhì)苜蓿指達(dá)到《苜蓿干草捆》（NY/T1170-2020）二級(jí)及以上的苜蓿干草及其草產(chǎn)品，在我國(guó)自給率只有64%，需要從美國(guó)（約90%）和西班牙進(jìn)口。2008、2012、2015和2020 年我國(guó)優(yōu)質(zhì)苜蓿進(jìn)口量分別是1.9、46.0、120.0、135.9 萬(wàn)t（5.6 億美元）。至于燕麥草，則全部從澳大利亞進(jìn)口［4-5］，2008、2013、2015 和2020 年，燕麥草的進(jìn)口量分別是0.2、4.3、15.2、33.5 萬(wàn)t（1.2 億美元）。近5 年，我國(guó)每年草種子需求量在15 萬(wàn)t 左右，每年進(jìn)口草種子5 萬(wàn)t 左右，1/3 依賴進(jìn)口，其中草坪草種子進(jìn)口量幾乎達(dá)90%。2020 年1-11 月，我國(guó)草種子進(jìn)口5.98 萬(wàn)t（1.0 億美元）［5］。在新冠疫情持續(xù)發(fā)展和中外經(jīng)貿(mào)摩擦等背景下，我國(guó)干草和草種國(guó)外依賴性過(guò)高，缺乏主動(dòng)權(quán)，已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”問(wèn)題。

1.2 牧草品種數(shù)量較少

從1987 年全國(guó)牧草品種審定委員會(huì)成立以來(lái)，共審定草品種636 個(gè)，其中苜蓿屬（Medicago）牧草114 個(gè)，紫花苜蓿品種87 個(gè)，雜花苜蓿品種20 個(gè)，其他苜蓿7 個(gè)，包括黃花苜蓿（M. falcata）、天藍(lán)苜蓿（M.lupulina）、花苜蓿（M. ruthenica）和金花菜（M.polymorpha），而同期美國(guó)和歐洲國(guó)家登記的牧草品種多達(dá)5000 多個(gè)。以紫花苜蓿為例，2016-2020 年我國(guó)共審定28 個(gè)品種（年均5.6 個(gè)），同期北美苜蓿改良協(xié)會(huì)（NAAIC）共審定登記354 個(gè)品種（年均70.8 個(gè)）［6］。目前，我國(guó)紫花苜蓿種子仍有80%以上依賴進(jìn)口，亟須培育出一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且適合我國(guó)本土生長(zhǎng)的優(yōu)良牧草新品種。

1.3 牧草育種基礎(chǔ)研究發(fā)展迅速

近年來(lái)，我國(guó)牧草育種基礎(chǔ)研究發(fā)展迅速，我國(guó)科學(xué)家陸續(xù)解析了國(guó)際為數(shù)不多的牧草基因組，如鴨茅（Dactylis glomerata）［7］、紫 花 苜 蓿［8-10］、無(wú) 芒 隱 子 草（Cleistogenes songorica）［11］、長(zhǎng) 穗 燕 麥 草（Thinopyrum elongatum）［12］、象草（Cenchrus purpureus）［13］、金花菜［14］和花苜蓿［15-16］等。以紫花苜蓿文章數(shù)量為例，在“Web of Science”搜索“題目”包含“Medicago sativa”“alfalfa”或“l(fā)ucerne”的文章，比較了 1990-2020 年中國(guó)、美國(guó)和加拿大三國(guó)發(fā)表的文章數(shù)目，總數(shù)分別是1197、3622 和1016 篇。近30 年，美國(guó)發(fā)表文章最多，中國(guó)和加拿大接近。2005年之前，我國(guó)在紫花苜蓿研究領(lǐng)域文章稀少，接近空白，美國(guó)在該領(lǐng)域發(fā)表的文章最多；2016 年之后，年度發(fā)表文章數(shù)量我國(guó)躍居第一；2020 年，我國(guó)發(fā)表的紫花苜蓿文章數(shù)量遙遙領(lǐng)先。由此可見(jiàn)，我國(guó)牧草育種的基礎(chǔ)研究雖然起步晚，但發(fā)展非常迅速（圖1）。

圖1 1990-2020 年中國(guó)、美國(guó)和加拿大發(fā)表的紫花苜蓿論文數(shù)量比較Fig.1 Comparison of the number of alfalfa papers published in China，the United States and Canada from 1990 to 2020

