飼用燕麥育種研究進展與展望

葉雪玲，甘圳，萬燕，向達兵，鄔曉勇，吳琪，劉長英，范昱，鄒亮

（成都大學食品與生物工程學院，農業(yè)農村部雜糧加工重點實驗室，四川省雜糧產業(yè)化工程技術研究中心，四川 成都 610106）

燕麥（Avena sativa）是禾本科（Gramineae）燕麥屬（Avena）一年生草本植物，不僅是重要的雜糧作物，還是優(yōu)質的飼用植物。燕麥具有耐瘠薄、耐鹽堿、耐干旱、耐嚴寒等耐極端環(huán)境的突出特點，適應性廣，可大范圍推廣種植。隨著我國畜牧業(yè)快速發(fā)展的強勁需求，燕麥已發(fā)展成為重要的飼用作物。根據世界糧農組織統計數據記錄與分析，截至2021年，我國燕麥種植面積約77萬hm2，籽粒產量達62.5萬t，其中全國燕麥商品草種植面積超過17萬hm2，生產燕麥干草130多萬t。飼用燕麥具有產量高、營養(yǎng)價值高、適口性好、消化率高、適于青貯和調制干草等諸多優(yōu)點，最為重要的是種植飼用燕麥可以解決冬春草場牧草供應不足的重大問題，是保護草地資源，促進草地畜牧業(yè)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關鍵。同時，發(fā)展飼用燕麥也可以實現燕麥干草的自給自足，減少進口的依賴性。因此，在產業(yè)需求、飼料安全和國家政策的支持和引導下，飼用燕麥的種植面積不斷擴大，對新品種的需求也日益迫切，對飼用燕麥的育種工作也提出新的挑戰(zhàn)。

縱觀我國燕麥的育種歷史，從20世紀50年代至今經歷了農家種篩選、系統選育、品種間雜交、遠緣雜交4個主要階段［1］。目前培育出經全國草品種審定委員會審定登記的飼用燕麥品種15個（截至2021年），主要在青藏高原、內蒙古、新疆和甘肅等地區(qū)種植［2-5］。而國外的燕麥育種工作已有上百年的歷史［6］。由于我國飼用燕麥產業(yè)起步較晚，基礎薄弱，導致飼用燕麥的育種和科研工作發(fā)展緩慢，缺乏育種新技術、新品種。因此，本研究旨在綜述飼用燕麥的育種進程，從種質資源、育種目標、育種技術和育種成果等方面進行梳理總結，結合現代飼用燕麥產業(yè)需求，分析飼用燕麥育種的重點、難點和熱點問題，以期為我國飼用燕麥育種的現代化發(fā)展提供指導。

1 飼用燕麥種質資源研究現狀

1.1 種質資源的收集

目前，全世界已知的燕麥屬物種有30個，廣泛種植的燕麥為普通栽培燕麥，主要分布于歐洲、北美洲和亞洲北緯40°以北的溫帶地區(qū)［5］。包括俄羅斯、加拿大、中國、美國、巴西、烏克蘭、波蘭、芬蘭、德國、西班牙、瑞典和英國等。此外，大洋洲和南美洲等地區(qū)也有栽培燕麥的種植，比如澳大利亞、新西蘭和阿根廷等［7］。根據燕麥籽粒是否有麩皮包裹可分為皮燕麥和裸燕麥。國外大多數種植帶麩皮的皮燕麥，主要用于飼養(yǎng)家畜家禽；而我國是裸燕麥的起源地，一直以栽培裸燕麥為主，在北方地區(qū)又稱莜麥，主要種植于東北、華北、西北和西南等高寒地區(qū)。其中裸燕麥種植量占燕麥種植總量的90%［8-9］，收獲的籽粒主要用于食用，莖葉部分用于飼喂牲畜。隨著我國畜牧業(yè)的大力發(fā)展，對牧草的需求量也日益增大。飼用燕麥由于其優(yōu)異的抗逆性和營養(yǎng)品質成為優(yōu)勢牧草，得到了大力推廣。根據中國奶業(yè)協會、中商產業(yè)研究院數據整理統計分析，從2015（15.15萬t）到2020年（33.5萬t）間，我國的燕麥干草進口總量總體呈上升趨勢（圖1）。為了滿足我國畜牧業(yè)的飼喂需求，降低燕麥干草進口的依賴性，保障我國的飼料安全，國家也陸續(xù)出臺了“草牧業(yè)”“糧改飼”“引草入田”等政策，飼用燕麥得到了大面積推廣種植。在2021年，我國燕麥干草進口量急劇下降至21.22萬t（圖1）。同時，飼用燕麥的大力推廣，也是對天然牧場生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的保護。但由于我國飼用燕麥產業(yè)及科研育種起步較晚，高產優(yōu)質品種稀缺，因此要加快飼用燕麥育種工作的推進。

圖1 2015-2021年中國燕麥干草進口情況統計Fig.1 Statistics on the oat hay imports in China from 2015 to 2021

