中國牧草育種中的若干科學(xué)問題

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“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展國家戰(zhàn)略”的重要保障，對于落實(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%，中國的草地面積占國土面積的27.6%（草地面積是耕地面積的2.1 倍，與林地面積相當(dāng)），不論是全球還是國內(nèi)，草地都是最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)。目前，我國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，牧草不僅是我國草食畜牧業(yè)發(fā)展的基石，也是我國退化草地補(bǔ)播改良的物質(zhì)基礎(chǔ)，影響著國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)，我國未來每年牧草飼料需要量將達(dá)到1000 萬t［2］。而國產(chǎn)干草存在數(shù)量少、品質(zhì)低等問題，不能滿足我國畜牧業(yè)發(fā)展的需要，因此，亟須通過國外進(jìn)口的方式改善我國牧草產(chǎn)能不足的局面。目前，我國進(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）二級及以上的苜蓿干草及其草產(chǎn)品，在我國自給率只有64%，需要從美國（約90%）和西班牙進(jìn)口。2008、2012、2015和2020 年我國優(yōu)質(zhì)苜蓿進(jìn)口量分別是1.9、46.0、120.0、135.9 萬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t（1.2 億美元）。近5 年，我國每年草種子需求量在15 萬t 左右，每年進(jìn)口草種子5 萬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，我國草種子進(jìn)口5.98 萬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，我國干草和草種國外依賴性過高，缺乏主動權(quán)，已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”問題。

1.2 牧草品種數(shù)量較少

從1987 年全國牧草品種審定委員會成立以來，共審定草品種636 個，其中苜蓿屬（Medicago）牧草114 個，紫花苜蓿品種87 個，雜花苜蓿品種20 個，其他苜蓿7 個，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），而同期美國和歐洲國家登記的牧草品種多達(dá)5000 多個。以紫花苜蓿為例，2016-2020 年我國共審定28 個品種（年均5.6 個），同期北美苜蓿改良協(xié)會（NAAIC）共審定登記354 個品種（年均70.8 個）［6］。目前，我國紫花苜蓿種子仍有80%以上依賴進(jìn)口，亟須培育出一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)且適合我國本土生長的優(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，我國牧草育種基礎(chǔ)研究發(fā)展迅速，我國科學(xué)家陸續(xù)解析了國際為數(shù)不多的牧草基因組，如鴨茅（Dactylis glomerata）［7］、紫 花 苜 蓿［8-10］、無 芒 隱 子 草（Cleistogenes songorica）［11］、長 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、美國和加拿大三國發(fā)表的文章數(shù)目，總數(shù)分別是1197、3622 和1016 篇。近30 年，美國發(fā)表文章最多，中國和加拿大接近。2005年之前，我國在紫花苜蓿研究領(lǐng)域文章稀少，接近空白，美國在該領(lǐng)域發(fā)表的文章最多；2016 年之后，年度發(fā)表文章數(shù)量我國躍居第一；2020 年，我國發(fā)表的紫花苜蓿文章數(shù)量遙遙領(lǐng)先。由此可見，我國牧草育種的基礎(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、美國和加拿大發(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，目前我國糧食產(chǎn)量的增長速度遠(yuǎn)低于人口增長的速度。在“谷物基本自給，口糧絕對安全”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)作物生長的土地。因此，我國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)研究要全面開展。

然而，我國牧草種類繁多，天然草原上就有6000余種飼用植物［17］，國家林業(yè)和草原局 2021 年 7 月公布的中華人民共和國主要草種目錄也包含了120 個物種。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，我國科學(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）?！澳敛葜酢鄙星胰绱耍渌饕敛萑缪虿荩↙eymus 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 個條件：即突變體庫、基因組并具備高效遺傳轉(zhuǎn)化體系，當(dāng)時最符合條件的植物是擬南芥（Arabidopsis thaliana）和水稻。時至今日，滿足這3 個條件的植物越來越多，如玉米、小麥和蒺藜苜蓿（M. truncatula）等，有了這3 個平臺，就可以從正向遺傳學(xué)或反向遺傳學(xué)對植物的重要性狀進(jìn)行深入的解析。但是，對于牧草，絕大多數(shù)物種還不具備這3 個條件，嚴(yán)重地制約著牧草育種的快速發(fā)展。