1.4 前景嚴(yán)峻

預(yù)計(jì)到2030 年，我國(guó)人口將達(dá)到16 億，口糧和飼料糧的產(chǎn)量都要增加，在耕地面積不變的前提下，糧食單產(chǎn)仍需提高1/3 以上，目前我國(guó)糧食產(chǎn)量的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)低于人口增長(zhǎng)的速度。在“谷物基本自給，口糧絕對(duì)安全”的方針指導(dǎo)下，大部分牧草只能種植在中低產(chǎn)田、邊際土地或不適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的土地。因此，我國(guó)培育的牧草新品種在抗逆、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)等方面要更加突出，相關(guān)基礎(chǔ)研究要全面開(kāi)展。

然而，我國(guó)牧草種類繁多，天然草原上就有6000余種飼用植物［17］，國(guó)家林業(yè)和草原局 2021 年 7 月公布的中華人民共和國(guó)主要草種目錄也包含了120 個(gè)物種。據(jù)“Web of Science”統(tǒng)計(jì)，2001-2020 年“題目”包含“水稻（Oryza sativa）”“小麥（Triticum aestivum）”“玉米（Zea mays）”“大豆（Glycine max）”和“紫花苜蓿”分別檢索到 82526、72480、69319、41327 和 7165 篇論文，我國(guó)科學(xué)家發(fā)表的文章數(shù)目分別為23242、14026、12499、6529 和 1178 篇。由此可見(jiàn)，我國(guó)科學(xué)家在水稻、小麥、玉米和大豆發(fā)表的文章數(shù)量分別是紫花苜蓿的 20、12、11 和 6 倍（圖 2）。“牧草之王”尚且如此，其他主要牧草如羊草（Leymus chinensis）、黑麥草（Lolium perenne）、白三葉（Trifolium repens）等的研究就更加少了。

圖2 2001-2020 年紫花苜蓿與其他農(nóng)作物論文數(shù)量比較Fig. 2 Comparison of the number of papers on alfalfa and other crops from 2001 to 2020

我國(guó)科學(xué)家高彩霞研究員在Cell 發(fā)表綜述論文，將農(nóng)作物的育種方法總結(jié)為雜交育種、突變育種、轉(zhuǎn)基因育種和基因編輯育種4 個(gè)發(fā)展階段［18］。截至目前，絕大多數(shù)牧草尚處在雜交育種或者馴化育種階段，遠(yuǎn)落后于主要農(nóng)作物。因此，牧草育種意義重大，雖然前景嚴(yán)峻，但是發(fā)展空間廣闊。

2 牧草育種的關(guān)鍵瓶頸

2.1 種質(zhì)資源

20 年前，模式植物必須滿足3 個(gè)條件：即突變體庫(kù)、基因組并具備高效遺傳轉(zhuǎn)化體系，當(dāng)時(shí)最符合條件的植物是擬南芥（Arabidopsis thaliana）和水稻。時(shí)至今日，滿足這3 個(gè)條件的植物越來(lái)越多，如玉米、小麥和蒺藜苜蓿（M. truncatula）等，有了這3 個(gè)平臺(tái)，就可以從正向遺傳學(xué)或反向遺傳學(xué)對(duì)植物的重要性狀進(jìn)行深入的解析。但是，對(duì)于牧草，絕大多數(shù)物種還不具備這3 個(gè)條件，嚴(yán)重地制約著牧草育種的快速發(fā)展。

我國(guó)的飼用植物涵蓋5 門(mén)246 科1545 屬，共計(jì)6704 個(gè)物種，近20 年來(lái)保存種質(zhì)55811 份，但是如果平均到物種，數(shù)量上則遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)的水稻、小麥、大豆等種質(zhì)資源，還應(yīng)繼續(xù)大規(guī)模收集，仔細(xì)地摸清家底。尤其是隨著草地過(guò)度放牧、氣候變化、城鎮(zhèn)化、土壤污染、采礦、外來(lái)物種入侵等因素影響，很多瀕危種質(zhì)、天然突變種質(zhì)面臨喪失，進(jìn)而優(yōu)異基因資源面臨滅絕。牧草育種者應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)野生種質(zhì)資源的收集、保護(hù)、系統(tǒng)評(píng)價(jià)以及共享，尤其是對(duì)重點(diǎn)種質(zhì)應(yīng)加大保護(hù)和收集力度，如苜蓿屬、野豌豆屬（Vicia）、賴草屬（Leymus）、披堿草屬（Elymus）等，具體見(jiàn)陳志宏等［19］的研究，將來(lái)通過(guò)高通量測(cè)序方法厘清物種形成機(jī)制，解析屬內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)化特性。

對(duì)于牧草育種而言，種質(zhì)資源不但包括野生種質(zhì)，還包括人工構(gòu)建的突變體庫(kù)、各種遺傳群體。可以利用EMS 誘變、快中子誘變、航空誘變、反轉(zhuǎn)座子插入等多種方法構(gòu)建主要牧草的突變體庫(kù)，為通過(guò)反向遺傳學(xué)的方法定位控制重要農(nóng)藝性狀的關(guān)鍵基因奠定基礎(chǔ)。此外，還可以通過(guò)人工雜交和自交等方法，構(gòu)建雜交群體、回交群體，將來(lái)用于高密度遺傳圖譜構(gòu)建，也用于重測(cè)序定位目標(biāo)基因。