育種工作的第一步就是種質資源的收集。種質資源是作物育種的物質基礎；是農業(yè)的“芯片”；是農業(yè)原始創(chuàng)新的根本；更是保護作物多樣性，確保作物可持續(xù)發(fā)展，保障國家糧食安全的戰(zhàn)略性資源物資。目前，全世界共有燕麥屬種質資源13萬余份，其中有一半以上種質資源為育成品種［10］。對我國而言，首先應該摸清家底，對燕麥種質資源進行收集和保護。我國燕麥種質資源收集開始于20世紀50年代，以北“冀晉蒙”3省為首開展了燕麥農家品種的收集保存工作［1，11］，截至目前，我國國家種質資源庫擁有燕麥種質資源5282份，涵蓋29個種，保有數量居世界第五位［5］。其中，有2099份種質資源均從國外引進，來源于28個國家，涉及29個種。這些引進種質資源主要來自加拿大（1041）、丹麥（502）、匈牙利（52）、前蘇聯和俄羅斯（84）、美國（64）和澳大利亞（24）等［3］；原產于我國的種質資源3183份，大多數為食用裸燕麥，而飼用燕麥占比較少。飼用燕麥中大多數來自青海、內蒙古、新疆和甘肅等高寒牧區(qū)。青海省的牧草品種資源研究開始于20世紀60年代，到2006年，青海省共收集到飼用燕麥種質資源759份，提交給國家中期種質資源庫530余份［12］。從20世紀60年代起，內蒙古農業(yè)科學院燕麥育種團隊通過不同途徑引進了包括皮燕麥和裸燕麥在內的各類燕麥種質資源300余份［2］。2004年，白銀市農業(yè)科學研究所從美國農業(yè)部種質資源中心引進了179份燕麥品種及2份（paul和stark）優(yōu)質栽培燕麥品種［13］。同時，國外對燕麥種質資源的收集也非常重視，前蘇聯對燕麥種質資源的收集可追溯到19世紀，至今已擁有燕麥種質資源3萬份［14］。美國是飼用燕麥的生產大國，根據美國國家植物種質系統（U.S.National Plant Germplasm System）記載，目前擁有包括22個種在內的燕麥屬種質資源28621份，經過系統鑒定評價的種質資源約20496份。其中，栽培燕麥種質資源共13540份。截至2014年5月，加拿大植物基因資源庫（plant gene resources of Canada，PGRC）共收集燕麥屬種質資源27790份［15］。目前，歐洲國家已收集燕麥屬種質資源1981份，涵蓋7個種，其中栽培燕麥最多，共1881份。這些種質資源主要來自德國（1589份），捷克共和國（81份），意大利（63份），北歐國家（55份），羅馬尼亞（81份），斯洛伐克（16份），瑞士（21份），荷蘭（75份）等?？梢钥闯觯啾扔趪庋帑湻N質資源的收集保存和鑒定評價情況，我國的燕麥種質資源保有量還遠遠不夠，對種質資源的鑒定評價及數據存取共享等工作也需進一步加強。

1.2 燕麥種質資源的鑒定評價

種質資源種類繁多，豐富多樣。根據《燕麥種質資源描述規(guī)范和數據標準》［16］記錄，燕麥種質資源可分為6類，包括野生資源、地方品種、選育品種、品系、遺傳材料和其他資源。每一類種質資源都具有其特性，根據其特點不同，選擇利用的方式也不同。對種質資源的占有量和研究利用的廣度與深度是決定育種工作成敗的關鍵。為了對燕麥種質資源進行高效利用，需要對收集的燕麥種質資源進行系統的鑒定評價，包括對植物學特征、農藝學特點、生物學特性的研究分析。本研究根據鑒定方法的不同，從表型、核型和分子遺傳多樣性三方面分別進行歸納總結，為飼用燕麥種質資源的選擇和創(chuàng)新利用奠定基礎。

1.2.1 表型鑒定 表型鑒定是對植物形態(tài)學特征的研究，是指在植物生長發(fā)育過程中，對其肉眼可見或儀器測量的外部特征的客觀的科學評價。表型性狀是對分子遺傳特點的直觀反映，是對植物特性歸類的基本判斷標準，更是對燕麥育種工作的重要參考。不同種質資源間，其表型性狀存在一定差異。根據《燕麥種質資源描述規(guī)范和數據標準》［16］規(guī)定，表型性狀主要包括生長發(fā)育過程中的農藝性狀、相關產量性狀和品質性狀等。而在飼用燕麥的綜合評價中，更關注品質、產量和抗逆性三方面的性狀［4，17］。品質高主要是指蛋白質、粗脂肪、中性洗滌纖維等營養(yǎng)成分含量高，且要莖葉柔軟，適口性好。產量指籽粒作為家畜的精飼料和作為青干草的產草量，這就要求飼用燕麥的莖葉比較低，干物質較高。由于飼用燕麥多種植于海拔較高、積溫較低的青海、內蒙古、新疆和甘肅等高寒牧區(qū)，生態(tài)環(huán)境較為惡劣?？购?、耐旱、適應性強、生育期短等是重點關注的特性。目前，不少研究者對燕麥種質資源進行了全面的表型鑒定，涉及株高、分蘗、莖粗等農藝性狀，穗粒數、穗粒重、千粒重等產量性狀，淀粉含量、蛋白質含量、β-葡聚糖含量等品質性狀，抗冠銹病、抗大麥黃矮病毒等抗病性狀等，總共超過60多種表型性狀［5，10，14，17-29］。加深了人們對燕麥全面科學的認識，更為飼用燕麥的綜合評價及育種篩選工作提供了充分的參考。

