中為黃琳凱教授，左右分別為孫敏、靳雅榮（兩人均為共同第一作者）

美洲狼尾草，又名珍珠粟，全球種植面積約達(dá)3,100萬(wàn)公頃。在我國(guó)它是重要的飼草，是草食家畜和食草淡水魚(yú)類(lèi)的優(yōu)質(zhì)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(chǎn)最高的多年生牧草之一。在非洲、印度等熱帶干旱地區(qū)，美洲狼尾草是重要的雜糧作物。

隨著人民生活水平不斷提高，我國(guó)牛羊肉、牛奶等草畜產(chǎn)品消費(fèi)大幅增加。作為畜牧業(yè)的重要基礎(chǔ)，牧草的需求量也相應(yīng)地大幅增加。然而，我國(guó)牧草產(chǎn)業(yè)發(fā)展遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，每年需要從國(guó)外大量進(jìn)口草種和干草，才能滿足需求。由于牧草嚴(yán)重短缺，有的地方甚至出現(xiàn)了把灌漿期小麥用作青貯飼料的極端現(xiàn)象，導(dǎo)致“人畜爭(zhēng)糧”矛盾出現(xiàn)。

如何用科技引領(lǐng)牧草產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是黃琳凱教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期研究的領(lǐng)域。由于牧草基因組大、重復(fù)序列及雜合度都較高，增加了基因組序列構(gòu)建的難度。2019年，該團(tuán)隊(duì)首次公布了鴨茅的高質(zhì)量參考基因組，是我國(guó)公布的首個(gè)牧草參考基因組。隨著研究的深入以及技術(shù)的進(jìn)步，構(gòu)建高質(zhì)量的圖形泛基因組成為團(tuán)隊(duì)的重要目標(biāo)。

“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(guò)發(fā)掘結(jié)構(gòu)變異，能夠更好地解析植物表型和農(nóng)藝性狀的不同，為下一步育種奠定重要的研究基礎(chǔ)?！秉S琳凱教授介紹。

圖1. 美洲狼尾草高質(zhì)量基因組組裝和泛基因組分析

通過(guò)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外多家單位，本次研究從全球8個(gè)地區(qū)收集的394份美洲狼尾草核心種質(zhì)中選取10份代表性材料，利用Pacbio HiFi等技術(shù)進(jìn)行基因組從頭組裝，獲得了高質(zhì)量的基因組組裝序列，結(jié)合一個(gè)已報(bào)道的基因組構(gòu)建了首個(gè)美洲狼尾草圖形泛基因組，發(fā)掘到424,085個(gè)結(jié)構(gòu)變異?；诜夯蚪M圖譜進(jìn)行的全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)了143個(gè)重要農(nóng)藝性狀相關(guān)聯(lián)的變異位點(diǎn)，并挖掘到與產(chǎn)量性狀相關(guān)的候選基因446個(gè)。

“有了這些成果，我們就可以加速攻關(guān)牧草業(yè)各環(huán)節(jié)‘卡脖子’技術(shù)，培育突破性牧草優(yōu)良品種，助力提升優(yōu)質(zhì)安全食物的供給保障能力，避免‘人畜爭(zhēng)糧’，為保衛(wèi)國(guó)家糧食安全貢獻(xiàn)草業(yè)人的力量?！秉S琳凱教授談到。

據(jù)報(bào)道，全球平均溫度每升高1°C，小麥產(chǎn)量將減少6%，水稻產(chǎn)量將減少3.2%，玉米產(chǎn)量將減少7.4%。當(dāng)前，全球氣候變暖已成為限制農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素，嚴(yán)重威脅世界糧食安全。解析植物的耐熱機(jī)制，從而改良植物耐熱性，培育耐高溫的農(nóng)作物是目前最重要的育種目標(biāo)之一。

圖2. RWP-RK基因家族的擴(kuò)張有助于美洲狼尾草耐熱性的形成

起源于非洲的美洲狼尾草，能夠適應(yīng)極端高溫的氣候，是研究植物耐熱機(jī)制的優(yōu)良材料。本次研究通過(guò)對(duì)水稻、玉米、高粱等多個(gè)物種進(jìn)行比較基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)美洲狼尾草中擴(kuò)張的RWP-RK轉(zhuǎn)錄因子家族和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)基因協(xié)同參與耐熱性調(diào)控，挖掘并驗(yàn)證到關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變異和調(diào)控候選基因3個(gè)，其中基因PMF0G00024.1（RWP-RK）在水稻中過(guò)表達(dá)也顯著提高了耐熱性，將為分子育種提供了重要靶點(diǎn)。

這是我國(guó)牧草領(lǐng)域首篇發(fā)表在《自然遺傳學(xué)》（Nature Genetics）上的論文。我校研究生、佐治亞大學(xué)嚴(yán)海東博士后，我校孫敏博士、北京諾禾致源科技股份有限公司生信工程師張鐘仁和我校靳雅榮博士為該論文的共同第一作者，我校黃琳凱教授（第一通訊）和北京諾禾致源科技股份有限公司首席科學(xué)家田仕林研究員為論文的共同通訊作者。我校國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、水稻研究所、動(dòng)物科技學(xué)院、小麥研究所，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、四川大學(xué)、美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)、國(guó)際家畜研究所、國(guó)際熱帶半干旱地區(qū)作物研究所、西班牙科學(xué)院、四川省畜牧科學(xué)院和武漢大學(xué)等單位研究人員參與了本項(xiàng)目的研究。該研究得到了國(guó)家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、國(guó)家自然基金和四川省飼草育種攻關(guān)等項(xiàng)目資助。