2.2 組學(xué)數(shù)據(jù)

任何一個(gè)物種基因組的首次破譯，對(duì)該物種的基礎(chǔ)研究而言都具有劃時(shí)代意義，會(huì)為人類研究該物種開(kāi)辟出新的分子生物學(xué)工具，如物種特異性分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)、基因克隆、代謝通路、基因定位、遺傳圖譜構(gòu)建、基因育種芯片、基因組選擇、基因家族鑒定等，可為該物種的品種選育、功能基因發(fā)掘、品種鑒定、多樣性保護(hù)等提供有力保障。

目前，四倍體紫花苜蓿已組裝了2 套基因組，分別使用了育成品種“中苜1 號(hào)”和地方品種“新疆大葉”，但是這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。首先，組裝質(zhì)量還有待于進(jìn)一步提高。由于紫花苜蓿是同源四倍體、自交不親和、重復(fù)序列多，沒(méi)有兩粒紫花苜蓿種子的基因組是一致的。再者，紫花苜蓿分類復(fù)雜，最新的研究結(jié)果表明紫花苜蓿復(fù)合體包括6 個(gè)類群［20］：M. sativasubsp.caerulea（2n=16）、M. sativasubsp.sativa（2n=32）、M. sativasubsp.×vari（2n=16，32）、M. sativasubsp.falcatavar.falcata（2n=16，32）、M.sativasubsp.falcatavar.viscosa（2n=16，32）、M.sativasubsp.glomerata（2n=16，32）。這些同倍性的亞種和變種之間雜交可育，存在基因流，“中苜1 號(hào)”和“新疆大葉”都屬于M. sativasubsp.sativa，僅僅解析一個(gè)亞種的基因組對(duì)于研究紫花苜蓿復(fù)合體是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

除基因組之外，尚缺乏詳細(xì)的紫花苜蓿轉(zhuǎn)錄組圖譜。2021 年之前，發(fā)表了大量紫花苜蓿轉(zhuǎn)錄組的文章，極大地推動(dòng)了紫花苜蓿的基礎(chǔ)研究。由于當(dāng)時(shí)缺乏基因組，所有轉(zhuǎn)錄組文章都采用無(wú)參組裝，存在以下不足，如轉(zhuǎn)錄組組裝質(zhì)量較差、測(cè)序方法不一致、測(cè)序品種不統(tǒng)一、取樣不夠精細(xì)、不同轉(zhuǎn)錄組之間沒(méi)有可比性及缺乏一個(gè)權(quán)威的紫花苜蓿組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)等。因此，紫花苜蓿的轉(zhuǎn)錄組仍有很多工作需要做。同時(shí)，紫花苜蓿的泛基因組、單倍型基因組、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、小RNA 組、蛋白質(zhì)組、代謝組、DNA 甲基化和修飾組學(xué)等仍需研究。與紫花苜蓿相比，其他主要牧草的組學(xué)數(shù)據(jù)更少，亟須拓荒式研究。

2.3 遺傳轉(zhuǎn)化

利用重組DNA 原理，將目的基因整合到植物基因組中，使之穩(wěn)定遺傳并獲得抗逆、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)等靶標(biāo)性狀，稱為遺傳轉(zhuǎn)化。任何一個(gè)物種，高效遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立將為其打開(kāi)轉(zhuǎn)基因育種、基因編輯育種和反向遺傳學(xué)的大門(mén)。目前，主要農(nóng)作物都已建立了穩(wěn)定、高效的農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)。紫花苜蓿、蒺藜苜蓿、百脈根（Lotus corniculatus）、白三葉、二穗短柄草（Brachypodium distachyon）、多年生黑麥草和柳枝稷（Panicum virgatum）等牧草的遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)也比較成熟。而其他牧草的遺傳轉(zhuǎn)化報(bào)道較少，或有零星報(bào)道但重復(fù)性差，這些牧草未來(lái)可在根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)、發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)、基因槍轉(zhuǎn)化、電穿孔法、花粉管通道法、莖尖或芽尖分生組織轉(zhuǎn)化和納米載體介導(dǎo)等不同轉(zhuǎn)化技術(shù)上進(jìn)行探索。