1.2.2 核型鑒定 植物染色體的核型反映其染色體水平的整體特征，主要包括染色體結構、染色體形態(tài)和染色體功能間的相互關系。核型鑒定是植物細胞遺傳學研究的一種重要方法，在物種分類、起源進化、物種間親緣關系和遠緣雜交鑒定方面發(fā)揮了重要作用。燕麥屬為一年生禾本科植物，通常可分為二倍體、四倍體和六倍體三大類。目前，在已知的30個燕麥屬中，有二倍體物種15個，四倍體物種9個，六倍體物種6個［16］。通常栽培的飼用燕麥為六倍體普通燕麥，種質資源豐富多樣。同時，二倍體和四倍體燕麥屬物種中具有非常多優(yōu)異的抗病蟲害及抗逆性特征，是育成飼用燕麥的優(yōu)質基因資源［3］。

利用C-分帶技術和原位雜交（in situ hybridization，ISH）技術可以直觀地鑒定不同倍性、不同染色體結構的燕麥屬材料，以便對不同染色體屬性的燕麥種質資源進行分類［3，30-32］，極大地規(guī)范并豐富了燕麥種質資源庫。同時，將核型鑒定與不同分子技術相結合，明確不同染色體屬性的燕麥間的進化關系和親緣關系［32-39］。例如，Shelukhina等［33］使用C-分帶技術和原位雜交技術對3個四倍體燕麥屬物種（四倍體祖先種、大燕麥和墨菲燕麥）進行核型鑒定，發(fā)現雖然3個物種均由同一個四倍體祖先進化而來，但四倍體祖先種和大燕麥具有更近的親緣關系，而墨菲燕麥的進化相對于其他兩個物種是獨立進行的。Badaeva等［35］利用C-分帶技術、原位雜交技術和RAPD分子標記對4個四倍體燕麥物種（埃塞俄比亞燕麥，瓦維洛夫燕麥，細燕麥和阿加迪爾燕麥）與5個不同A基因組類型的二倍體物種（威氏燕麥As，長穎燕麥Al，加拿大燕麥Ac，大馬士革燕麥Ad，葡萄牙燕麥Ap）進行鑒定比較，研究結果表明，以上4種四倍體燕麥屬的AB基因組均相同，且埃塞俄比亞燕麥、瓦維洛夫燕麥和細燕麥間親緣關系更近；具有As基因組的二倍體威氏燕麥是A基因組祖先的可能性最高。Jiang等［32］利用燕麥基因組序列信息，設計了應用于熒光原位雜交的新的寡核苷酸探針，對二倍體短燕麥、威氏燕麥、偏凸燕麥和六倍體普通野燕麥、大粒裸燕麥和普通栽培燕麥進行鑒定，建立了能識別普通栽培燕麥的高分辨率標準核型，能精確確定其某些染色體易位的斷裂點。這種新的通用染色體識別系統將成為通過比較細胞遺傳學和基因組方法描述燕麥物種之間遺傳多樣性、染色體重排和進化關系的有力工具。此外，核型鑒定還可用于遠緣雜交后代的分析，篩選和研究引入的優(yōu)異基因資源［40-47］，為優(yōu)質飼草燕麥品種的選育提供育種原材料。

1.2.3 分子遺傳多樣性鑒定 分子標記可檢測生物體DNA水平上的遺傳多樣性，是檢測種質資源遺傳多樣性的有效工具。具有穩(wěn)定性好，不受外界環(huán)境等因素影響的特點，同時具有標記數量多，多態(tài)性豐富，檢測方法迅速、簡單、重復性好等優(yōu)點。利用分子標記對種質資源進行深入鑒定和評價，可為拓寬遺傳背景，實現種質資源高效利用提供參考。目前，分子標記已在燕麥種質資源遺傳多樣性檢測方面得到廣泛使用。Fu等［48］利用5對AFLP標記對來自全球79個國家的670份栽培燕麥的核心種質進行遺傳多樣性分析，結果表明燕麥的遺傳變異具有一定的國家和地理區(qū)域特點，其中，來自俄羅斯和美國的燕麥種質資源多樣性最為豐富，而來自地中海的種質資源最為獨特，不同類型燕麥間遺傳多樣性有一定差異，地方品種與非地方品種具有相似的AFLP變異模式，以上研究對于了解栽培燕麥的馴化具有重要意義，可用于劃分燕麥種質的種內多樣性，開發(fā)燕麥集合的特定核心亞群，探索燕麥改良基因的新來源。Tinker等［49］利用1295個非冗余的DArT標記對來自世界各地的182個栽培燕麥進行遺傳多樣性分析，結果表明燕麥多樣性的主要集群與冬春性有關，并且與當地的主要育種項目有關。He等［50］利用61個SSR、201個AFLP和1056個DArT標記對94份來源于北歐國家和德國的燕麥種質資源進行遺傳多樣性分析，結果顯示從地方品種過渡到育成的早期栽培品種，遺傳多樣性顯著降低，而現代育成品種的多樣性并無顯著降低，該結果為利用北歐種質庫燕麥種質資源提高育成品種遺傳多樣性提供了參考。此外，還有不少研究者利用不同類型的分子標記對各種燕麥種質資源進行遺傳多樣性鑒定［10，14，19，21，24，28，51-53］，揭示了不同倍性、不同種間、不同種類、不同基因型的燕麥種質資源的分子差異和遺傳多樣性特點，有助于在科研和育種中對燕麥種質資源的高效選擇和利用，也有利于稀缺優(yōu)質種質資源的鑒定和保護。

