5年磨一剑，就为了一棵小草

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在四川农业大学（以下简称四川农大）草业科技学院的实验室里，种着许多看似普通的小草，教授黄琳凯却对它们寄予了厚望，5年时间倾尽全力去探索平凡之下埋藏的秘密。

这个陪伴了很多学生整个本科或研究生阶段的课题，终于在3月3日画上了圆满的句号。这一天，国际权威学术期刊《自然遗传学》（Nature Genetics）发表了黄琳凯团队构建的全球首个牧草领域图形泛基因组。这也是我国牧草领域首篇发表在该期刊上的论文。

“论文发表只是个开始，接下来会在该研究基础上继续砥砺前行，为应对全球气候变暖保障粮食安全方面贡献力量。”论文第一通讯作者黄琳凯在接受《中国科学报》采访时表示。

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图中人物分别为黄琳凯（中），论文共同第一作者、四川农大博士孙敏（左），论文共同第一作者、四川农大博士靳雅荣（右）。    四川农大供图

“人畜争粮”矛盾日益凸显

近年来，人民生活水平、健康意识不断提升，对牛羊肉、牛奶等草畜产品的需求量大幅增加。作为牛羊口粮的牧草，需求量也持续扩大，已经到了供不应求的地步。

在我国，别看有几大辽阔的草原，但牧草很缺。

牧草产业发展远落后于发达国家，每年需要从国外进口牧草100多万吨，牧草种子70%也依赖于进口。这些都存在“卡脖子”的风险。

以四川为例，四川的牛羊所需的牧草甚至还要去北方购买。“原本买成600块钱一吨的草料，运回来就变成了1200块钱。这大大增加了养殖成本，阻碍畜牧业发展。”黄琳凯说。

他算了一笔账，得出了一个结论，“小麦一亩地产1.5吨到2吨饲草料，但种高产牧草每亩可以产12吨，这意味着种一亩牧草相当于6亩小麦。种草的话可以用更少的地来满足牛羊口粮需求，把更多的土地留给种粮食。”

在黄琳凯看来，缺草引发的“人畜争粮”的矛盾，是粮食安全的一个隐患。

“只有培育突破性牧草优良品种，用科技助力提升优质安全食物的供给保障能力，才能避免‘人畜争粮’，保卫国家粮食安全。”黄琳凯说，这也是他5年磨一剑，把研究精力全部倾注到牧草研究的主要原因。

挖掘美洲狼尾草基因“宝藏”

十年前，刚从美国留学回来的黄琳凯，接纳了导师、四川农大教授张新全的建议，开始涉足美洲狼尾草。2018年，关于美洲狼尾草的研究项目正式启动。

牧草千万种，缘何独爱这一棵？

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美洲狼尾草     四川农大供图

黄琳凯解释道，这种草有一个最大的优势在于单产高，特别是它作为亲本的杂交狼尾草一亩地可以产15吨饲草。杂交狼尾草在90年代引进我国后，成为我国重要的饲草，是草食家畜和食草淡水鱼类的优质饲料和青料。

杂交狼尾草，目前在我国南方已是种植面积最大的草种。

要做牧草品种选育，尤其是做分子育种，最基本的是必须要了解物种的遗传变异，只有把这些基因序列全部掌握之后，下一步才好利用这些资源更好更快地选育新品种。

被我国用作牧草的美洲狼尾草，在非洲、印度等热带干旱地区却是非常重要的杂粮作物。所以那时，印度有一个研究所刚好也在做美洲狼尾草的相关研究。

这让黄琳凯感觉压力很大，他丝毫不敢懈怠。新冠疫情刚开始的时候，学生不能返校，为了不影响研究进度，他一个人肩负起了做实验的重任。

然而，研究伊始便遇到阻碍。牧草大多为禾本科植物，而且是多倍体，它的基因组复杂、庞大，重复序列和杂合度都很高，因而基因组测序组装非常困难。

“我们在测第一种狼尾草时，用了一年的时间。期间困难重重，我们用了不同的技术，又优化多算法，都做不好。”黄琳凯说，直到遇上目前最火最新的技术，再优化了一些算法后，才算实现了突破。

研究团队从全球8个地区收集的394份美洲狼尾草核心种质中选取了10份代表性材料，利用最新技术进行基因组从头组装，获得了高质量的基因组组装序列，结合一个已报道的基因组构建了首个美洲狼尾草图形泛基因组。

随即，研究团队发掘到424085个结构变异。他们又在泛基因组图谱基础上进行的全基因组关联分析，发现了143个重要农艺性状相关联的变异位点，并挖掘到与产量性状相关的候选基因446个。

“有了这些成果，我们就可以加速攻关牧草业各环节‘卡脖子’技术。选育出适合我国种植的优良牧草品种，缓解牧草紧缺的困境。”黄琳凯表示。

解锁耐热技能，应对全球变暖

目前，全球气候变暖仍在持续，甚至有加速的趋势。根据计算机模拟显示，到2050年,全球气温可能比上世纪上升1.4摄氏度至3.0摄氏度。

要知道，这对农作物的影响是巨大的，会导致农作物减产。据了解，全球平均温度每升高1°C，小麦产量将减少6%，水稻产量将减少3.2%，玉米产量将减少7.4%。这将严重威胁世界粮食安全。

育种家一直在奋力探究一些植物耐热的秘密，他们希望能找到耐热的“钥匙”，从而改良农作物的耐热能力，培育出耐热抗旱的高品质作物品种。

黄琳凯也十分重视这一点，恰好起源于非洲的美洲狼尾草又很适应极端高温的气候，是研究植物耐热机制的好材料。

通过对水稻、玉米、高粱等多个物种进行比较基因组学以及高温下美洲狼尾草转录组分析，研究团队发现美洲狼尾草中显著扩张的RWP-RK转录因子家族和内质网相关基因协同参与耐热性调控。

随后，他们挖掘并验证到关键结构变异和调控候选基因3个，其中一个基因在水稻中过表达也显著提高了耐热性，将为分子育种提供重要靶点。

这篇论文发表后，其中的耐热研究引起了学术界的关注。黄琳凯还因此收到了Stress Biology编辑的邮件，受邀写一篇有关美洲狼尾草耐热性的评论。

“下一步，我们想从两方面继续开展研究。第一是把美洲狼尾草的品质做好，除了提高产量外还会增加营养物质含量；第二是想把它的耐热‘技能’用到相邻的物种上去，比如水稻和玉米。”黄琳凯说。