在高效遺傳轉(zhuǎn)化體系建立的基礎(chǔ)上，建議進(jìn)一步建立高效基因編輯體系，為基因編輯育種奠定基礎(chǔ)。目前，國(guó)際上牧草的基因編輯報(bào)道不多，我國(guó)科學(xué)家已在紫花苜蓿［21］和蒺藜苜蓿［22-23］獲得初步成功。

3 若干重點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題

3.1 鄉(xiāng)土草資源

鄉(xiāng)土草（圖3）是本地野生的、或在本地生存很多年的，對(duì)當(dāng)?shù)赝寥馈夂虻茸匀画h(huán)境具有良好適應(yīng)性的草類植物，是相對(duì)引進(jìn)植物而言的，如我國(guó)東北的羊草、堿茅（Puccinellia chinampoensis）等，西北的無(wú)芒隱子草、醉馬草（Achnatherum inebrians）、霸 王（Zygophyllum xanthoxylum）、沙 打 旺（Astragalus adsurgens）、紅 豆 草（Onobrychis viciifolia）和檸條（Caragana korshinsk）等，青藏高原的垂穗披堿草（Elymus nutans）、老芒麥（E.sibiricus）、歪頭菜（Vicia unijuga）、草地早熟禾（Poa pratensis）和扁桿早熟禾（P. pratensis）等［17］。在退化草地補(bǔ)播恢復(fù)中，鄉(xiāng)土草對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件更為適應(yīng)，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，比外來(lái)引進(jìn)牧草更適合于草原修復(fù)和生態(tài)治理。

圖3 我國(guó)牧草育種的關(guān)鍵瓶頸與主要科學(xué)問(wèn)題Fig.3 Key bottlenecks and major scientific issues of forage breeding in China

此外，鄉(xiāng)土草抗逆性強(qiáng)，蘊(yùn)含著其他牧草沒(méi)有的優(yōu)異抗逆基因資源。但是由于鄉(xiāng)土草種類多，研究人員少，導(dǎo)致以往對(duì)鄉(xiāng)土草的關(guān)注不夠，缺少積累。建議我國(guó)各個(gè)省區(qū)開(kāi)展鄉(xiāng)土草種質(zhì)資源調(diào)查，摸清家底。在做好收集與保護(hù)工作的基礎(chǔ)上，選擇主要草種開(kāi)展馴化選育，主要解決鄉(xiāng)土草的種子高效采集與播種、種子休眠與破除、株型、地上生物量、栽培管理以及挖掘和利用鄉(xiāng)土草特有的抗逆基因資源等。

3.2 落粒與休眠

任何優(yōu)良牧草品種，如果種子產(chǎn)量低，就會(huì)限制其擴(kuò)繁和推廣。對(duì)野生植物而言落粒是一個(gè)有利性狀，有助于種子的傳播和種群的擴(kuò)張；但對(duì)栽培作物而言，落粒是一個(gè)不利性狀，因?yàn)榉N子成熟期不一致，大量種子在收獲前從植株脫落掉落土壤，給種子收獲造成嚴(yán)重?fù)p失，而且落地后的種子第2 年會(huì)成為其他后茬作物的雜草，危害后茬作物生長(zhǎng)［24］。因此，任何牧草新品種，在選育過(guò)程中都必須盡可能地破除落粒這一劣性。落粒是一個(gè)數(shù)量性狀，幾乎所有的野生植物都存在落粒特性，禾本科牧草具有落粒特性，豆科野豌豆屬、大豆屬（Glycine）、菜豆屬（Phaseolus）、苜蓿屬、百脈根屬（Lotus）、黃芪屬（Astragalus）、錦雞兒屬（Caragana）、羽扇豆屬（Lupinus）和扁豆屬（Lablab）等牧草都具有裂莢特性。在對(duì)水稻的研究中發(fā)現(xiàn)，qSH1、Sh4和SHAT1等基因可影響小穗離層發(fā)育，是控制水稻落粒的主效基因，通過(guò)定點(diǎn)編輯qSH1基因可降低水稻的落粒性［25］。

牧草種子普遍存在休眠特性，休眠對(duì)種子安全度過(guò)非適宜生長(zhǎng)期、保證種群延續(xù)具有重要作用，但也給人工草地建植、雜草防除、種子檢驗(yàn)與加工等帶來(lái)困難。禾本科牧草種子常具生理休眠，豆科牧草種子普遍具物理性休眠，偶見(jiàn)生理性休眠。從蒺藜苜蓿Tnt1 突變體庫(kù)發(fā)現(xiàn)，KNOX4基因通過(guò)控制種皮柵欄狀角質(zhì)層的發(fā)育，影響種子的物理性休眠［26］。