2 飼用燕麥育種研究進程

燕麥作為重要的禾本科作物，距今已有3000多年的栽培歷史［6］。經過長久的栽培馴化，普通栽培燕麥遺傳背景趨于狹窄，多樣性降低，抗病蟲害能力退化，產量難以突破。而世界人口又不斷增多，人們生活水平也不斷提高。目前的燕麥生產已經不能滿足人們對飼喂、果腹和營養(yǎng)方面的迫切需求。為了提高燕麥品種的質量與數量，國內外的育種工作者在燕麥育種工作中都做出了不懈的努力。

2.1 國內燕麥育種進程

我國以栽培裸燕麥為主，主要用于食用，少部分用于飼喂牲畜。在畜牧業(yè)不斷發(fā)展的今天，對飼用燕麥的需求日益迫切。而我國燕麥的科研與育種工作起步較晚，從20世紀50年代起，我國開啟了科學系統的燕麥育種工作，前后經歷了農家種篩選、系統選育、品種間雜交和遠緣雜交4個主要階段［1］。在國家的大力支持和科研工作者的不斷努力下，我國的燕麥育種工作也取得了不菲的成績。

2.1.1 農家種篩選 20世紀50年代初，我國開始系統地進行燕麥種質資源收集工作，為育種工作奠定了物質基礎。育種工作者從收集的眾多燕麥種質資源中篩選出產量高、品質好的燕麥品種進行大面積推廣，這些品種中以農家品種為主。對優(yōu)質農家品種的篩選推廣，是燕麥育種工作開展初期的主要育種方法，使燕麥產量得到了一定的提高。當時育成的典型代表品種有：五寨三分三、李家場、北山老燕麥、老燕麥、玉麥、小莜麥等［1，54］。

2.1.2 系統選育 20世紀60年代初，由于我國燕麥種質資源研究起步晚，種質資源收集有限，可利用的優(yōu)質燕麥種質資源較少，且育種技術尚不成熟，于是較多地引進國外品種，再通過系統選育形成燕麥新品種進行推廣。20世紀60年代以前以種植地方品種為主，而60年代以后以種植國外引進品種為主。中國農業(yè)科學院作物科學研究所等單位從前蘇聯、加拿大、歐美等國家引進了一批燕麥品種，經過近10年的篩選鑒定和全國區(qū)域性試驗示范，在20世紀70年代前后推廣了華北1號、維爾1998（華北2號）、永75、永492（小465）、壩選1號、壩選3號（赫波1號）、大鈴早、李家場、青引1號和2號、魁北克、甜燕2號、KONA和Haywire等一批抗倒伏性強、單產高的優(yōu)良品種以及飼用燕麥品種丹麥444、蘇聯燕麥、青永久001、青永久473、LENA和YTY等［1，55-57］。

2.1.3 雜交育種 20世紀60年代初期，我國科研人員已經意識到在育種工作中僅利用地方品種和引進品種的局限性，于是開始進行燕麥雜交育種工作的嘗試。通過對燕麥開花習性的長時間觀察和規(guī)律摸索，我國育種工作者成功掌握了燕麥品種間的雜交技術和雜交育種方法。直到70年代末80年代初，通過雜交育種方法先后培育了燕麥新品種雁紅10號、晉燕4號（雁紅11號）、晉燕3號、早熟1號、青燕1號等［1，58］，育種成果顯著。

2.1.4 遠緣雜交育種 為了拓寬燕麥遺傳背景，突破育種瓶頸，在20世紀70年代初，我國又開始了皮裸燕麥間、不同倍性間的燕麥遠緣雜交工作。由于遠緣雜交物種間的雜交不親和、分離世代長和穩(wěn)定性差等系列問題，導致外緣優(yōu)異基因使用困難。經過無數科研工作者的長期努力，目前通過多次授粉、多次回交、幼胚拯救、染色體加倍、花粉管導入等各種技術手段成功育成了一系列抗旱、抗倒伏、抗病、高產、高蛋白的優(yōu)異新品種［2，11，59-60］。例如：晉燕5～9號、20-1、花早2號、花中21號、花晚6號、壩莜1號、壩莜9號、遠雜一號、定燕2號、蒙飼燕1號、蒙飼5號等［1，60-61］，得到了廣泛的認可。