我國的飼用植物涵蓋5 門246 科1545 屬，共計(jì)6704 個物種，近20 年來保存種質(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。尤其是隨著草地過度放牧、氣候變化、城鎮(zhèn)化、土壤污染、采礦、外來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)評價以及共享，尤其是對重點(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，具體見陳志宏等［19］的研究，將來通過高通量測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、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，為通過反向遺傳學(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，還可以通過人工雜交和自交等方法，構(gòu)建雜交群體、回交群體，將來用于高密度遺傳圖譜構(gòu)建，也用于重測序定位目標(biāo)基因。

2.2 組學(xué)數(shù)據(jù)

任何一個物種基因組的首次破譯，對該物種的基礎(chǔ)研究而言都具有劃時代意義，會為人類研究該物種開辟出新的分子生物學(xué)工具，如物種特異性分子標(biāo)記開發(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”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”和“新疆大葉”都屬于M. sativasubsp.sativa，僅僅解析一個亞種的基因組對于研究紫花苜蓿復(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，極大地推動了紫花苜蓿的基礎(chǔ)研究。由于當(dāng)時缺乏基因組，所有轉(zhuǎn)錄組文章都采用無參組裝，存在以下不足，如轉(zhuǎn)錄組組裝質(zhì)量較差、測序方法不一致、測序品種不統(tǒng)一、取樣不夠精細(xì)、不同轉(zhuǎn)錄組之間沒有可比性及缺乏一個權(quán)威的紫花苜蓿組學(xué)數(shù)據(jù)庫等。因此，紫花苜蓿的轉(zhuǎn)錄組仍有很多工作需要做。同時，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。任何一個物種，高效遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立將為其打開轉(zhuǎn)基因育種、基因編輯育種和反向遺傳學(xué)的大門。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，國際上牧草的基因編輯報(bào)道不多，我國科學(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，對當(dāng)?shù)赝寥?、氣候等自然環(huán)境具有良好適應(yīng)性的草類植物，是相對引進(jìn)植物而言的，如我國東北的羊草、堿茅（Puccinellia chinampoensis）等，西北的無芒隱子草、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，比外來引進(jìn)牧草更適合于草原修復(fù)和生態(tài)治理。

圖3 我國牧草育種的關(guān)鍵瓶頸與主要科學(xué)問題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)致以往對鄉(xiāng)土草的關(guān)注不夠，缺少積累。建議我國各個省區(qū)開展鄉(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，就會限制其擴(kuò)繁和推廣。對野生植物而言落粒是一個有利性狀，有助于種子的傳播和種群的擴(kuò)張；但對栽培作物而言，落粒是一個不利性狀，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 年會成為其他后茬作物的雜草，危害后茬作物生長［24］。因此，任何牧草新品種，在選育過程中都必須盡可能地破除落粒這一劣性。落粒是一個數(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，休眠對種子安全度過非適宜生長期、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，偶見生理性休眠。從蒺藜苜蓿Tnt1 突變體庫發(fā)現(xiàn)，KNOX4基因通過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、精確評價落粒/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)勢利用的有效工具，具有非常重要的理論和應(yīng)用價值?？茖W(xué)家已經(jīng)在擬南芥、水稻和玉米中鑒定了上百個雄性不育基因。我國的水稻雜交育種經(jīng)歷了3 個世代，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。這些特性對農(nóng)作物而言意義不大，但對以地上營養(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無性繁殖克服，禾本科牧草可以通過分蘗或根莖擴(kuò)繁，豆科牧草可以通過扦插擴(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，通過編輯OSD1、PAIR1和REC8三個基因，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、抗病蟲等優(yōu)良特性。近年來，接種禾草內(nèi)生真菌，使其通過種子垂直傳播，通過這種方法進(jìn)行禾草育種已成為國際草業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。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，李振聲院士通過遠(yuǎn)緣雜交將長穗偃麥草［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。2020 年，孔令讓教授團(tuán)隊(duì)通過遠(yuǎn)緣雜交再次將長穗偃麥草的抗“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，我國干旱半干旱地區(qū)約占國土面積的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，而在未來溫度增高2～4 ℃和降水減少的情景下，草地生產(chǎn)力將會降低40%～90%［33］。人工草地方面，我國西北、東北和內(nèi)蒙古商品苜蓿種植面積占全國的92.0%，上述地區(qū)絕大部分處于我國干旱和半干旱地區(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ABA、油菜素內(nèi)酯、生長素等激素感知和調(diào)控，已經(jīng)鑒定了大量基因參與植物對干旱的響應(yīng)［34］。蘭州大學(xué)科研人員將無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，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劑來調(diào)控牧草的耐旱能力。