建議首先大量收集種質(zhì)資源或突變體、精確評(píng)價(jià)落粒/休眠特性，篩選易落粒/休眠、抗落粒/休眠種質(zhì)，構(gòu)建遺傳群體，再通過(guò)GWAS、QTL 作圖、轉(zhuǎn)錄組、解剖學(xué)、生理酶活等方法鑒定落粒/休眠基因，并與模式植物和農(nóng)作物進(jìn)行比較，揭示落粒/休眠調(diào)控機(jī)制、培育抗落粒/休眠高產(chǎn)牧草新品種。此外，應(yīng)研發(fā)牧草種子大田栽培、水肥管理、授粉和收獲清選等技術(shù)，提高優(yōu)良牧草的種子產(chǎn)量。

3.3 雄性不育

牧草中含有多種特異的生殖方式，雄性不育不僅是牧草生殖發(fā)育研究的重要方向，更是牧草雜種優(yōu)勢(shì)利用的有效工具，具有非常重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。科學(xué)家已經(jīng)在擬南芥、水稻和玉米中鑒定了上百個(gè)雄性不育基因。我國(guó)的水稻雜交育種經(jīng)歷了3 個(gè)世代，第1 代是細(xì)胞質(zhì)雄性不育的三系法；第2 代是光溫敏不育的兩系法；第3 代也稱智能不育雜交育種技術(shù)，是一種穩(wěn)定的、能自我繁殖的、恢復(fù)性保持系一體的新型不育雜交育種體系。攜帶單合子的轉(zhuǎn)基因水稻自交，按1∶1 產(chǎn)生轉(zhuǎn)基因雄性不育和轉(zhuǎn)基因可育兩種種子，可根據(jù)紅色熒光區(qū)分［27］，玉米中也建立了類似體系［28］。為了滿足第3 代雜交水稻育種的需要，已成功研發(fā)出繁殖系種子熒光檢測(cè)分選儀。

EAN1基因在蒺藜苜蓿絨氈層中特異表達(dá)，屬于bHLH 家族亞家族Ⅱ轉(zhuǎn)錄因子，EAN1 蛋白與bHLH 家族亞家族Ⅲ（a+c）1 成員形成異源二聚體調(diào)控絨氈層的降解，并發(fā)現(xiàn)該機(jī)制在被子植物中是保守的［29］。擬南芥和農(nóng)作物雄性不育已經(jīng)得到了詳細(xì)的研究，這些研究成果為牧草雄性不育提供了重要的候選基因，為草類植物雜種優(yōu)勢(shì)利用和智能不育技術(shù)建立指明了研究方向。

3.4 倍性育種

倍性育種是培育優(yōu)良牧草品種的重要手段。與同一物種的二倍體植株相比，多倍體植株具有高大、抗逆性強(qiáng)、莖葉繁茂、由一年生轉(zhuǎn)變?yōu)樵侥晟蚨嗄晟忍匦裕缍扼w和四倍體的紫花苜蓿、玉米。這些特性對(duì)農(nóng)作物而言意義不大，但對(duì)以地上營(yíng)養(yǎng)體為利用目標(biāo)的牧草是非常有利的。加倍后，大部分植物的育性下降、種子產(chǎn)量降低，這些不利特性可以通過(guò)無(wú)性繁殖克服，禾本科牧草可以通過(guò)分蘗或根莖擴(kuò)繁，豆科牧草可以通過(guò)扦插擴(kuò)繁。倍性改變后的材料，可以為遠(yuǎn)緣雜交搭建新的橋梁。雙單倍體的純度高，可用于遺傳圖譜的構(gòu)建，重要基因的QTL 定位。單倍體作為轉(zhuǎn)基因受體可使外源基因迅速純合，便于觀察表型，加速選育進(jìn)程。單倍體自然發(fā)生的概率極低，常采用孤雌生殖或孤雄生殖的辦法人工誘導(dǎo)。

在水稻中，通過(guò)編輯OSD1、PAIR1和REC8三個(gè)基因，可以使水稻從二倍體變?yōu)橥此谋扼w、同源八倍體，編輯MTL基因可以使水稻從二倍體變?yōu)閱伪扼w［30］，其同源基因在擬南芥和玉米中獲得了一致的結(jié)果。這些成果為牧草的倍性育種提供了新的研究思路。

3.5 牧草與生物互作

在草地上，牧草與生物間存在廣泛的相互作用，研究領(lǐng)域包括禾草內(nèi)生真菌互作、牧草與叢枝菌根真菌互作、豆科牧草與根瘤菌互作、牧草與病毒互作、牧草與害蟲(chóng)互作、牧草與雜草互作等。