目前，我國飼用燕麥育種工作取得了一定成果。在2002-2021年間，經全國草品種審定委員會審定登記的飼用燕麥品種15個，其中育成品種3個、引進品種11個、地方品種1個。飼用燕麥是青海、甘肅、內蒙古、新疆等地區(qū)家畜的主要飼料，因此，青藏高原、內蒙古和新疆地區(qū)是我國飼用燕麥的主要種植地區(qū)，飼用燕麥的育種也主要集中在以上地區(qū)。我國在飼用燕麥育種上已經取得一定進展，提高了飼用燕麥的育種水平，并加強了生理、生化和遺傳基礎理論的研究，但與發(fā)達國家相比，我國飼草燕麥的總體育種水平還比較低，特別是在育成品種的質量、育種手段、育種理論與技術應用等方面具有較大的差距。

2.2 國外燕麥育種現狀

俄羅斯、加拿大、美國等燕麥生產大國的常規(guī)雜交育種和品種引種工作已經持續(xù)了上百年［6］。早在1788年，第一個有記錄［62］的燕麥育種選擇工作發(fā)生于英國北部的土豆（Solanum tuberosum）種植地。第一例燕麥雜交工作報道于1873年［63］，而直到1930年［62，64］，燕麥雜交育種工作才真正被大家廣為知曉。在歐洲國家，雜交技術在燕麥育種工作中的利用早于美國（1925年）［62］。同時，國外以種植皮燕麥為主，主要用于飼喂牲畜，飼用燕麥育種發(fā)展早于也優(yōu)于我國。

國外燕麥的育種工作大概經歷了引種、選育和雜交3個主要階段［64］。早在18世紀末期，美國先后引進了許多著名的適應性良好的燕麥品種，比如Red Rustproof、White Russian、Silvermine和Kherson等［65］。由于引種材料中存在部分混雜，燕麥育種工作者便利用“純系選擇”或“單株選擇”的方法從混合材料中分離出產量最高和適應性最好的基因型。其中代表品種有Burt、Fulghum和Albion等［65］。直到1930年，雜交手段成為了現代育種家的主要育種技術［64］，育成了一大批高產、抗病、矮稈、高蛋白的燕麥新品種［9，17，62，64，66-69］。根據歐盟國家植物品種數據庫記錄，目前登記在庫的普通栽培燕麥品種約384份，其中法國44份、德國38份、波蘭33份、意大利23份、西班牙21份、奧地利19份等。根據美國種質資源信息網的記載，目前在該資源庫經過認證的燕麥品種有138個。加拿大政府官網登記的燕麥品種255份。蘇格蘭燕麥品種庫登記品種約196份。可以看出，國外燕麥育成品種豐富多樣，品種數據庫建立完善，值得學習借鑒。

3 飼用燕麥分子育種研究進展

在我國燕麥育種工作人員的不斷努力下，飼用燕麥常規(guī)育種取得了重大成就，育成蒙燕1號、草莜1號、白燕7號、壩燕1號和4號、青燕1號、隴燕1至3號、草莜1號等突出品種［4］。但由于常規(guī)育種時間周期較長，投入的人力物力成本較高，在如今飼用燕麥需求迫切的情況下，必須提高育種技術，加快育種進程。特別是六倍體栽培燕麥及其最可能的祖先種高質量參考基因組序列的陸續(xù)公布［70-71］，進一步推動現代分子技術在燕麥遺傳育種工作中的應用與發(fā)展，促進分子標記在飼用燕麥中的研究利用，加快燕麥基因的深入挖掘，為分子標記輔助選擇（marker-assisted selection，MAS）在燕麥育種中的利用奠定基礎。鑒定到與目標基因緊密連鎖或共分離的分子標記是MAS在燕麥育種中的關鍵。目前，與目標基因緊密連鎖或共分離的分子標記的獲得主要通過基因連鎖定位和全基因組關聯分析兩種方法。

3.1 基因連鎖定位

基因連鎖定位是指利用功能基因與分子標記之間的連鎖與重組，通過計算分子標記與功能基因之間的交換率來確定功能基因在染色體上的具體位置。作物中，許多重要的性狀都是數量性狀，例如株高、分蘗、葉長、葉寬等農藝性狀，籽粒數、千粒重、籽粒長、籽粒寬等產量性狀，這些性狀均受數量性狀位點（quantitative trait loci，QTL）控制。早在1993年，Penner等［72］就利用RAPD標記UBC269定位到了一個冠銹病抗性基因Pc68，這樣的鑒定方法相對簡單、準確性較低。到1995年，O’Donoughue等［73］利用561個分子標記構建了第一張六倍體栽培燕麥遺傳圖譜，打開了燕麥QTL遺傳定位研究的大門。2013年，徐微等［74］利用AFLP和SSR標記，構建了首張大粒裸燕麥的遺傳連鎖圖譜。次年，吳斌等［75］利用231對SSR標記，構建了更高密度的大粒裸燕麥的遺傳連鎖圖譜，并定位了4個β-葡聚糖含量連鎖QTL。隨著分子標記技術的發(fā)展和遺傳定位方法的提高，針對燕麥各種性狀的QTL定位也越來越多（表1），涉及燕麥生長發(fā)育的方方面面。從表1中統計的燕麥部分QTL遺傳連鎖定位研究中可以發(fā)現，多數研究均集中在抗病性和以β-葡聚糖含量為主的少數品質相關性狀方面，針對飼草燕麥非常重要的口感品質、產草量和抗逆性方面的研究相對較少。因此，科研工作者應聚焦飼草燕麥的重要性狀，深入研究，為飼草燕麥育種研究提供優(yōu)異基因資源。