3.7 營養(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，家畜的采食對象是牧草的全部地上營養(yǎng)體，因此育種目標(biāo)是地上總生物量，以及整個地上部的粗纖維、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。我國科學(xué)家已經(jīng)在玉米中建立了大量遺傳群體，通過GWAS、突變體庫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、肉雞的個性化營養(yǎng)需要進(jìn)行新品種選育。

此外，在億萬年的進(jìn)化過程中，草類植物為了防止動物過度采食，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種質(zhì)資源；第二，建立從頭馴化技術(shù)平臺，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、聚合以及田間評估；第四，推廣應(yīng)用［37］。

幾乎所有草類植物的馴化時間短或未經(jīng)馴化，建議建立相關(guān)技術(shù)平臺編輯牧草同源基因，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

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，表型檢測與植物育種息息相關(guān)。在作物育種進(jìn)入分子時代的今天，人工方法測定作物表型，具有耗時、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)觀察作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量以及作物對生物、非生物脅迫的抗性等表型數(shù)據(jù)。作物表型自動化檢測技術(shù)是新興的研究熱點(diǎn)，對作物重要農(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）等為研究對象，已開發(fā)了多種成像技術(shù)，如可見光成像、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、雜草識別、病蟲害和產(chǎn)量預(yù)測等檢測［38］。

牧草與農(nóng)作物不同，對表型自動化檢測技術(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/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，牧草表型自動化檢測系統(tǒng)還應(yīng)具有以下功能：土壤水分動態(tài)檢測、自動灌溉/稱重、花盆自動傳輸、自動控溫控光、葉片溫度感知、牧草營養(yǎng)價值活體無損傷檢測、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，通過延長光照時間提前開花、收獲生理成熟種子人工干燥（減少種子后熟時間）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。通過多年探索，科研人員已經(jīng)建立了多種長日照作物的快速育種技術(shù)，光照長度采用22 h，通過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］。對于短日照作物，適當(dāng)縮短光照長度也可縮短生育期。快速育種可以克服牧草多年生、生育期長、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程中具有重要的科學(xué)價值。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 個科學(xué)問題外，下列科學(xué)問題同樣重要，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、耐生存競爭等的機(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

牧草育種關(guān)系國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，國家投入少、成果產(chǎn)出低、研究平臺差，作為牧草之王的紫花苜蓿從未被納入我國農(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)目僅有2 個，2020 年底中國科學(xué)院啟動了戰(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家的食物安全和生態(tài)安全，成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”問題。

筆者認(rèn)為，我國牧草育種的3 個關(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家重大需求，提出了10 個主要科學(xué)問題：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、營養(yǎng)優(yōu)質(zhì)、表型自動化檢測、快速育種以及其他科學(xué)問題等。我國牧草種類繁多，可根據(jù)牧草種植面積、國家需求等因素選擇少數(shù)牧草集中研究，同時根據(jù)先當(dāng)前后長遠(yuǎn)、先易后難的原則選擇合適的科學(xué)問題。力爭到2030 年，培育出一批有自主知識產(chǎn)權(quán)的、市場競爭力強(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，期望在短時間內(nèi)縮短與美國等國家牧草育種水平上的差距，并引領(lǐng)全球牧草育種水平。