大量研究表明，內(nèi)生真菌與宿主植物形成共生體后，可以使宿主具有耐旱、耐寒、抗病蟲(chóng)等優(yōu)良特性。近年來(lái)，接種禾草內(nèi)生真菌，使其通過(guò)種子垂直傳播，通過(guò)這種方法進(jìn)行禾草育種已成為國(guó)際草業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。將分離于野大麥（Hordeum brevisubulatum）的內(nèi)生真菌（Epichlo? bromicola）人工接種至非天然宿主栽培大麥（H. vulgare），可顯著提高宿主的地上生物量和單株種子產(chǎn)量，并創(chuàng)制出了牧草新品系［31］。此外，牧草還蘊(yùn)含著農(nóng)作物不具備的優(yōu)異抗病基因。20 世紀(jì)60 年代，李振聲院士通過(guò)遠(yuǎn)緣雜交將長(zhǎng)穗偃麥草［Elytrigia elongata（Host）Nevski］的抗“條銹病”基因轉(zhuǎn)移給小麥，選育出持久性抗病小麥品種小偃6 號(hào)。2020 年，孔令讓教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)遠(yuǎn)緣雜交再次將長(zhǎng)穗偃麥草的抗“赤霉病”主效基因Fhb7轉(zhuǎn)移給小麥，揭示了抗病分子機(jī)制。菟絲子（Cuscutaspp.）是一種全寄生植物，嚴(yán)重威脅紫花苜蓿的生產(chǎn)，被我國(guó)海關(guān)總署列為紫花苜蓿檢疫性有害生物。從栽培番茄（Solanum lycopersicum）中克隆Solyc08g016270基因并轉(zhuǎn)入紫花苜蓿，轉(zhuǎn)基因紫花苜蓿新材料通過(guò)抑制菟絲子吸器形成可以有效抵抗菟絲子寄生［32］。

今后，可利用生物技術(shù)和信息技術(shù)等手段，揭示牧草和生物的互作分子機(jī)理、挖掘主效基因，創(chuàng)制優(yōu)異牧草新品種；將實(shí)驗(yàn)室研究和大田試驗(yàn)相結(jié)合，提出有害生物綠色高效防控策略。

3.6 節(jié)水耐旱

我國(guó)的糧食生產(chǎn)中，干旱造成的損失幾乎是其他自然災(zāi)害造成損失的總和。天然草地方面，我國(guó)干旱半干旱地區(qū)約占國(guó)土面積的50%，北方草原地區(qū)干旱化正在進(jìn)一步加劇，在過(guò)去的幾十年中干旱半干旱草地的生產(chǎn)力持續(xù)下降，而在未來(lái)溫度增高2～4 ℃和降水減少的情景下，草地生產(chǎn)力將會(huì)降低40%～90%［33］。人工草地方面，我國(guó)西北、東北和內(nèi)蒙古商品苜蓿種植面積占全國(guó)的92.0%，上述地區(qū)絕大部分處于我國(guó)干旱和半干旱地區(qū)。因此，不論是天然草地還是人工草地，節(jié)水耐旱牧草新品種的培育意義重大。

植物的耐旱能力通過(guò)ABA、油菜素內(nèi)酯、生長(zhǎng)素等激素感知和調(diào)控，已經(jīng)鑒定了大量基因參與植物對(duì)干旱的響應(yīng)［34］。蘭州大學(xué)科研人員將無(wú)芒隱子草和霸王的抗旱基因轉(zhuǎn)入紫花苜蓿，創(chuàng)制出了紫花苜蓿轉(zhuǎn)基因耐旱新材料［35-36］。在天然草地上，建議馴化選育當(dāng)?shù)貎?yōu)異的鄉(xiāng)土草種，如無(wú)芒隱子草、霸王以及賴草屬和苜蓿屬野生牧草等。在人工草地上，建議加強(qiáng)紫花苜蓿耐旱性研究，可采用GWAS、QTLs、轉(zhuǎn)錄組、轉(zhuǎn)基因、全基因組選擇等研究方法。在培育耐旱品種時(shí)，一定要兼顧新材料的耐寒性（越冬）和耐熱性（夏季高溫）等。未來(lái)的研究中，可使用合成生物學(xué)合成一些小肽、激素類似物和受體激動(dòng)劑來(lái)調(diào)控牧草的耐旱能力。

3.7 營(yíng)養(yǎng)優(yōu)質(zhì)