3.2 全基因組關聯分析

全基因組關聯分析（genome-wide association studies，GWAS）指利用分子標記對自然群體各性狀關聯的QTL進行定位，可鑒定優(yōu)異基因位點及含有優(yōu)異基因位點的特征材料，為優(yōu)異種質資源及其優(yōu)異基因的利用提供分子參考，也為MAS提供有效分子標記。2011年，Newell等［130］首次利用402個DArT標記對全球收集的1205份燕麥種質資源進行全基因組鑒定，分析群體結構和連鎖不平衡對GWAS鑒定能力的影響，證明了在燕麥中進行GWAS的可行性，為GWAS在燕麥QTL定位研究中的利用奠定基礎。次年，Newell等［108］利用796個DArT標記對431份來自世界各地的燕麥品種的β-葡聚糖含量進行全基因組關聯分析，鑒定到3個關聯QTL，其中一個與水稻（Oryza sativa）基因家族β-葡聚糖合成酶基因CslF同源。從此打開了GWAS在燕麥QTL定位研究中的大門，至今約有近400個QTL通過GWAS方法被鑒定（表1），主要涉及β-葡聚糖含量和抗病性相關研究，缺乏對飼用燕麥重要性狀QTL的關注，因此，對飼草燕麥重點性狀QTL定位研究十分重要且迫切。

表1 燕麥基因定位信息統計Table 1 Statistics of gene information in oat

續(xù)表Continued Table

3.3 分子標記輔助選擇在燕麥育種中的利用

MAS是指借助分子標記達到對目標性狀基因型選擇的方法，因此MAS建立在獲得與目標基因緊密連鎖的分子標記的基礎上。MAS能為飼用燕麥的育種工作提供便利，能彌補傳統育種中選擇技術準確率低、時間周期長、人力物力投入大等不足，大大提高育種效率。我國飼用燕麥育種和科研工作起步較晚，還未建立MAS育種體系，目前處于基因緊密連鎖分子標記鑒定的基礎研究階段，相比于國外MAS在燕麥育種中的利用較為滯后。Asoro等［131］利用分子標記對燕麥β-葡聚糖濃度進行輔助選擇，經過兩代的選擇能有效提高目標植株的β-葡聚糖濃度，但也伴隨著出現抽穗期較晚的特征，體現了緊密連鎖分子標記是保障MAS在育種中高效利用的關鍵。目前，我國在飼用燕麥目標性狀緊密連鎖分子標記的研究方面還存在一些不足，構建的遺傳圖譜分子標記密度不高，高通量分子標記技術利用較少，精細定位及基因克隆研究不足且不深入?？傮w而言，我國MAS育種在燕麥中尚未建立，燕麥基因組及分子遺傳研究等只是MAS的分子基礎。

4 基因工程在飼用燕麥育種中的應用

基因工程又叫基因拼接技術或DNA重組技術，是指人們按照意愿定向改造生物遺傳特性的方法。目前，常用的基因工程技術主要包括轉基因技術和基因編輯技術。受限于燕麥基因組研究的發(fā)展，基因工程技術在飼用燕麥育種中的利用和研究較少。在轉基因過程中，最重要的環(huán)節(jié)就是遺傳轉化體系的建立。在基因編輯技術方面，目前成熟的、常用的方法是CRISPR-Cas9系統，但在燕麥中還鮮有報道。

4.1 燕麥遺傳轉化體系的建立

遺傳轉化體系的建立是轉基因過程中的重要環(huán)節(jié)，遺傳轉化的方法是決定遺傳轉化成敗及效率的關鍵。植物中遺傳轉化的方法很多，目前最常用的是農桿菌介導法和基因槍法。其中，農桿菌介導法多適用于雙子葉植物，基因槍法則使單子葉植物的禾谷類作物遺傳轉化成功率大大提高，但隨著研究的深入和技術的優(yōu)化，農桿菌也能在單子葉植物中成功轉化［132-134］。

早在1983年，全球第一例利用農桿菌介導的轉基因植物煙草（Nicotiana tabacum）試驗成功。1992年，明尼蘇達大學Somers等［135］利用基因槍法處理燕麥胚性愈傷組織，成功轉化了第一個可育的轉基因燕麥植株，極大地推動了燕麥基因工程的發(fā)展。之后，不少研究者通過對燕麥不同組織培養(yǎng)條件、不同外植體和不同品種的遺傳轉化條件進行探索和改進，建立了一系列燕麥遺傳轉化體系。Gless等［136］對新生長的幼葉基部片段進行微粒轟擊，形成了一種高效可再生的燕麥轉化系統。Koev等［137］使用基因槍法處理燕麥幼胚，將BYDV-PAV基因5'端一半的序列轉入燕麥，形成了一種遺傳穩(wěn)定的轉基因抗性策略，可提高燕麥對大麥黃矮病毒的抗性。Cho等［138］使用微粒轟擊成熟種子的高度再生組織，形成了一種高效且可再生的燕麥轉化體系。Kaeppler等［139］通過基因槍法將修飾的gfp基因轉到燕麥成熟胚胎組織中，成功獲得再生且可育的轉基因株系。Maqbool等［140］使用連接hva1-bar的質粒pBY520和不連接gus基因的質粒pAct1-D的微粒轟擊3種燕麥栽培品種的頂端分生組織的多個芽分化，最后成功轉化，形成了高效可再生的體外培養(yǎng)體系，轉入的hva1基因能顯著提高轉基因植株對鹽堿和水分脅迫的耐受性。Rout等［141］利用基因槍轟擊的方法處理燕麥頂芽分生組織，開發(fā)了一種不受基因型限制的高效再生系統。雖然利用基因槍法對單子葉禾本科植物燕麥進行遺傳轉化的成功率較高，且具有操作簡單、轉化時間短、費用較低等優(yōu)點，但也存在一些問題。Pawlowski等［142］對利用微粒轟擊方法形成的23個轉基因燕麥品系進行了多代的表達和遺傳分析，發(fā)現不同世代均出現了無規(guī)律的轉基因沉默現象。Choi等［143］同樣利用微粒轟擊方法對成熟種子的高度再生組織進行轉化，在轉化過程中施加一些包括滲透處理、微粒轟擊和抗生素選擇等脅迫，可能導致轉基因植株的染色體發(fā)生變異。Svitashev等［144］使用基因槍法對16個燕麥株系進行轉化，檢測結果表明在轉化過程中，高速的粒子轟擊可能導致和引起染色體的斷裂和重排。Cho等［145］對燕麥種子發(fā)芽后的莖尖分生組織進行粒子轟擊，形成了23個可再生轉基因株系，但轉基因植株中存在部分基因沉默或轉基因物質丟失現象。以上研究表明，基因槍法在燕麥轉基因中得到了廣泛使用，但由于其自身的技術缺陷，會引發(fā)染色體結構異常、基因沉默、DNA損傷、目標基因拷貝數變化、遺傳穩(wěn)定性差等問題［9，17，142-145］。

最初，大家廣泛認為農桿菌的宿主主要是雙子葉植物和部分裸子植物，農桿菌介導的轉化方法在單子葉植物中應用難以成功。但隨著對農桿菌侵染機理的深入研究，農桿菌介導的轉化方法可以成功應用于單子葉植物，例如小麥（Triticum aestivum）、水稻、玉米（Zea mays）等主要農作物［132-134］。2008年，Gasparis等［146］首次在3個燕麥品種中采用農桿菌介導的方法轉化成功，并發(fā)現不同組織及不同品種在轉化能力和轉基因表達方面有所不同。Oraby等［147］通過農桿菌介導的方法將CBF3基因成功轉入燕麥，鹽脅迫下該轉基因植株的生理生化性狀和產量均保持良好，進一步證實CBF3是增強燕麥耐鹽性的關鍵調控基因。相比于基因槍法，農桿菌介導的遺傳轉化相對穩(wěn)定，重復性好，基因沉默現象少，表達效果更好［9，146-147］。

國外研究者在燕麥遺傳轉化體系建立上獲得了初步成功，而我國的燕麥遺傳轉化體系研究緊隨其后。1998年，萬士梅［148］使用基因槍法成功轉化獲得含有bar基因的轉基因燕麥植株，自交產生了穩(wěn)定表達的轉基因后代。張藝［149］通過對不同組織培養(yǎng)條件、農桿菌液侵染濃度、共培養(yǎng)時間和溫度的探索，成功將類產堿假單胞菌的殺蟲毒蛋白基因ppIP轉入燕麥。王迅婧［150］探索出“白燕10號”穩(wěn)定高效的組織培養(yǎng)和植株再生體系方法，成功建立了農桿菌介導的燕麥遺傳轉化體系。張麗君等［151］成功建立了利用農桿菌侵染劃傷燕麥種子的轉化體系，為獲得穩(wěn)定遺傳轉基因植株奠定基礎。李慶華［152］以壩莜1號為材料，建立了農桿菌侵染創(chuàng)傷胚的轉化體系，轉化成功率為3.17%。雖然在燕麥中，農桿菌介導的轉化體系相對較好，但也存在一些問題。早期人們多數以胚性愈傷材料作為轉化受體，雖然再生率較高，但培養(yǎng)時間長達6個月之久，再加上育性不高，遺傳穩(wěn)定性差等問題，嚴重限制了燕麥的遺傳轉化效率。因此，今后應該加強燕麥組織培養(yǎng)技術及培養(yǎng)條件的研究，建立高效且穩(wěn)定的遺傳轉化體系。

4.2 燕麥轉基因技術的應用

在燕麥的基礎研究和應用生產方面，轉基因技術的成功利用有助于目標基因的功能驗證及優(yōu)異新品種的培育。但是目前，由于其經濟屬性及政策原因，轉基因技術在燕麥中的應用還處于科研環(huán)節(jié)，無論國內國外，市面上沒有推廣的燕麥轉基因品種。由于燕麥基因組的復雜性及基因研究的局限性，燕麥轉基因技術目前僅用于基礎研究。自1992年第一個轉基因燕麥誕生后［135］，轉基因技術曾多次用于燕麥基因功能的驗證［140，147，153］，將轉基因技術成功應用于燕麥育種是今后研究的迫切目標。因此，應該夯實燕麥基因組研究基礎，加強轉基因技術在生產應用方面的研究，利用轉基因技術將飼用燕麥中具有重要生產應用價值的目標基因成功轉入燕麥，創(chuàng)造理想的飼用燕麥品種，推動飼用燕麥育種又好又快發(fā)展。