人類僅食用糧食作物的籽粒，因此育種目標(biāo)是種子產(chǎn)量、口感、香味、保健以及其他特殊需要等。但是，家畜的采食對(duì)象是牧草的全部地上營(yíng)養(yǎng)體，因此育種目標(biāo)是地上總生物量，以及整個(gè)地上部的粗纖維、粗蛋白、單寧、木質(zhì)素等。紫花苜蓿的品質(zhì)育種方面，應(yīng)考慮粗纖維和粗蛋白含量，奶牛的過(guò)瘤胃蛋白、總可消化養(yǎng)分、泌乳凈能、體外干物質(zhì)消化率等。我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)在玉米中建立了大量遺傳群體，通過(guò)GWAS、突變體庫(kù)等方法鑒定了大量控制葉夾角、光周期、籽粒產(chǎn)量等馴化或育種關(guān)鍵功能基因。青貯玉米作為奶牛等反芻動(dòng)物的主要粗飼料，建議利用已有材料和數(shù)據(jù)，進(jìn)一步鑒定玉米地上總生物量（不單單是籽粒）以及粗纖維、總可消化養(yǎng)分、泌乳凈能、氨基酸組成（如調(diào)高含硫氨基酸）等，加速青貯玉米的分子設(shè)計(jì)育種。另外，70%左右的玉米籽粒被加工為飼料，建議根據(jù)奶牛、豬、蛋雞、肉雞的個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)需要進(jìn)行新品種選育。

此外，在億萬(wàn)年的進(jìn)化過(guò)程中，草類植物為了防止動(dòng)物過(guò)度采食，體內(nèi)積累了一些有毒成分。如禾本科的醉馬草具有高產(chǎn)、抗逆、多年生的優(yōu)良特性，但體內(nèi)含有麥角酰胺等有毒次生代謝物，牛、羊采食后會(huì)中毒。豆科牧草白花草木樨（Melilotus albus）和黃花草木樨（M. officinalis）生物量大、耐旱能力突出，但含有香豆素。因此，研究致毒物質(zhì)的代謝途徑、致病機(jī)理，篩選無(wú)毒種質(zhì)也是牧草品質(zhì)育種的重要方向。

3.8 從頭馴化

玉米、小麥、水稻和大豆等主要農(nóng)作物都經(jīng)過(guò)了人類5000～10000 年的馴化，與馴化前相比，馴化后的作物在形態(tài)、產(chǎn)量等方面發(fā)生了翻天覆地的變化。目前，科學(xué)家已鑒定了一批主要馴化基因。李家洋院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)四步法實(shí)現(xiàn)了異源四倍體野生稻（O. alta）的“快速”從頭馴化（de novodomestication）。第一，收集并篩選野生稻底盤(pán)種質(zhì)資源；第二，建立從頭馴化技術(shù)平臺(tái)，即高質(zhì)量參考基因組和高效基因組編輯體系；第三，多基因選擇、編輯、聚合以及田間評(píng)估；第四，推廣應(yīng)用［37］。

幾乎所有草類植物的馴化時(shí)間短或未經(jīng)馴化，建議建立相關(guān)技術(shù)平臺(tái)編輯牧草同源基因，即在農(nóng)作物中鑒定的馴化基因和重要農(nóng)藝性狀基因的同源基因，實(shí)現(xiàn)草類植物“一步式”從頭馴化。

3.9 表型檢測(cè)

植物表型具有很強(qiáng)的可塑性，是自身基因表達(dá)和環(huán)境影響互作的結(jié)果，表型檢測(cè)與植物育種息息相關(guān)。在作物育種進(jìn)入分子時(shí)代的今天，人工方法測(cè)定作物表型，具有耗時(shí)、主觀性強(qiáng)、不準(zhǔn)確、效率低等缺陷。作物育種人員需要高精度、高通量、低成本的技術(shù)觀察作物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量以及作物對(duì)生物、非生物脅迫的抗性等表型數(shù)據(jù)。作物表型自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)是新興的研究熱點(diǎn)，對(duì)作物重要農(nóng)藝性狀調(diào)控機(jī)制研究、品種選育具有重要意義。目前，以小麥、玉米、馬鈴薯（Solanum tuberosum）等為研究對(duì)象，已開(kāi)發(fā)了多種成像技術(shù)，如可見(jiàn)光成像、多光譜遙感、熱紅外成像、熒光成像、3D 成像等，可以進(jìn)行植物株型、雜草識(shí)別、病蟲(chóng)害和產(chǎn)量預(yù)測(cè)等檢測(cè)［38］。

牧草與農(nóng)作物不同，對(duì)表型自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)要求更高，如多數(shù)牧草具有多年生、匍匐、叢生、攀援、植株高大、葉片細(xì)長(zhǎng)/復(fù)葉、花器官和種子小、同一物種表型變異大等特性。除了成像技術(shù)外，牧草表型自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)還應(yīng)具有以下功能：土壤水分動(dòng)態(tài)檢測(cè)、自動(dòng)灌溉/稱重、花盆自動(dòng)傳輸、自動(dòng)控溫控光、葉片溫度感知、牧草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值活體無(wú)損傷檢測(cè)、地上/地下生物學(xué)估算等。