4.3 燕麥基因編輯技術

目前，常用的基因編輯技術是CRISPR-Cas9系統，又稱為第三代基因編輯技術。在模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）及主要糧食作物基因功能研究和性狀改良方面利用較多，但在燕麥中的利用鮮有報道。我國的武志娟［154］首次利用CRISPR/Cas9基因編輯技術對燕麥“拿捕凈”除草劑作用靶蛋白乙酰輔酶A羧化酶基因（ACCase）進行編輯，成功獲得兩株Cas9編輯所產生的突變植株，為基因編輯技術在燕麥分子育種中的應用提供了實驗依據。次年，于東洋等［155］利用CRISPR/Cas9技術成功敲除燕麥乙酰輔酶A羧化酶（ACCase）基因，但沒有完成靶向敲除，該試驗可為后續(xù)燕麥基因組編輯工作提供參考。由于目前對燕麥基因組研究有限，CRISPR技術應用較少，今后應該加快燕麥基因組的深入研究，推動CRISPR技術在燕麥中的利用，通過基因定向編輯實現燕麥性狀的高效快速改良。

5 結語

雖然我國的燕麥育種工作已取得了不少成果，但育成的飼用燕麥品種較少，其中專用型飼用燕麥品種更少。面對國內飼用燕麥產業(yè)的強勁需求及國外燕麥新品種及新技術的發(fā)展，我國燕麥育種研究工作還遠遠不夠。因此，還需要從多方面加強：1）飼用燕麥種質資源的大力收集與深入挖掘，建立專業(yè)的種質資源數據庫。雖然我國已有燕麥種質資源5282份，但飼用專用型燕麥品種資源很少。同時，相比于美國、澳大利亞、加拿大等燕麥出口大國，我國種質資源的收集研究工作更顯劣勢。除了野外采集外，應加強國際合作，進行種質資源引進與育種技術交流。特別應加強與種質資源豐富且多樣性高的友好國家的交流學習。此外，還要建立專業(yè)的種質資源數據庫，將種質資源的資料數據全面數字化，方便國內各地間的使用查詢，實現種質資源現代化管理和可持續(xù)發(fā)展。讓燕麥種質資源數據得以長期保存且大范圍利用，實現種質資源的互利共享，全國科研機構共同努力促進飼用燕麥種質資源在育種中的高效利用，以期快速高效地培育出優(yōu)質高產的飼用型燕麥新品種。2）加強地域性飼用專用型燕麥品種的培育。目前，我國專用型飼用燕麥品種資源緊缺，應加快該類品種的育種進程。同時，品種應具有適應性特點，品種培育具有地域性特征。根據不同地區(qū)不同需求，培育相應的專用型飼用燕麥品種。例如我國的飼用燕麥需求大多在高寒牧區(qū)，冬季天氣嚴寒，牧草短缺，且過度放牧導致生態(tài)失衡，培育適應性好且抗寒的飼用型專用燕麥品種，不僅能滿足飼草產業(yè)的需求，還能促進高寒牧區(qū)生態(tài)資源的可持續(xù)發(fā)展。此外，隨著全球淡水資源的短缺，我國部分燕麥種植地區(qū)干旱情況日益突出，比如西北的寧夏與甘肅等地，在2021年出現了60年不遇的大旱，導致包括燕麥、青貯玉米在內的大部分飼喂牧草及莊稼絕收。因此對于這些地方，培育耐旱的飼用燕麥新品種是非常迫切的。3）提升飼用燕麥育種技術。常規(guī)育種工作耗時耗力，效率較低，在飼用燕麥品種急缺的情況下，急需建立高效的育種方法，特別是在六倍體栽培裸燕麥的高質量參考基因組序列公布的契機下，應加快分子標記輔助選擇、轉基因技術和基因編輯技術在飼用燕麥育種中的利用。4）加強分子遺傳基礎研究。分子遺傳研究是分子技術在飼用燕麥育種中利用的基礎。例如飼草燕麥優(yōu)異基因的遺傳定位、圖位克隆、作用機理研究和基因利用。以上研究也進一步為MAS、轉基因和基因編輯技術奠定基礎。5）加強國際交流合作。目前，無論是燕麥種質資源、育成飼用燕麥品種及育種技術方面，部分燕麥主產國的發(fā)展都優(yōu)于我國，這是當前需要正視且重視的問題。加強國際的種質資源與技術交流合作，是促進我國飼用燕麥育種發(fā)展的高效方法。正如1988年在小麥中開展的國際合作—穿梭育種項目，大大促進了我國小麥育種進程［156］，這正是燕麥育種可以借鑒的成功案例。隨著分子生物技術的快速發(fā)展及高質量燕麥參考基因組的釋放，今后應該夯實種質資源收集鑒定與創(chuàng)新研究基礎，加快飼用燕麥的分子遺傳研究，為分子技術在燕麥育種中的利用奠定基礎，促進飼用燕麥育種的快速高效發(fā)展。