3.10 快速育種

縮短牧草世代間隔，加速后代純合速度可大幅提高育種效率。快速育種（speed breeding）不以種子產(chǎn)量為目的，通過(guò)延長(zhǎng)光照時(shí)間提前開(kāi)花、收獲生理成熟種子人工干燥（減少種子后熟時(shí)間）等方法，縮短牧草生育期。南繁加代一年只能繁育兩代，但人工控溫、控光可進(jìn)一步提高育種效率。通過(guò)多年探索，科研人員已經(jīng)建立了多種長(zhǎng)日照作物的快速育種技術(shù)，光照長(zhǎng)度采用22 h，通過(guò)提前收獲和增加種植密度，完成春小麥、大麥、鷹嘴豆（Cicer arietinum）及豌豆（Pisum sativum）1 年繁殖6 代［39］。對(duì)于短日照作物，適當(dāng)縮短光照長(zhǎng)度也可縮短生育期。快速育種可以克服牧草多年生、生育期長(zhǎng)、多倍體的不足，在牧草雜交后代純化、轉(zhuǎn)基因植株純化和基因編輯植株外源基因分離等育種過(guò)程中具有重要的科學(xué)價(jià)值。可加速牧草雜交后代純化、轉(zhuǎn)基因植株純化、基因編輯植株外源基因分離以及作圖群體、重組自交系和近等基因系等構(gòu)建。

除上述10 個(gè)科學(xué)問(wèn)題外，下列科學(xué)問(wèn)題同樣重要，由于篇幅所限，不在此一一贅述。如耐鹽堿、耐低溫、耐澇、抗紫外、耐瘠薄、耐放牧踐踏、耐生存競(jìng)爭(zhēng)等的機(jī)理與新品種選育，花期調(diào)控、自交不親和的分子機(jī)理與應(yīng)用，重要牧草的起源、系統(tǒng)進(jìn)化與物種形成機(jī)制，全基因組選擇評(píng)估育種群體重要性狀的遺傳潛力，牧草新品種的認(rèn)證與保護(hù)等。

4 結(jié)語(yǔ)

牧草育種關(guān)系國(guó)家的食物安全和生態(tài)安全，決定生態(tài)、生產(chǎn)的協(xié)調(diào)發(fā)展。客觀上，牧草育種面臨眾多難題，如物種多、多年生、多倍體、異花授粉、基因組復(fù)雜、遺傳轉(zhuǎn)化難等。主觀上，與農(nóng)作物相比，國(guó)家投入少、成果產(chǎn)出低、研究平臺(tái)差，作為牧草之王的紫花苜蓿從未被納入我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主體，得到應(yīng)有的重視。例如，近20 年與牧草育種有關(guān)973 項(xiàng)目?jī)H有2 個(gè)，2020 年底中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A 類）“創(chuàng)建生態(tài)草牧業(yè)科技體系”，其中“牧草新品種定向分子選育”是該專項(xiàng)包含的6 個(gè)項(xiàng)目之一。與水稻、小麥、玉米等農(nóng)作物，或者與林木和蔬菜相比，國(guó)家在牧草育種上支持力度亟須提高。上述客觀和主觀上的原因，導(dǎo)致牧草育種難以支撐國(guó)家的食物安全和生態(tài)安全，成為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”問(wèn)題。

筆者認(rèn)為，我國(guó)牧草育種的3 個(gè)關(guān)鍵瓶頸是：種質(zhì)資源、組學(xué)數(shù)據(jù)和遺傳轉(zhuǎn)化（圖3）。依據(jù)面向育種科技前沿和面向國(guó)家重大需求，提出了10 個(gè)主要科學(xué)問(wèn)題：鄉(xiāng)土草資源挖掘與利用、落粒與休眠、雄性不育、倍性育種、生物互作、節(jié)水耐旱、從頭馴化、營(yíng)養(yǎng)優(yōu)質(zhì)、表型自動(dòng)化檢測(cè)、快速育種以及其他科學(xué)問(wèn)題等。我國(guó)牧草種類繁多，可根據(jù)牧草種植面積、國(guó)家需求等因素選擇少數(shù)牧草集中研究，同時(shí)根據(jù)先當(dāng)前后長(zhǎng)遠(yuǎn)、先易后難的原則選擇合適的科學(xué)問(wèn)題。力爭(zhēng)到2030 年，培育出一批有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的牧草新品種，尤其是在紫花苜蓿、羊草、燕麥、青貯玉米等主要牧草上培育出“突破性”的新品種，保障草食畜牧業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)治理用種，期望在短時(shí)間內(nèi)縮短與美國(guó)等國(guó)家牧草育種水平上的差距，并引領(lǐng)全球牧草育種水平。